实验四 声光调Q绿激光器特性研究.doc

实验四 声光调Q绿激光器特性研究一、实验目的 掌握声光调Q的基本原理。测量声光Q开关激光器的输出特性。二、实验原理 声光Q开关器件的结构与声光调制器基本相同，由声光介质、电声换能器、吸收材料和驱动电源组成。其装置示意图如图1所示。声光介质主要采用熔融石英、玻璃、钼酸铅等。换能器常采用石英、铌酸锂等晶体制成。吸声材料常用铅橡胶和玻璃棉等。把声光Q开关器件插入谐振腔内，当声光电源产生的高频振荡信号加在声光调Q器件的换能器上时，在声光介质中，使折射率发射变换，形成“相位光栅”，当光束通过声光介质时，便产生布拉格衍射。衍射光相对于0级光有2角的偏离，这一角度完全可以使光波偏离出腔外，使谐振腔处于高损耗低Q值状态，不能产生振荡，或者说Q开关将激光“关断”。当高频信号突然停止，则声光介质中的超声场消失，于是谐振腔又突然变为高Q值状态，相当于Q开关“打开”Q值交替变换一次，就使激光器输出一个调Q脉冲。 图1.声光调Qj激光器示意图 对于电光调Q激光器，为了使工作物质所储存的能量在很短的时间内以单一脉冲发射，Q开关必须在短于激光脉冲建立的时间内完成由低Q值到高Q值的转变。对于声光Q开关，断开的时间主要由声波通过光束的渡越时间决定（电子开关时间不是主要的），以熔融石英为例，声波通过1mm的长度需要时间约为200ns（声速为5mm/us），这一时间对于某些高增益的脉冲激光器来说，显得太长。因此，声光Q开关一般用于增益较低的连续激光器，而声光Q开关所需要的驱动调制电压很低（小于200V）。故容易实现对连续激光器调Q以获得高重复频率的脉冲输出，一般重复率可达120KHz。但由于声光Q开关对高能量激光器的开关能力较差，故不宜用于高增益调Q激光器。声光Q开关用于连续激光器时，需要用脉冲调制器产生频率为f的矩形脉冲来调制高频振荡器的信号，因此声光介质中超声场出现的频率为脉冲调制信号的频率，于是激光器输出重复频率为f的调Q脉冲序列。为了能使工作物质激光上能级积累足够多的粒子，并且避免过多的自发辐射损耗，以便激光器在保证一定的峰值功率下得到最大的反转粒子数利用率，相邻两个脉冲的时间间隔为（1/f）大致要与激光工作物质的上能级寿命相等。重复频率过高或过低都会影响调Q效果。声光调Q的开关时间一般小于脉冲建立时间，故属于快开关类型。连续激光器用声光调Q运转方式，如图2所示。在这种情况下，泵浦速率Wp保持不便（a），但谐振腔的Q值做周期性变化（b），它的变化周期由脉冲调制信号频率f决定。输出一系列高重复频率的调Q脉冲（c），由于泵浦是连续的，谐振腔的Q值（也就是腔的损耗）以频率f由高Q态到低Q态做周期变化，故激光器工作物质的反转粒子数叶做相应的变化（d）。图2. 连续激光器高重复率调Q过程（a）泵浦速率（b）Q值（c）光子数（d）反转粒子数另外，在高重复频运转过程中，声光调Q器件不断地在存在超声场和不存在超声场的两种状态中交替变换，其衍射效应变换不可能是阶跃式的，而是有一定的上升和下降的时间（设为tr和tf）。对一定的激光器来说，由Q突变的时刻到巨脉冲输出的时刻中间有一定的时间间隔tD，那么在设计声光调Q器件时，必须使tr tD这样才能避免散乱的干扰，保证输出高峰值功率的调Q脉冲。声光器件的tr包含两个来源：其一是换能器构成的共振器，驱动场需要一定的下降时间，其二是声波渡越光束需要一定的时间。图3. 声光调Q脉冲波形三、实验内容与要求1.启动绿激光器电源，调节输入电流，调节激光器输出镜，使得绿激光器输出功率在一定电流下达到最大。2.用标准具观察激光器输出的模式特征。3.用光电接收器和示波器观察静态输出激光的特征。4.打开声光Q高频电源，但不加信号。这时激光器将没有输出，示波器上观察不到信号。5. 在光电接收器前加上适当的衰减，把调制信号源打开，这时激光器就会输出调Q脉冲，把功率和波形分别测出来。同时把调制信号送到示波器上，就会观察到激光输出时间与调制信号的相位关系。6.改变激光电源的注入功率，观察激光脉冲的幅值和位置有什么变