调Q均匀红宝石激光器

调Q宽红宝石激光器

红宝石激光器的工作物质是红宝石棒。在激光器的设想提出不久，红宝石就被

首先用来制成了世界上第一台激光器。激光用红宝石晶体的基质是Al

2O

3

，晶体内掺有约

0.05%（重量比）的Gr

2O

3

。Cr3+密度约为，1.58×1019/厘米3。Cr3+在晶体中取代Al3+位置

而均匀分布在其中，光学上属于负单轴晶体。在Xe（氙）灯照射下，红宝石晶体中原来

处于基态E1的粒子，吸收了Xe灯发射的光子而被激发到E

3能级。粒子在E

3

能级的平均

寿命很短（约10-9秒）。大部分粒子通过无辐射跃迁到达激光上能级E

2。粒子在E

2

能级

的寿命很长，可达3×10-3秒。所以在E

2能级上积累起大量粒子，形成E

2

和E

1

之间的粒

子数反转，此时晶体对频率ν满足

hν＝E

2—E

1

（其中h为普朗克常数，E

2、E

1

分别为激光上、下能级的能量）的光子有放大作用，即

对该频率的光有增益。当增益G足够大，能满足阈值条件时，就在部分反射镜端有波长为6943×10-10米的激光输出。

1.1 调Q光器的特点

固体激光器的应用主要集中在科研与开发、加工、医疗和军用等四个方面。在科研与开发方面，涉及面很广，包括作核聚变研究用的高峰值功率激光器系统、作光谱研究和新材料开发用的超短脉冲激光器和可调谐激光器、作脉冲全息摄影用的红宝石激光器、作高速摄影用的超短脉冲激光器、测量人造地球卫星轨迹和月球表面用的高精度激光测距仪、遥感用的激光雷达等等。一般固体脉冲激光器由于存在驰豫振荡现象，输出激光为一无规尖峰脉冲序列，其总的脉冲宽度持续几百微秒甚至几毫秒，峰值功率也只有几十千瓦的水平，远不能满足以上应用要求，正是在这些要求的推动下，人们研究和发展了调Q 技术。

1.2 调Q激光器的发展前景

1961年底，邓锡铭几乎与国外同时，独立提出了高功率激光Q开关原理。他非常形象地解释：把Q开关比喻为一个稍有漏水(自发辐射跃迁)的抽水马桶，当水箱被灌(光泵注入能量)满之后水箱底部的盖快速揭开(Q值突变)，水(激光能量)就一涌而出(激光峰值功率输出)。采用调Ｑ技术很容易获得峰值功率高于兆瓦、脉宽为数十个纳秒的激光巨脉冲。调 Q 技术的出现是激光发展史上的一个重大突破。它不仅大大推动了一些

应用技术的发展且成为科学研究的有力工具。电光Q 开关CO2 激光器具有高脉冲重复频率、可编程输出、及输出稳定等优点 ,目前已应用在激光雷达、激光光谱分析、远红外激光泵浦源等诸多方面。电光调Q CO 2激光器的发展经历了从直流放电激励到射频放电激励及脉冲放电激励的发展过程 ,技术上已经逐渐趋于成熟。

1.电光偏转：利用泡克耳斯效应，通过施加在电光晶体上的电场来改变晶体的折射率。

2.偏转角θ：

假设置于空气中的棱镜μ０，激光入射角为ϕ， 则由折射定律 可以得到

在电光晶体上施加电场后，晶体折射率的改变量为μ∆。由于泡克耳斯效应引起的折射率变化μ∆极小(10-4量级)，所以出射光偏转角的相应改变量为

因此出射光偏转角的改变量与折射率变化成线性关系，从而可以利用外加电压控制光线的前进方向。

2.2 主要设计思想

当激光上能级积累的反转粒子数不多时，人为地控制激光器阈值，使其很高，抑制激光振荡的产生。在这种情况下，由于光束的激励，激光上能级将不断地积累粒子数。当反转粒子数达到最大数量时，突然降低激光器的阈值 。此时亚稳态上的粒子的能量很快转换为光子能力，光子像雪崩一样以极高的速率增长，输出峰值功率高、宽度窄的激光巨脉冲。

电光调Ｑ开关通常也称为普克尔盒开关，它的基本原理是利用某些单轴晶体的线性电光效应，使通过晶体的光束的偏振状态发生改变，从而达到接通或切断腔内振荡光路的开关作用。线性电光开关基本上又可分为两类：一类是利用KD*P(磷酸二氘钾）型晶体的纵向线性电光效应，即光束方向及外加电场方向均与晶体光轴同向；另一类是利用LiNbO3 （铌酸锂）型晶体的横向线性电光效应， 即光束与晶体光轴同向，而外加电场方向与光轴及光束方向相垂直。一般多使用带起偏器的λ/４电光开关，这种开关又分为退压和加压两种工作方式。退压式电光开关，电光晶体施加λ/４调制电压，由棒透过起偏器的Ｐ线偏振光两次通过电光晶体后，偏振面正好偏转90°变成Ｓ光，被偏振片反射到腔外，激光器处于高损耗关门状态，当突然去掉晶体上的调制电压后，开关迅速打开，振荡光路接通，从而产生强的短脉冲激光振荡输出。

实际的电光晶体偏转器是由两个晶体棱镜(如KDP 棱镜)所组成。棱镜各边分别沿x ’、y ’和z ’轴，该二晶体的光轴(z 轴)反向。 外加电场沿图示z 轴方向，光的传播

0sin()sin θϕμϕ

+=0arcsin(sin )θμϕϕ

=-00{arcsin[()sin ]}[arcsin(sin )]θμμϕϕμϕϕμϕ

∆=+∆---≈∆

方向沿y ’轴的方向，它的偏振沿x ’轴施加电压后，上、下层棱镜中传播 时光的折射率为

总光束偏转角

显示平面上可分辨的光斑数目:

一个电光偏转器所能获得的偏转角很小,很难满足实际应用的要求。为增加偏转角，而外加电压又不太高，常将若干个KDP 棱镜串接图3.1.2的结构。

z

A E 6330

02

γμμμ+

=z

B E 6330

02

γμμμ-

=z B A E 633

0γμμμμ=-=∆3

063z E θθθμϕμϕμγϕ∆=∆+∆=∆-∆=下下上上3

0630()

z E m μγϕθ

θλ∆=

=

远场

图3.1.1电光晶体偏转器