★实验六 固体激光器的调Q和倍频.doc

实验六 固体激光器的调Q和倍频一、实验目的1、 掌握调Q激光器的调整技术。2、 了解调Q的基本原理，掌握调Q技术。3、 了解激光倍频原理，观察倍频现象。二、实验仪器脉冲调Q Nd:YAG激光器，He-Ne激光器，探测器，能量计， 示波器，色心晶体，染料盒，倍频晶体。三、实验原理1、 调Q原理调Q技术是将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值功率可提高几个数量级的一种技术。它的过程是通过粒子数反转，在激光器中把能量储存起来，然后在极短时间内释放能量，产生巨脉冲。图1：调Q脉冲的形成Q开关激光脉冲建立过程如图所示。泵浦的大部分时间损耗高，不能起振，上能级粒子数不断累积，直到t0时刻，粒子数反转到最大值ni，这时腔的损耗下降，震荡阈值降低，激光震荡迅速形成。直到ni=nt（nt是阈值反转粒子数）时，脉冲峰值最高。此后粒子反转数小于阈值，光功率迅速下降。调Q主要分为主动调Q和被动调Q两种。下面介绍主动调Q和被动调Q的典型代表电光调Q和色心晶体调Q。2、 电光调Q(1) 电光效应某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变，这种现象称为电光效应。(2) 电光相位延迟的形成过程KDP晶体延z轴加电场后，当一束线偏振光沿着z轴方向入射晶体，且E矢量沿x方向，进入晶体后即分解为沿x和y方向的两个垂直偏振分量。由于二者的折射率不同，则沿x方向振动的光传播速度快，而沿y方向振动的光传播速度慢，当它们经过长度L后所走的光程分别为nxL和nyL，这样，两偏振分量的相位延迟分别为（n0是未加电场时晶体的折射率，Ez是沿Z方向加的电场）因此，当这两个光波穿过晶体后将产生一个相位差(3) 电光调Q器件的工作原理图2：电光调Q示意图以上是一个电光调Q光路示意图。如果在晶体上加/4电压，那么当延x方向的线偏振光通过晶体后，两分量之间便产生/2的相位差，则从晶体出射后合成为圆偏振光，经过全反射镜返回，再次通过晶体，又会产生/2的相位差，往返一次总共累积产生相位差，合成后得到沿y方向振动的线偏振光，这种光不能再通过偏振棱镜，此时，电光Q开关处于“关闭”状态，阻断了激光脉冲的形成。待激光的上能级反转的粒子数积累到最大时，突然撤去晶体上的/4电压，使激光器瞬间处于高Q值状态，产生雪崩式的激光振荡，就可输出一个巨脉冲。3、 色心晶体调Q 色心晶体是一种具有激活色心的可饱和吸收材料。这种介质的饱和光强为式中，a是饱和吸收体上能级寿命，是吸收截面。吸收截面越大，饱和光强Is就越低，激活色心在比较低的光强作用下，就能进入饱和状态，会使该频率的光波透明而被“漂白”。显然，这种材料置于激光器的谐振腔内，透过率将随腔中光子密度的变化而变化，改变腔的Q值，起到被动开关的作用。用得比较成功的色心可饱和吸收体是LiF:F2，它既具有染料Q开关使用简便的优点，又具有长期稳定的光学质量。而且LiF晶体有高的热导率和抗光损伤阈值，所以这种色心晶体被动式调Q很适合于高重复率、高功率激光器使用。研究LiF:F2-的吸收峰发现，这种晶体可以用作YAG激光器的Q开关。4、 倍频光在介质中传播时会引起介质极化。光场E引起的极化矢量为倍频就是利用了二次非线性效应设有一角频率为的强激光沿z轴方向进入介质，在一维情况下，有即可辐射出角频率为2的电磁波（倍频光），当某些晶体（如KDP，ADP）满足一定的相位匹配条件时，就会使入射的基频光以一定效率转变为倍频光。四、实验内容和步骤(一) 熟悉实验仪器装置熟悉Nd：YAG固体激光器装置、水冷装置、电光晶体调Q模块、电源控制箱、倍频晶体、能量计、200M示波器，按照说明书检查泵浦源电源、调Q模块电源、水冷装置的正确连线。(二) 调试固体脉冲激光器1、 如图3，放置激光器各元件。点燃He-Ne激光器并调节M1、M2镜，使红光通过镜M2、M3、M4、M5中心，并保证红光位于激光腔入射孔和出射孔中心，以及保证M3、M5、激光腔处的反射光线和入射光线重合。微调M4垂直方向旋钮，使镜M4反射光在远处距底台的高度与近处高度一致。图3：实验装置示意图2、 将电源控制箱面板的Q状态选择为静态（按下OFF按钮），晶体调节电位器回零位。将面板的充电电位器调节至零位，时统选择至内时统，确认预燃开关（SIMMER）和工作开关（WORK）处于弹开位置。3、 开电钥匙，水泵工作，表头有指示。（5分钟后）按下预燃开关，氙灯被电离，面板上预燃指示灯亮，时统（FREQ）选择1Hz。按下工作开关，调节充电电位器（ADJ）增加输出电压至700V，氙灯应出光。4、 将黑色相纸放置于激光器输出口处，观察相纸，出现炭化斑，并伴有响声，激光产生。5、 微调M4水平方向和M5，使斑点圆、均匀、响声达到最大，输出激光能量达到最大。至此脉冲激光腔调节好。(三) 调试电光晶体调Q激光1、 关机：先将氙灯充电电压降为零，依次弹出氙灯工作开关（WORK）按钮、预燃开关（SIMMER）按钮，氙灯即关闭。2、 放置DKDP Pockels cell，并将DKDP Pockels cell上标注的X晶体轴位置与固定架刻度盘的“0”重合。微调X，Y位移旋钮，确保红光垂直晶体通光面并由中心通过。再一次检查各元件，确保光线从各元件中心通过。并且M3、M5镜面与光线垂直。3、 依次按下氙灯预燃开关、工作开关按钮，充电电压调至700V，氙灯出光，轻轻绕光轴转动Pockels cell（不会超出5度），在出射口处放置黑色像纸，当像纸出现焦化，并伴有响声，说明Pockels cell的Z轴基本和光轴重合了。停止对Pockels cell的操作，进行下一步。4、 按下ON按钮，调节“晶压调节”电位器至1/4电压（约3610V），即接通电光晶体的高压退压电路，打动态激光。微调氙灯开始泵浦至退去晶体1/4电压之间的延迟时间，将延时预调至321微秒。5、 返回来再对Pockels cell进行精确调整，一边协调调节固定架的X，Y位移旋钮和M3全反镜固定架的X，Y位移旋钮，一边用黑色相纸观察激光器输出的动态激光，最终要使激光留在相纸上的焦化斑圆、均匀响声达到最大，而且要清脆（这个过程需要耐心反复调节，需找合适位置）。当出现以上现象是，可以按下HV按钮观察Pockels cell处于关门状态下时激光的输出情况，这时能量计上的示值应该很小（应该低于5mJ）。反复以上调节，使能量计的示值减小到零。这时说明Pockels cell在加压后能够完全截止在谐振腔里的激光振荡。6、 将“晶压调节”电位器数值锁定。按下ON按钮，返回动态状态，缓慢调节延时时间DELAY直至激光输出能量最强。将延时电位器数值锁定，锁定各光学元件固定架。(四) 测试固体激光器电光晶体调Q性能1、 当电光晶体调Q脉冲激光调整到以上最好状态后，分别记录加电光晶体高压（HV）、电光调Q（ON）、晶体高压退去（OFF）三种情况下，脉冲激光输出的能量值。实验完成后，分析比较。2、 在电光调Q（ON）、晶体高压退去（OFF）两种情况下，用探测器、示波器观察并记录固体激光器输出的脉冲波形，读取半高度脉宽、峰值电压，实验完成后，分析比较。(五) 测试固体激光器色心晶体调Q性能电光晶体处于高压退去（OFF）状态下，关机（水冷不关），放置色心晶体，用He-Ne激光调整好光路（放入色心晶体，光线从晶体中心通过，且垂直入射），开机，用探测器、示波器观察并记录固体激光器输出的脉冲波形，读取半高度脉宽、峰值电压，用能量计读取激光输出能量，实验完成后，分析比较。(六) 观察倍频特性关机，撤下色心晶体，在输出镜M5后的倍频晶体架上放上倍频晶体，倍频晶体后放上滤光片（滤1.06m的光，通0.53m的光），并使倍频晶体中心与光轴重合，开机，转动倍频晶体，使输出光最强。测量输出的0.53m的光的能量。计算倍频转换效率。五、思考题1、 简述调Q的原理和共性，并比较电光调Q和色心晶体调Q的优越性。2、 为什么色心晶体调Q中的多脉冲现象？3、 实验中的延迟时间应该如何选择？4、 分析电光晶体的响应特性，选择电光晶体时应考虑哪些因素？六、参考资料1 蓝信钜等.激光技术M.北京：科学出版社，2000，232-235；2 范滇元.中国激光技术发展与展望E. http:/33/article/2004-03/22.htm. 2004-03-06；3（美）W.克希耐尔.固体激光工程M.北京：科学出版社，2002年，32-37；4 周炳琨、高以智、陈倜嵘、陈家骅.激光原理（第4版）M.北京：国防工业出版社，2000，147