调Q YAG激光器 南开大学光学实验

实验一、调Q YAG激光器实验

掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)是一种典型的四能级激光工作物质，由于它的热传导性好;激光阈值低和转换效率高，所以用它可作成连续激光器和高重复频率的脉冲激光器。YAG 激光器可输出几种波长，其中最强的为1.06µm。如果采用调Q、倍频技术，则可获得波长为532nm的脉冲激光。这种以Nd3+:YAG激光器为基础的脉冲激光系统以其高峰值功率、高重复频率和宽波长调谐特性等优点而得到了广泛的应用。

一、 实验目的：

1、掌握Nd3+:YAG激光器的工作原理

2、学习并掌握Nd3+:YAG激光器调整技术

3、学习声光调Q Nd3+:YAG激光器的工作原理

4、掌握声光调Q实验技术，学习nm量级激光脉冲测量方法

5、学习腔外倍频实验技术

二、实验原理

（一）YAG激光器的结构

图1为典型的Nd3+:YAG激光器示意图。其中包括YAG棒；泵浦灯（连续运转的氪灯两个）；Q开关和光学谐振腔。

图2双椭圆主面反光镜截面图

图1 典型的Nd3+:YAG激光器示意图

YAG晶体棒

Nd3+:YAG激光器的工作物质是一种人工晶体，它的基质是钇(Y)铝(Al)石榴石(G)，其分子式为Y3Al5O12。晶体在高温的过程中掺入氧化钕，用提拉法制成。钕就以三价正离子的形式存在于YAG的晶格中，掺钕量约为1%。通常Nd3+:YAG晶体被加工成φ6mm×100mm左右的圆棒状，两端磨成光学平面，平面的法线与棒轴有一个小夹角，面上镀有增透膜，能承受高的功率密度，棒的侧面全部“打毛”，以防止寄生振荡。

激励泵浦源

YAG激光器可用多种光源作为激励泵浦源，连续YAG激光器常用氪灯和碘钨灯为泵浦源，脉冲YAG激光器常用脉冲氙灯为泵浦源。因为这些灯的辐射光谱与YAG棒晶体的吸收光谱匹配较好。如图1所示，泵浦用的氪灯做成和YAG棒长度相近的直管形，以便达到最佳的耦合。两氪灯串联后，外接直流电源。

聚光腔

为了有效地利用灯的光能，把YAG棒和灯放在一个内壁镀金的空心双椭圆柱面聚光腔

中。棒占据双椭圆柱面腔的中心焦线，两灯各占双椭圆柱面腔的一根焦线上。图2表示了这一结构的横截面，不难想象，氪灯发出的光通过双椭圆柱面镜的反射，理论上百分之百到达YAG 棒上。在此类激光器中，加到氪灯上的电能只有少量转变成激光能量，其余都变成热能，所以灯和棒都需要散热和冷却。为此，用石英玻璃管分别套上灯和棒，并在腔内通入流动的水，以带走其释放出来的热能。对YAG 棒加以密封能够滤去紫外光，防止YAG 棒由于紫外光的照射而使其性能逐渐退化。

谐振腔

光学谐振腔是激光器的重要组成部分。它有两个方面的作用：提供光学反馈作用。这是腔内建立和维持激光振荡不可少的。它取决于组成腔的两个反射镜的反射率；反射镜的几何形状及其尺寸。上述因素的改变都会引起光反馈的变化，即引起腔内损耗的变化；对实际振荡光束的限制作用。即控制激光器的特性；光束横向分布，光斑大小，光束发散角及谐振频率。

本实验采用平行平面腔，平镜M 1为全反镜，平面镜M 2为输出镜。两个腔镜分别装在两个精密的光学调整架上，仔细调节可以使腔镜准直并与YAG 棒同轴。当平面腔反射镜不严格平行时，光波损耗增大，光束发散角变大，模式变得更为复杂。腔内工作物质不均匀或谐振腔不稳也将产生类似的影响。而平面镜平面度差，则使激光谱线度变宽。一般平面反射镜的平面度在几分之一波长数量级。

YAG 激光器工作过程如下：连续氪灯在触发时，辐射强烈的光谱，经聚光腔聚在YAG 棒上，被棒吸收，使棒中Nd 3+离子激发，形成粒子数反转，产生受激辐射，并在谐振腔内振荡，多次经过激活介质，使光被放大，产生波长为1064nm 的连续激光。如在腔内合适放置Q 开关，则产生调Q 巨脉冲；在腔内或腔外使用KDP 倍频晶体，可以产生532nm 的倍频激光。

（二）Nd 3+的能谱

Nd 3+的有关能级图如图3所示，用具有连续

光谱的氪灯照射Nd 3+:YAG 晶体，

Nd 3+离子就从基态E 1跃迁至激发态E 4的一系列能级。其中最低的

两个能级为4F 5/2和4F 7/2。相应于中心波长为

0.81µm 和0.75µm 的两个光谱吸收带。由于E 4的

寿命仅约为1ns ，所以受激的Nd 3+离子绝大部分

都经过无辐射跃迁转移到了E 3态。E 3是一个亚稳

态，寿命长达250-500µs ，很容易获得粒子数积

累。E 2态的寿命为50ns ，即使有粒子处于E 2，也

会很快地弛豫到E 1。因此，相对于E 3而言，E 2态

上几乎没有粒子，这样就在E 3和E 2之间造成了粒

子数反转。正是E 3→ E 2的感应辐射在激光谐振腔中得到增益而形成了激光。其波长为1064nm 。只要泵浦光存在，Nd 3+离子的能态就总是处在E 1→ E 4→ E 3 → E 2→ E 1的循环之中。这是一个典型的四能级系统。

（三）Q 开关原理

泵浦光源是连续工作的氪灯时，可以不间断地对Nd 3+离子的E 3和E 2能级提供粒子数反

转，从而得到连续的激光输出。为了得到脉宽窄而峰值功率高的激光脉冲，可以采用“调Q ”方法。在泵浦开始时使谐振腔的损耗增大。即提高振荡阈值，使振荡不能形成，上能级的反转粒子数密度大量积累，当积累到最大值时，突然使谐振腔的损耗变小，值突然增大。激光振荡迅速建立，腔内就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,同时在输出镜端耦合输出一个极强的激光巨脉冲。

Q 声光调Q 技术是以声光相互作用所形成的衍射损耗的突变得以实现的。它是一项重要的激光技术，与自由运转的激光输出相比它可以大大压缩光脉冲宽度，从而使输出峰值功率提高二至四个量级。尤其是连续YAG 激光器的声光调Q 技术应用十分广泛，是获得稳定的高重复率、高峰值功率、短脉冲的重要手段。

如图4所示，当射频电源产生的高频等幅振荡信号加在声光Q 开关的换能器上时，换能器产生超声振动，在声光介质内产生机械应力波，引起介质密度呈疏密交替变化，也就是使折射率发生周期变化，形成“相位光栅”。当光束通过声光介质时产生衍射，造成损耗，使激光谐振腔的Q 值下降。若损耗大于激光工作物质的增益，不能产生振荡，或者说声光Q 开关将激光关断。当高频等幅振荡在方波调制的作用下，突然有短暂的（数微秒）停歇时，声光器件内部的衍射也突然消失，使谐振腔Q 值突然增大，从而产生调Q 巨脉冲。当反转粒子数被消耗减少到激光振荡的阈值粒子数之下时，振荡停止，紧接着高频等幅振荡再次形成，进入下一个循环。

图5表示连续泵浦声光调Q 激光器的光脉冲形成与谐振腔Q 值、反转粒子数之间的关系。

Q Q

Δn i Δn th Δn f t t

图5连续泵浦激光器调Q 光脉冲的形成 材料介质

图4 产生布拉格衍射的声光器件 声光互作用产生的衍射可分为喇曼-奈斯衍射与布拉格衍射两种。它们是根据超声波波长，光波波长以及声光相互作用长度L 的不同而区分的。当时，即当作用距离短、超声频率低、并且入射光与超声传播方向垂直时，产生喇曼-奈斯衍射，衍射光对称地分布在零级光的两侧，通常有若干级。若超声频率提高，声光相互作用距离增加，即，且光束以Bragg 角入射时，产生布拉格衍射，这时只产生零级和位于零级光一侧的一级衍射。实际的声光调Q 器件都使用布拉格衍射，因为它具有较高的衍射效率。布拉格衍射角为：

s λλ2s L λλ<<2s L λ>>λ