电光调q实验讲义

电光 Q 开关技术 1、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，其脉冲持续在几百甚至几，其峰值功率也只有 kW 级水平，sms 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： （1） 每秒钟损耗的激光能量 腔内贮存的激光能量 0 2Q 式中为激光的中心频率。 0 如用 E 表示腔内贮存的激光能量，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 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 。cnL/ 由此，光在腔内每秒钟损耗的能量为这样，Q 值可表示为 cnL E / （2） 0 0 2 / 2 nL nLEc E Q 式中为真空中激光波长。可见 Q 值与损耗率总是成反比变化的，即损耗大 00 /c 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 2 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。 谐振腔的损耗一般包括有： （3） 54321 其中为反射损耗； 2为吸收损耗；3为衍射损耗：4为散射损耗；5为输出 1 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 1的有转镜调 Q 技术，电光调 Q 技术；控制吸收损耗2的有可饱和染料调 Q 技术； 控制衍射损耗 3的有声光调 Q 技术；控制输出损耗5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，而当延迟到时，即会发射一个d tt th NN 高功率脉冲。 3 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 ；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；0 0 1 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： （4）1 2 2 2 0 22 e n z n yx 其中，n0、ne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 晶类只有两个独立的线性电光系数。是电场方向平行于光轴的电光系 4163, 63 数，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 41 程是： +2 （5） 0 2 22 n yx en z 2 2 12)( 6341 xyExzEyzE Zyx 当只在KD*P 晶体光轴 z 方向加电场时上式变成： + （6） 0 2 22 n yx en z 2 2 12 63 xyEz 经坐标变换，可求出此时在三个感应主轴上的主折射率： 2 1 0 nnx z En 630 3 （7） 2 1 0 nny z En 630 3 e z nn 上式表明，在 Ez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 Ez成线性关系，电 y n x n 场反向时长短轴互换，见图 2。 4 图 2. KD*P纵向效应 63 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 的晶体后产生位相差：l （8） x xy Vlnn 63 2 )( 2 式中为加在晶体 z 向两端的直流电压 。lEV zz 使光波两个分量产生位相差所需要加的电压，称为“电压” ，以表示， 2 4 2 V 即 （9） 63 3 0 2 4 n V KD*P 晶体的光电系数=对于=1.0m、KD*P 晶体的=4000V 63 6 .23Vm/10 12 2 V 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： 5 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 4 V 偏振方向成 450角。这时调制晶体起到了一个波片的作用，显然，线偏振光通过 4 1 晶体后产生了的位相差，可见往返一次产生的总位相差为，线偏振光经这一次 2 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。 3、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)(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，在不加晶体电压情况下，反复调整两块谐振腔片，使静态激光输 4 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 6 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电压，转动 KD*P 晶体，充电并打激光， 4 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 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 4 V （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电压之间 4 V 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。, 静态激光能量 动态激光能量 5. 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 P0 T E 脉冲半功率点间宽度 单脉冲能量 （2）加压式）加压式 1.谐振腔的调试同退压式。 2.加上 /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 /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（