电光调Q实验讲义

电光Q 开关技术一、实验目的：1、理解电光调Q 的基本原理；2、了解退压式电光调Q 的原理及方法；3、学会电光Q 开关实验装置的调试；4、掌握相关技术参数的测试方法。

二、实验原理：调Q 技术的发展和应用，是激光发展史上的一个重要突破。

一般的固体脉冲激光器输出的光脉冲，其脉冲持续在几百s μ甚至几ms ，其峰值功率也只有kW 级水平，因此，压缩脉宽，增大峰值功率一直是激光技术所需解决的重要课题。

Q 技术就是为了适应这种要求而发展起来的。

1. 调Q 基本概念用品质因数Q 值来衡量激光器光学谐振腔的质量优劣，是对腔内损耗的一个量度。

调Q 技术中，品质因数Q 定义为腔内贮存的能量与每秒钟损耗的能量之比，可表示为：每秒钟损耗的激光能量腔内贮存的激光能量02πν=Q （1） 式中0ν为激光的中心频率。

如用E 表示腔内贮存的激光能量，γ为光在腔内走一个单程能量的损耗率。

那么光在这一单程中对应的损耗能量为E γ。

用L 表示腔长；n 为折射率；c 为光速。

则光在腔内走一个单程所需要时间为c nL /。

由此，光在腔内每秒钟损耗的能量为cnL E /γ这样，Q 值可表示为 γλπγπν002/2nL nL Ec E Q == （2） 式中00/νλc =为真空中激光波长。

可见Q 值与损耗率总是成反比变化的，即损耗大Q 值就低；损耗小Q 值就高。

固体激光器由于存在弛豫振荡现象，产生了功率在阈值附近起伏的尖峰脉冲序列，从而阻碍了激光脉冲峰值功率的提高。

如果我们设法在泵浦开始时使谐振腔内的损耗增大，即提高振荡阈值，振荡不能形成，使激光工作物质上能级的粒子数大量积累。

当积累到最大值（饱和值时），突然使腔内损耗变小，Q 值突增。

这时，腔内会象雪崩一样以极快的速度建立起极强的振荡，在短时间内反转粒子数大量被消耗，转变为腔内的光能量，并在透反镜端耦合输出一个极强的激光脉冲。

在这个过程中，弛豫振荡一般是不会发生的，但是，如果调Q 器件设计及调整得不好也会导致多脉冲出现。

所以，输出光脉冲脉宽窄，峰值功率高。

通常把这种光脉冲称为巨脉冲。

调节腔内的损耗实际上是调节Q 值，调Q 技术即由此而得名。

也成为Q 突变技术或Q 开关技术。

谐振腔的损耗γ一般包括有：54321αααααγ++++= （3）其中1α为反射损耗；α2为吸收损耗；α3为衍射损耗：α4为散射损耗；α5为输出损耗。

用不同的方法去控制不同的损耗，就形成了不同的Q 技术。

如控制反射损耗α1的有转镜调Q 技术，电光调Q 技术；控制吸收损耗α2的有可饱和染料调Q 技术；控制衍射损耗α3的有声光调Q 技术；控制输出损耗α5的有透射式调Q 技术。

图1为脉冲泵浦的调Q 激光器产生激光巨脉冲的时间过程图1. 激光巨脉冲产生的时间关系在t=0时闪光灯脉冲接近终了，腔内损耗γ此时有一个 突变（即打开Q 开光光闸），腔内增益大于高于腔内损耗，而当延迟到d t t =时，th N N ∆≥∆，即会发射一个高功率脉冲。

本实验以电光Q 开关激光器的原理、调整、特性测试为主要内容。

利用晶体的电光效应制成的Q 开关，具有开关速度快；所获得激光脉冲峰值功率高，可达几MW 至GW ；脉冲宽度窄，一般可达几ns 至几十ns ；器件的效率高，可达动态效率001；器件输出功率稳定性较好；产生激光时间控制精度高；便于与其它仪器联动；器件可以在高重复频率下工作等优点。

所以这是一种以获广泛应用的Q 开关。

2. 纵向加压KD *P Q 开关原理（1）KD *P 晶体的纵向电光效应KD *P 晶体属于四方晶系42m 晶类，光轴C 与主轴Z 重合。

未加电场时，在主轴坐标系中，其折射率椭球方程为：1222022=++en z n y x （4） 其中，n 0、n e 分别为其寻常和异常光的折射率。

加电场后，由于晶体对称性的影响，42m 晶类只有4163,γγ两个独立的线性电光系数。

63γ是电场方向平行于光轴的电光系数，41λ是电场方向垂直于光轴的电光系数。

KD *P 晶体加外电场后的折射率椭球方程是：222n y x ++e n z 22+212)(6341=++xy E xz E yz E Z y x γγ （5） 当只在KD *P 晶体光轴z 方向加电场时上式变成：222n y x ++e n z 22+1263=xy E z γ （6） 经坐标变换，可求出此时在三个感应主轴上的主折射率：210'-=n n x z E n 6303γ 210'+=n n y z E n 6303γ e z n n =' （7） 上式表明，在E z 作用下KD *P 变为双轴晶体，折射率椭球的xy 截面有圆变为椭圆，椭圆的长短轴方向x ‘、y ’相对于原光轴x 、y 转了450，转角大小与外加电场大小无关，长、短半轴的长度即'y n 和'x n 。

由上式可看出它们的大小与E z 成线性关系，电场反向时长短轴互换，见图2。

图2. KD *P 63γ纵向效应 当光沿KD *P 光轴z 方向传播时，在感应主游x ‘、y ’两方向偏振的光波分量，由于此时晶体在这两者方向上的折射率不同，经过长度为l 的晶体后产生位相差：x x y V l n n 632)(2''γλπλπδ=-= （8） 式中l E V z z =为加在晶体z 向两端的直流电压 。

使光波两个分量产生位相差2π所需要加的电压，称为“4λ电压”，以2πV 表示，即633024γλπn V = （9）KD *P 晶体的光电系数63γ=6.23V m /1012-⨯对于λ=1.0μm 、KD *P 晶体的2πV =4000V 左右。

（2）带启偏器的KD *P 电光Q 开关原理 带起偏振器的KD *P 电光Q 开关，是一种发展较早、应用较广泛的电光晶体调Q 装置，其特点是利用一个偏振器兼作起偏和检偏，偏振器可采用方解石格兰—傅克棱镜，也可用介质膜偏振片。

其装置如图3所示。

KD *P 晶体具有纵向电光系数大，抗破坏阈值高的特点，但容易潮解，故需要放在密封盒内使用。

通常采用纵向运用方式，即z 向加压，z 向通光。

图3. 带起偏器的调Q 激光器装置原理图带起偏器的KD *P 电光Q 开关工作过程如下：YAG 棒在氙灯的激励下产生无规则偏振光，通过偏振器后成为线偏振光，通过偏振器后成为线偏振光，若起偏方向与KD *P 晶体的晶轴x （或y ）方向一致，并在KD *P 上施加一个4λV 的外加电场。

由于电光效应产生的电感应主轴x ‘和y ’与入射偏振方向成450角。

这时调制晶体起到了一个41波片的作用，显然，线偏振光通过晶体后产生了2π的位相差，可见往返一次产生的总位相差为π，线偏振光经这一次往返后偏振面旋转了900，情况下，由介质偏振器和KD *P 调制晶体组成的电光开关处于关闭状态，谐振腔的Q 值很低，不能形成激光振荡。

虽然这时整个器件处在低Q 值状态，但由于氙灯一直在对YAG 棒进行抽运，工作物质中亚稳态粒子数便得到足够的积累，当粒子反转数达到最大时，突然去掉调制晶体上的1/4波长电压，即电光开关迅速被打开，沿谐振腔轴线方向传播的激光可自由通过调制晶体，而其偏振状态不发生任何变化，这时谐振腔处于Q 值状态，形成雪崩式激光发射。

三、实验装置：图4. 电光调Q 实验装置图四、实验仪器：示波器；热释电能量探头；连续光电探头；短脉冲光电探头。

五、实验内容及步骤：(1)退压式1. 用LD 激光束调整激光器各光学元件的高低水平位置 ，使各光学元件的对称中心基本位于同一直线上。

再调整各光学元件的俯仰方位，使介质膜反射镜、偏振器、电光晶体的通过面与激光工作物质端面相互平行。

2. 启动电源，在不加4λ晶体电压情况下，反复调整两块谐振腔片，使静态激光输出最强。

一般称不加调Q 元件的激光输出为静态激光；而加调Q 元件的激光输出为动态激光或巨脉冲激光。

3. 关门实验，给电光晶体加上核定的4λ电压，转动KD *P 晶体，充电并打激光，反复微调电光晶体，直到其x 、y 轴与偏振器的起偏方向平行。

同时适当微调4λV 电压，直到激光器完全不能振荡为止。

此即说明电光Q 开关已处于光闭状态（低Q 值状态）。

4. 接通电光晶体的退压电路，打动态激光，微调氙灯开始泵浦至退去4λV 电压之间的延迟时间电位器，一面观察激光强弱，一面微调延迟电位器旋钮，直到激光输出最强。

改变脉冲泵浦能量，用能量计分别测量几组静、动态输出能量。

并利用公式分别计算出在一泵浦能量下的动态与静态激光输出能量之比称为动静比。

ηη, 静态激光能量动态激光能量=η5. 观测或照相记录激光波形。

用强流管或光电二极管接收激光，并100MHz 以上的宽带示波器（因动态激光脉冲宽度一般为几到几十ns ）观察激光波形。

根据下式计算激光脉冲的峰值功率P 0T E ∆脉冲半功率点间宽度单脉冲能量 （2）加压式1.谐振腔的调试同退压式。

2.加上λ/4波片，反复调整两块谐振腔片，使静态激光 输出最强。

3.关门实验：转动 λ/4波片，直到激光器完全不能振荡为止。

此即说明电光Q 开关已处于光闭状态（低Q 值状态）。

4.打动态激光，微调氙灯开始泵浦至加λ/4电压之间的延迟时间电位器，一面观察激光强弱，一面微调延迟电位器旋钮，直到激光输出最强。

5.测量方法同退压式。

六、思考题：1. 为什么调Q 时、增大激光器的腔内损耗的同时能使用上能级粒子反转数积累增加？试加以说明。

2. 根据图1，试述改变退压延迟时间t 0和加在晶体上的电压值4λV ，为什么会影响调Q 激光器的输出？。