Nd-YAG 固体激光器电光调Q、倍频实验讲义

Nd:YAG 固体激光器电光调Q、倍频实验一、 实验目的1. 掌握电光调Q 的原理及调试方法；2. 学会电光调Q 装置的调试；3. 掌握相关参数的测量。

二、 实验原理1. 调Q 技术原理调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c nL 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所示出了脉冲泵浦的调Q 激光器产生激光巨脉冲的时间过程。

W p 表示泵浦速率；Ni 表示Q 值阶跃时的粒子数反转数；Nt 为阈值粒子数反转数；Nf 为震荡终止时刻，工作物质残留的粒子数反转数；为激光光子数密度。

图1 激光巨脉冲产生的时间过程图1所示，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 Δ≥Δ，即会发射一个高功率脉冲。

由图可知，激光巨脉冲的峰值应该出现在工作物质的粒子反转数恰等于谐振腔阈值粒子反转数的时间。

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：0222n y x ++en 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：0222n y x ++en 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 （7） e z n n ='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、短半轴的长度即和。

由上式可看出它们的大小与E 'y n 'x n 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）式中为加在晶体z 向两端的直流电压 。

l E V z z =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=对于6.23V m /1012−×λ=1.0μm 、KD *P 晶体的2πV =4000V 左右。

（2）带起偏器的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、实验装置四、实验内容（一）实验步骤准直1．调整腔的大致高度，使He-Ne激光器的输出光基本上从工作物质，即YAG棒的前端中心射入，后端中心射出，用小孔光阑将高度锁定。

2．利用光阑将He-Ne激光器输出光调至与导轨平行，当光阑在近场时，调节He-Ne前端时光从小孔中心通过，再将光阑拉至远场，调节He-Ne后端，使光从小孔中心通过，反复缓慢拉动光阑，重复调节，达到平行光目的。

3．将偏振片和YAG棒腔体放置导轨上，微调架的顶拉结构或二维旋钮，使YAG棒反射的准直光从光阑小孔中心通过，并进一步微调使准直光从工作物质中心通过，调整时可用硫酸纸观察4．分别将全反镜，平面镜放置导轨上，调整二维旋钮，同样使He-Ne反射光从小孔中心通过。

5．放置倍频晶体后，尽量使准直光从偏振片及倍频晶体的中心通过，但其反射光不必一定通过小孔中心。

出光静态光6. 将各装置架固定在导轨指定位置，连接好电极及各电源端口，接通电源，打开电源开关，先预燃，几秒钟后打开“开启”开关。

7. 适当加大供给电压，用上转换片接收静态光。

粗调全反镜的二维旋钮（记忆旋转角度的大小）。

待部分光斑出现，再微调使输出光达到光强分布均匀的同心圆，一般情况下不调整平面镜。

8. 加上调Q装置，不开晶压，由于腔内损耗，光路发生偏折，需中心微调全反镜，达到输出光均匀。

动态光9. 必须带静态光斑稳定在较好效果，即光把钱分布均匀的同心圆，才可以进行调Q。

否则若静态光分布不均匀，由于调Q后的动态光能量大，光的强点会打损倍频晶体。

10. 接入数字示波器，先接收静态光，利用脉冲探头（注意避免饱和）。

按下“自动设置”适当调节示波器的水平，垂直幅值及电平，得到较理想的波形。

11. 退压延时打开晶压开关，调节电压约为3700V，降低工作电压，打开退压开关，得出动态光，微调Q 调整架的二维旋钮得到较理想的同心圆波形。

用探头承接灯光和动态光波形，调整退压延时旋钮，使动态光脉冲在灯光后沿半功率点处，得到合适的退压延时。

12. 关门在600V工作电压，静态光状态下，开启晶压开关，旋转Q装置外环及二维旋钮，适当调节幅值旋钮，电平，逐渐减小波形幅值，尽量使其到最低，然后加大工作电压，同样方法降低幅值……反复如此到工作电压800V ，完全“关住门”，即使谐振腔内阈值升高，不能形成激光。

13 降低工作电压，上转换片换为倍频晶体，打开退压开关，输出动态光，并再次微调全反镜使光斑均匀。

（由于动态光能量大，需用包有塑料膜的相纸接收，以免溅射的烟灰颗粒污染镜片）（二）实验内容1. 脉冲Nd ：YAG 激光器原理实验（1） 通过准直调整过程，在500V 工作电压下达到静态光输出能量最大。

（2） 激光器脉冲宽度测量静态光状态下，观察输出光波形，测量出其脉宽（微妙量级）。

动态光状态下，测量脉宽（纳秒量级）（3） 把激光器调到最佳，不断降低电压，直到光电探测器无激光波形，这是诸如能量为阈值。

（4） 从阈值电压开始，以50V 工作电压增量测出6个电压值相应激光能量E 出，测量方法：手持挡板隔开激光束和能量计探头，然后快速一开挡板又迅速复位，保证每次操作只放过一个激光脉冲进入探头，每个测量点重复5次测量并计算出E 出的算术平均值，每个测量点的氙灯诸如能量为12E =CU 2其中C 为储能电容器的电容量，为100μF ，V 氙灯电压。

列出E 出和E 的数据表并作出E 出——E 关系曲线，根据曲线求出测出个测量点的绝对效率η1=E 出/E和相邻两测量点之间的斜率效率2η=ΔE 出/ EΔ2. 脉冲Nd ：YAG 激光技术实验（1） 激光电光调Q 实验调Q 实验目的是让全部激光能量压缩在一个窄脉宽时间里释放出来，即静态光的脉宽由微妙量级变为动态光的纳秒量级，从而提高激光器输出的峰值功率。

其中调Q 装置由起偏器和电光晶体组成。

*KD P （2） 激光器晶体角度匹配倍频实验（3） 激光器选模实验五、实验要求1. 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。