固体激光倍频、调Q实验.doc

声光调Q倍频YAG激光器实验声光调制器由石英晶体、铌酸锂 或重火石玻璃作为声光介质，通过压电晶体电声转换器将超声波耦合，在声光介质中产生超声波光栅，介质的折射率被周期性调制形成折射率体光栅。在腔内采用该技术，可将连续的1064nm基频光变换成10KHz的高重复率脉冲激光，由于具有重复频率和峰值功率高的特点，可获得高平均功率的倍频绿光输出。【实验目的】（1）掌握声光调Q连续激光器及其倍频的工作原理； （2）学习声光调Q倍频激光器的调整方法； （3）了解声光调Q固体激光器的静态和动态特性，并掌握测试方法； （4）学习倍频激光器的调整方法。【实验原理】【实验原理】声光调Q倍频连续YAG激光器的工作原理 （1） 声光调Q基本原理： 图1 声光调制器工作原理声光调制器是由石英晶体、铌酸锂、或重火石玻璃做为声光介质，通过电声换能器（压电晶体）将超声波耦合进去，在声光介质中产生超声波光栅。超声波光栅将介质的折射率进行周期性调制，从而进一步形成折射率体光栅。如图1所示。光栅公式如下式 （1） 式（1）中， 是声光介质中的超声波波长， 为布拉格衍射角， 为入射光波波长，n为声光介质的折射率。当入射光以布拉格角入射时，出射光将被介质中的体光栅衍射到一级衍射最大方向上。利用声光介质的这种性质，可以对激光谐振腔内的光束方向进行调制。当加入声光调制信号时，光束偏转出腔外，不能在腔内形成振荡，即此时为高损耗腔。在此期间泵浦灯注入给激活介质（激光晶体）的能量储存在激光上能级，形成高反转粒子数。当去掉声光调制信号 时，光束不被偏转，在腔内往返，形成激光振荡。由于前面积累的高反转粒子数远远超过激光阈值，所以瞬时形成脉冲激光输出，从而形成窄脉宽、高能量的激光脉冲。声光调Q激光器工作在几千周到几十千周的调制频率下，所以可以获得高重复率、高平均功率的激光输出。（2）倍频器件工作原理： 图2 倍频晶体折射率椭球及通光方向示意图由于晶体中存在色散现象，所以在倍频晶体中的通光方向上，基频光与倍频光所经历的折射率与是不同的。图3给出了一个单轴晶体的色散及1064nm倍频匹配点的折射率关系曲线。图3中的实线代表了寻常光的折射率，点划线代表了非常光的折射率，中间的点线则代表了非常光在改变入射光角度时得到的折射率。由图中可以看出，当改变晶体中入射光的角度，中间的非常光折射率曲线随之变化，在如图3的位置上，可以实现1064nm的倍频。即在特定的通光方向上，532nm的倍频 光与1064nm的基频光折射率可以实现相等，实现倍频的相位匹配。对于双轴晶体其相位匹配的计算较为复杂，这里不详细论述。其相位匹配原理都是相同的。 图3单轴晶体色散曲线及倍频原理示意图 （3）倍频效率： 设w为基频光，2w为倍频光，则由理论计算可以得到倍频的效率为 （2） 为基频光光强， 为倍频光光强，L为晶体长度，为晶体倍频有效非线性系数，为基频光折射率，为倍频光折射率，为三波互作用时的波矢量失配。由公式给出的倍频效率是一个Sinc平方函数， 当时效率达到最大值，失配量在的整数倍时达到最小值。图4 倍频效率的sinc平方函数图 【实验装置】实验装置如图5所示。这是一台内腔倍频、连续氪灯（单灯）泵浦、声光调Q的YAG激光器。不加倍频元件可以输出1064nm波长的近红外高功率激光。当腔内放置倍频晶体时，如采用倍频效率较高的KTP（磷酸二氢钾）晶体，就可以产生532nm波长的倍频绿光输出。图5 声光调Q连续YAG倍频激光器示意图由于倍频效率与基频激光的峰值功率平方成正比，所以为了有效地产生高效率的倍频输出，在YAG腔内采用了声光调Q装置，其作用可以将连续振荡的1064nm基频光变换成10KHz左右的高重复频率脉冲激光，脉冲宽度在150nS左右。由于具有重复频率和峰值功率高的特点，所以可以获得高平均功率的倍频绿光输出。实验装置中采用5mW的氦氖激光器做为准直光源。谐振腔后面采用的全反镜为1064nm高反。倍频输出镜为1064nm高反和532nm高透双色镜。1064nm基频光在腔内形成振荡且不直接输出到腔外。在腔内放置KTP晶体做为倍频器件，将1064nm基频光转换为532nm倍频光，并通过倍频输出镜获得输出。本实验中，在腔内还放置了一块谐波反射镜，上面镀有1064nm高透、532nm高反，使获得的后向倍频光再次反射回倍频输出镜处并得到输出，从而进一步提高了倍频输出效率。【实验内容】（1）仔细反复调整激光器中反射镜、声光Q开关、KTP倍频晶体，使之降低阈值达到最佳工作状态。 （2）观察声光调Q连续YAG倍频激光器的工作特点。 （3）比较有调Q作用和无调Q作用时倍频输出明显的差别。 （4）测量倍频激光器绿光输出的脉冲宽度和波形。 （5）观察不同声光调制频率下绿光输出功率的变化。 （6）转动倍频晶体角度观察倍频输出功率变化。*（7）估算倍频激光器的倍频效率。【实验步骤】（1）用氦氖激光器调整光路，使所有反射面都与光轴垂直，达到谐振腔的腔镜平行。重点是光路中的激光棒端面、声光Q开关端面、全反镜和倍频输出镜。这是保证有效产生高功率基频光振荡的首要条件。 （2）通冷却水后，小心设定连续激光电源的最小工作电流，开启电源使连续氪灯工作在最小孤光放电状态。 （3）打开激光功率计，并调零，设定探测波长为 532nm档。开启声光调Q驱动电源，调整声光调制功率。一般应结合激光功率进行调整，当激光功率较小时调制功率亦小，调制功率不宜设定过高，以达到最高效率为准。先将声光调制频率设定为 7KHz 左右，进行观察，然后再改变声光调制频率从7KHz20KHz，观察绿光输出功率的变化。 （4）对实验内容（3）进行观察和熟悉。 （5）用分辨率小于100nS的示波器和绿光响应的高速光电二级管探测观察声光调Q倍频绿光输出的波形。可将激光调整到较小，或将绿光激光打到物体的反射面上探测其反射光即可。不可直接将探测器对准绿光进行探测，否则会造成探测器的损坏。（6）绘制不同声光调制频率下的绿光输出功率曲线，注意标明激光工作条 件（激光电源驱动电流、声光调制器驱动电流） 。 （7）KTP晶体属于双轴晶体，实验中采用 II类相位匹配，其1064nm的倍频最佳相位匹配角为稍微转动晶体的方位角记录输出功率随晶体角度变化的曲线。理论计算应为一Sinc平方曲线。用氦氖激光器垂直入射晶体表面，在一定距离上观察晶体表面反射光点的位置，以计算出晶体与光轴的夹角。*（8）测量倍频效率。先将倍频晶体和谐波反射镜取出，用一波长在1064nm处反射率为90%的镜片取代倍频输出镜，以形成一1064nm连续激光谐振腔，先测量只有 1064nm激光输出的功率。将晶体、谐波反射镜、倍频输出镜放回导轨上，形成内腔倍频谐振腔，再测量倍频输出的绿光功率。用绿光功率除以基频光功率，以估算出倍频效率。注意：此时测量的基频光功率为估算值，实际还应考虑电源到激光的效率。重要提示：（1）连续激光器的电源功率最大输出在千瓦以上，由于固体激光器效率只有百分之几，大部分都转换为热量，所以一定要先开启冷却水然后方可进行操作，否则晶体和氪灯会发生损坏。（2）由于1064nm基频光都在腔内振荡没有输出，所以腔内功率