固体激光倍频、调Q实验

声光调Q倍频YAG激光器实验声光调制器由石英晶体、铌酸锂或重火石玻璃作为声光介质，通过压电晶体电声转换器将超声波耦合，在声光介质中产生超声波光栅，介质的折射率被周期性调制形成折射率体光栅。在腔内采用该技术，可将连续的1064nm基频光变换成10KHz的高重复率脉冲激光，由于具有重复频率和峰值功率高的特点，可获得高平均功率的倍频绿光输出。

【实验目的】

（1）掌握声光调Q连续激光器及其倍频的工作原理；

（2）学习声光调Q倍频激光器的调整方法；

（3）了解声光调Q固体激光器的静态和动态特性，并掌握测试方法；（4）学习倍频激光器的调整方法。【实验原理】

【实验原理】

声光调Q倍频连续YAG激光器的工作原理

（1）声光调Q基本原理：

图1 声光调制器工作原理

声光调制器是由石英晶体、铌酸锂、或重火石玻璃做为声光介质，通过电声换能器（压电晶体）将超声波耦合进去，在声光介质中产生超声波光栅。超声波光栅将介质的折射率进行周期性调制，从而进一步形成折射率体光栅。如图1所示。光栅公式如下式

（1）

式（1）中，是声光介质中的超声波波长，为布拉格衍射角，为入射光波波长，n为声光介质的折射率。当入射光以布拉格角入射时，出射光将被介质中的体光栅衍射到一级衍射最大方向上。利用声光介质的这种性质，可以对激光谐振腔内的光束方向进行调制。当加入声光调制信号时，光束偏转出腔外，不能在腔内形成振荡，即此时为高损耗腔。在此期间泵浦灯注入给激活介质（激光晶体）的能量储存在激光上能级，形成高反转粒子数。当去掉声光调制信号时，光束不被偏转，在腔内往返，形成激光振荡。由于前面积累的高反转粒子数远远超过激光阈值，所以瞬时形成脉冲激光输出，从而形

成窄脉宽、高能量的激光脉冲。声光调Q激光器工作在几千周到几十千周的调制频率下，所以可以获得高重复率、高平均功率的激光输出。（2）倍频器件工作原理：

图2 倍频晶体折射率椭球及通光方向示意图

由于晶体中存在色散现象，所以在倍频晶体中的通光方向上，基频光与倍频光所经历的折射率与是不同的。图3给出了一个单轴晶体的色散及1064nm倍频匹配点的折射率关系曲线。图3中的实线代表了寻常光的折射率，点划线代表了非常光的折射率，中间的点线则代表了非常光在改变入射光角度时得到的折射率。由图中可以看出，当改变晶体中入射光的角度，中间的非常光折射率曲线随之变化，在如图3的位置上，可以实现1064nm 的倍频。即在特定的通光方向上，532nm 的倍频光与1064nm的基频光折射率可以实现相等，实现倍频的相位匹配。对于双轴晶体其相位匹配的计算较为复杂，这里

不详细论述。其相位匹配原理都是相同的。

图3 单轴晶体色散曲线及倍频原理示意图

（3）倍频效率：

设w为基频光，2w为倍频光，则由理论计算可以得到倍频的效率为

（2）为基频光光强，为倍频光光强，L为晶体长度，为晶体倍频有效非线性系数，为基频光折射率，为倍频光折射率，为三波互作用时的波矢量失配。

由公式给出的倍频效率是一个Sinc平方函数，当时效

率达到最大值，失配量在的整数倍时达到最小值。

图4 倍频效率的sinc平方函数图

【实验装置】

实验装置如图5所示。这是一台内腔倍频、连续氪灯（单灯）泵浦、声光调Q的YAG激光器。不加倍频元件可以输出1064nm 波长的近红外高功率激光。当腔内放置倍频晶体时，如采用倍频效率较高的KTP（磷酸二氢钾）晶体，就可以产生532nm波长的倍频绿光输出。

图5声光调Q连续YAG倍频激光器示意图

由于倍频效率与基频激光的峰值功率平方成正比，所以为了有效地产生高效率的倍频输出，在YAG 腔内采用了声光调Q 装置，其作用可以将连续振荡的1064nm基频光变换成10KHz左右的高重复频率脉冲激光，脉冲宽度在150nS 左右。由于具有重复频率和峰值功率高的特点，所以可以获得高平均功率的倍频绿光输出。实验装置中采用5mW 的氦氖激光器做为准直光源。谐振腔后面采用的全反镜为1064nm高反。倍频输出镜为1064nm高反和532nm高透双色镜。1064nm 基频光在腔内形成振荡且不直接输出到腔外。在腔内放置KTP晶体做为倍频器件，将1064nm基频光转换为532nm倍频光，并通过倍频输出镜获得输出。本实验中，在腔内还放置了一块谐波反射镜，上面镀有1064nm 高透、532nm 高反，使获得的后向倍频光再次反射回倍频输出镜处并得到输出，从而进一步提高了倍频输出效率。

【实验内容】

（1）仔细反复调整激光器中反射镜、声光Q 开关、KTP 倍频晶体，使之降低阈值达到最佳工作状态。

（2）观察声光调Q连续YAG倍频激光器的工作特点。

（3）比较有调Q作用和无调Q作用时倍频输出明显的差别。

（4）测量倍频激光器绿光输出的脉冲宽度和波形。

（5）观察不同声光调制频率下绿光输出功率的变化。

（6）转动倍频晶体角度观察倍频输出功率变化。

*（7）估算倍频激光器的倍频效率。

【实验步骤】

（1）用氦氖激光器调整光路，使所有反射面都与光轴垂直，达到谐振腔的腔镜平行。重点是光路中的激光棒端面、声光Q开关端面、全反镜和倍频输出镜。这是保证有效产生高功率基频光振荡的首要条件。

（2）通冷却水后，小心设定连续激光电源的最小工作电流，开启电源使连续氪灯工作在最小孤光放电状态。

（3）打开激光功率计，并调零，设定探测波长为 532nm 档。开启声光调Q 驱动电源，调整声光调制功率。一般应结合激光功率进行调整，当激光功率较小时调制功率亦小，调制功率不宜设定过高，以达到最高效率为准。先将声光调制频率设定为 7KHz 左右，进行观察，然后再改变声光调制频率从7KHz~20KHz，观察绿光输出功率的变化。

（4）对实验内容（3）进行观察和熟悉。

（5）用分辨率小于100nS 的示波器和绿光响应的高速光电二级管探测观察声光调Q倍频绿光输出的波形。可将激光调整到较小，或将绿光激光打到物体的反射面上探测其反射光即可。不可直接将探测器对准绿光进行探测，否则会造成探测器的损坏。

（6）绘制不同声光调制频率下的绿光输出功率曲线，注意标明激光工作条件（激光电源驱动电流、声光调制器驱动电流）。

（7）KTP 晶体属于双轴晶体，实验中采用 II 类相位匹配，