实验七脉冲激光器输出特性实验和电光调Q实验

1、实验七 脉冲激光器输出特性和电光调Q实验Ø 实验目的1熟悉和深入理解脉冲固体激光器与电光调Q的工作原理。2测量脉冲固体激光器的静态输出特性，了解谐振腔参数对激光器性能的影响，掌握其调试方法。3测试电光Q开关的消光经和电光调Q激光器的输出特性（脉冲能量、脉冲宽度、脉冲峰值功率、输出动静比），并与未调Q时激光器输出相比较，从而加深对调Q激光器工作特性的理解。4通过本实验加深理解电光Q开关激光器的工作原理，熟悉电光Q开关激光器的调试方法。Ø 实验原理1固体激光器通常由三个基本部分组成，即固体激光工作物质、泵浦源、和光学谐振腔。图1是固体激光器的基本结构示意图。图7-1 固体激光器

2、结构示意图激光工作物质是激光器的心脏，产生激光的是激活离子，激光器的输出特性在很大程度上由激活离子的能级结构决定。目前，常用的固体激光工作物质有红宝石晶体、钕玻璃和掺钕钇铝石榴石（即Nd3+:YAG）晶体。由于Nd3+:YAG晶体具有荧光谱线窄、量子效率高等特点，它的增益高、阈值低、激光输出效率高，故在中小功率的脉冲器件中，以及在高重复率的脉冲激光器中得到广泛应用。本实验中即采用Nd3+:YAG作为激光工作物质，该工作物质的激活离子为Nd3+，属四能级系统，发射激光波长为1.06m，工作于脉冲方式。Nd3+:YAG产生受激辐射的能级如图2所示。激活粒子（Nd3+:离子）在这些能级之间的跃迁特性

3、为：在光泵作用下，处于基态能级E1上的粒子被激发到高能级E4上，由于E4能级寿命很短，处在该能级上的粒子很快以无辐射跃迁方式迅速转移到较低的激发态能级E3上，E3为亚稳态，在E3能级上的粒子有较长的寿命（10-310-4S），因而易于实现粒子数积累。当粒子数由E3向E2跃迁时，产生激光辐射，粒子到达能级E2后，再以无辐射跃迁迅速地返回到基态E1。基于这种状态以及由于热平衡情况，使得粒子不易在E2能级上集居，因此，在外界激励下，E3和E2之间较易形成粒子数反转，从而实现受激辐射。图7-2 四能级系统结构示意图在集居数反转状态的物质称为激活介质。当光通过此介质时，得到放大。这种放大作用的大小通常用

4、增益系数G来描述，它表示光通过单位长度激活介质后光强增长的百分数。G是光强的函数，同时也是反转集居数n的函数。当光在激活介质中传播时，随着光强增强，单位体积内的反转集居数n减少，G也随之减小，这称为增益饱和效应，当光强很小时，增益系数用G0来表示，称为小信号增益系数，它与光强无关。激光器能够产生自激振荡的条件可由下式表达：0也即G0 （7.1）式中Im为腔内光强，仅与放大器本身参数有关：Is为饱和光强（为描述增益饱和效应引入的参量）；为包括激光介质损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数。这里激光介质的损耗有吸收、散射损耗；谐振腔的损耗有反射镜的透射、吸收、衍射损耗及谐振腔失调引起的偏折损耗等。当光

5、腔内折射率均一时，（7.1）式还可表示为：L式中为工作物质长度，L为谐振腔长度，若光泵激励足够强，使得=L时，激光器开始振荡，为此时应的输入光泵的能量称为激光器的阈值输入能量Et，相应反转集居数为阈值反转集居数nt。当>L，腔内光强增加，且正比于(L)，此时激光输出能量将随之增加，由此可见，激光器的增益特性和损耗特性将直接影响该系统的输入输出特性。对一台脉冲激光器系统，存在一个最佳透过率Tm，当T=Tm时，对于相同的输入能量输出能量最大。2一般结构的固体激光器称为静态激光器。大量实验表明，脉冲泵浦的静态固体激光器，其输出是由一连串不规则振荡的尖峰脉冲构成的，如图3所示。它的包络规律受泵浦

6、光强的影响，增强光泵输入能量，尖峰脉冲个数增多，间隔减小，但其包络的峰值并不增加。人们称这种现象为激光的驰豫振荡，其总宽度约为ms量级。图7-3 静态激光器输出的驰豫振荡现象静态固体激光器的这种输出特性限制了它的输出功率，在一些要求高峰值功率和窄脉冲的应用中无法使用。采用调Q技术能获得峰值功率高于兆瓦，脉宽为几十纳秒的激光巨脉冲。它的基本原理是通过某种方式使激光谐振腔的Q值产生突变，使受激辐射在很短的时间建立并达到最大值。常用调Q方法有转镜调Q、电光调Q、声光调Q和染料调Q。本实验采用的是电光调Q技术。3非中心对称晶体在强电场作用下，构成晶体的粒子排列发生一定的变化，光通过晶体时除了因各向异性

7、而存在的双折射外，还存在因外加电场而引起的感应双折射，也就是晶体的电光效应。这样的晶体当加上合适的电压时能使入射的线偏振光在出射晶体时其偏振方向旋转90°（根据晶体的切割和运用方式，对入射的线偏振光的偏振方向有要求）。将具有上述特性的电光晶体安排在两块偏振器之间，组成一个光强调制器，将此调制器置于激光腔内，并改变加在晶体上的电压，则可达到改变激光输出光强的目的。获得激光巨脉冲输出的电光晶体Q开关，晶体上所加的电压应是一阶跃函数或线性变化函数（线性变化时间应小于腔内脉冲建立时间），这样方能获得Q开关的效果。经这样调制的激光器叫做电光调Q激光器。其输出为一巨脉冲激光。电光效应可表达为晶体

8、的折射率变化n是所加电场E的函数。n =n-n0=aE+bE2+ （7-2）式中a、b是晶体的电光张量。由晶体本身结构所决定，n0是E=0时的自然折射率，n是加了外电场后的感应折射率，n表示加外电场后折射率的变化量。折射率变化正比于场强的电光效应又名Pockel效应。以本实验采用的KD*P单轴晶体的纵向效应为例，KD*P的线性电光系数矩阵为： 外加电场在z方向，即 对于KD*P晶体在z轴方向反映纵向电光效应的线性电光系数r63=26.3，处的折射率n0= 1.49，当X方向偏振光沿z轴传播，通过加了V/2的KD*P晶体时，其出射光的偏振态（按感应主轴分量相干合成）相对于入射光的偏振态旋转了，如

9、果在KD*P后放置一个X方向的检偏镜A，则光路被切断，将此装置放入激光谐振腔内，在激活介质的反转粒子数积累时，对KD*P的z轴方向加V/2电压，这样由起偏镜P出射的X方向偏振光就不能通过同方向的检偏镜A，使腔内光损耗大，Q值低，不能形成激光振荡，不消耗反转粒子数，使激活介质中的反转粒子数在外界泵浦的作用下，不断积累，增长；当反转粒子数ni累积到一定程度时，突然退掉KD*P上的V/2电压，此时腔内光损耗小，Q值变大，并且ni大于此时对应的阈值反转粒子数宽度nt。激光振荡迅速建立，往返放大后形成Q脉冲输出，在此有几个重要的参量须予以重视。 （1）超阈度反映低Q状态与高Q状态的反转粒子数密度之比，该

10、参量对激光的建立时间，能量利用率，Q脉冲能量和脉宽等都有重要作用，一般来讲，超阈度越高，调Q效果越好。因此，应尽量减少腔内静态损耗降低nt，尽可能增大泵浦提高ni。（2）Q开关的开关时间tS在此处对应为退压时间，应小于激光的建立时间tD，实现快开关条件，达到好的调Q效果，而超阈度越高，tD就越小，同时要求tS也越小。（3）激活介质的上能级粒子寿命在自发辐射的作用下是有限的，从有效利用泵浦能量的角度而言，脉冲泵浦的时间宽度一般应不大于其上能级寿命。例如：Nd:YAG激光介质的上能级寿命为230s，所以泵浦脉宽也应为200s左右为宜。另外，如果激光Q脉冲宽度小于激光下能级寿命，则应按三能级系统处理

11、。Ø 实验仪器和装置KD*P晶体电光调Q脉冲泵浦Nd:YAG激光器实验装置如图7-4所示。图7-4 脉冲激光器输出特性实验和电光调Q实验装置包括激光介质Nd:YAG棒，聚光腔，布儒斯特镜，KD*P电光晶体，谐振腔反射镜输出镜和激光电源等组成。由电光调Q基本原理可知，要获得高效率调Q的关键之一是精确控制Q开关“打开”的延迟时间，即从氙灯点燃开始延迟一段时间，当工作物质上能级反转的粒子数达到最大时，立即“打开”开关的效果最好。如果Q开关打开早了，上能级反转粒子数尚未达到最大时就开始起振，显然输出的巨脉冲功率会降低，而且还可能出现多脉冲。如果延时过长，即Q开关打开得迟了，则由于自发辐射等损

12、耗，也会影响巨脉冲的功率。图7-5所示的为调Q工作程序的示意图。其过程是：(1)先开主电源对电容C充电，并接于氙灯电极，但不导通故不点燃；(2)开动晶体电源给KD*P晶体加电压，使腔处于关闭状态；(3)由单结晶体管振荡器产生一脉冲时标信号输入到控制电路，再由控制电路将该信号分别送往激光主电源，使其停止对电容充电，同时输送到触发器，使氙灯点燃，给工作物质以能量，使反转粒子数大量积累。但此时由于KD*P晶体上加有电压V/4，所以谐振腔损耗最大，不能形成激光振荡。当粒子数反转到最大时，通过延时电路的信号加到闸流管的栅极上(使之导通)，将KD*P晶体上的电压瞬时退掉，使谐振腔Q值突增，形成激光振荡，输

13、出巨脉冲。可通过实验，精确调节延时电路，直到输出激光最强为止。图7-5 电光调Q工作程序示意图欲使带偏振器的电光调Q器件得到理想的开关效果的关键之一是，必须严格保持格兰棱镜的起偏方向与调制晶体的x轴(或y轴)方向一致，以保证起偏方向与调制晶体的感应主轴x、y成45º角。简便的调试方法是，在调制晶体加电压的状态下，转动格兰棱镜和晶体的相对方位，直到激光不能振荡为止。对调制晶体的要求是：/4电压低、消光比高、激光波长处吸收系数小、能承受的功率密度高；目前使用较多的是KD*P晶体，它对1.06m的激光，V/4电压约3000一4000V，比KDP晶体低。铌酸锂(LiNbO3)晶体是另一种常用

14、的调制晶体，它的特性是不存在纵向电光效应，只能横向方式工作，其最佳运用方式是，电场沿x轴(或y轴)方向加到晶体上，而光束沿z轴(即光轴)方向通过，这种运用方式既避免了自然双折射造成的不良影响，而且半波电压低，它的V/4约（20003000V）d/L，不潮解，但承受高功率激光性能差，这使它的应用受到一定限制。以上介绍的电光Q开关属于工作物质储能调Q。即能量是以激活粒子的形式存储在工作物质高能态上，当达到最大值时将Q开关“打开”，腔内便很快建立起极强的激光振荡，使激光上能级存储的能量转变为腔内的光能量，其输出方式是一面形成激光振荡，一面从输出镜端输出激光，因此，输出光脉冲的强度与腔内光场强度成比例

15、。这种由输出反射镜输出激光脉冲的调Q方式称为脉冲反射式(PulseReflectionMode)，简写为PRM本实验采用KD*P纵向电光效应，调Q电压为V/4，本装置的优点在激光技术一书中有详细论述，本实验采用退压出光方式。由于在反转粒子数密度达到最大值的瞬间退掉KD*P晶体上的电压，才能获得最佳的调Q效果，因此，在触发脉冲xe灯泵浦放电发光到退掉KD*P晶体上的V/4电压之间有一个相应的延迟时间，激光电源中配有一个延时调节电位器，可以准确调节最佳调Q效果对应的延时时间，为了便于准确调试光路，实验装置中还配备了He-Ne激光器。2实验仪器激光能量计用于测量静态（自由运转）和动态（调Q）输出激光

16、脉冲能量，光电接收装置（光电二极管等），响应时间小于10ns，用于探测雪崩二极管倍增管激光脉冲100Hz示波器。用于显示和测量激光脉冲波形和宽度，调试用的曝光相纸。Ø 实验内容1静态特性（1）利用He-Ne激光器准直光路，在不加电光调Q晶体的条件下，调试静态脉冲激光器。（2）通过实验在某一泵浦电压下，确定输出镜和最佳透过率。然后，记录阈值泵浦电压和不同泵浦电压下的静态激光能量，峰值功率画出相应的曲线。（3）在泵浦电压不断升高的条件下，通过衰减后的光电接收装置将信号输入到示波器，显示静态激光波形，观察“尖峰”现象，测量出尖峰的个数和激光包络的时间宽度。（4）通过不断地增加泵浦电压，在实

17、验上观察和认识驰豫振荡效应，在腔内损耗（或Q值）不变的条件下，仅仅增加泵浦功率不能压缩脉宽和有效地提高激光的峰值功率。2动态特性（1）利用He-Ne激光器准直光路，加电光调Q晶体，反复调节激光器，降低泵浦阈值能量，比较加与不加电光调Q晶体的激光输出能量，估计电光调Q晶体的插入损耗。（2）在电光调Q晶体上加V/4电压，随后不断提高泵浦电压，观察有无激光输出，若有激光输出表明腔内光路未关断，此时应旋转电光调Q晶体的方位角，使KD*P的感应主轴与焦点偏镜的起振方向呈的夹角。同时小范围调节电光调Q晶体上的V/4电压，高消光比达到好的“关门”效果。（注意：放置电光调Q晶体时应做好绝缘保护）（3）通过实验

18、确定电光调Q状态的输出镜透过率，按激光电压的调Q键，调节时间延迟旋钮，通过曝光相纸上激光脉冲的产生的冲击声，确定最佳的“开门”退压延迟时间。（4）利用光电探测器和双噪示波器显示Q脉冲的波型，标出相应的脉宽，测出单脉冲能量并计算其峰值功率，取出一组泵浦电压对应的Q脉冲脉宽，峰值功率作出相应的实验曲线。Ø 实验步骤1开启循环冷却水箱。2开启激光电源。3利用半导体激光器准直光路，在不加电光调Q晶体的条件下，按照前述的方法调试静态脉冲激光器，使其有激光输出。4在某一泵浦电压下，使用激光能量计，测量激光输出能量，改变输出镜透过率，以确定输出镜的最佳透过率。5记录阈值泵浦电压和不同泵浦电压下的静

19、态激光能量，峰值功率画出相应的曲线。6在泵浦电压不断升高的条件下，通过衰减后的光电接收装置将信号输入到示波器，显示静态激光波形，观察“尖峰”现象，测量出尖峰的个数和激光包络的时间宽度。通过不断地增加泵浦电压，在实验上观察和认识驰豫振荡效应，在腔内损耗（或Q值）不变的条件下，仅仅增加泵浦功率不能压缩脉宽和有效地提高激光的峰值功率。7利用半导体激光器准直光路，加电光调Q晶体，反复调节激光器，降低泵浦阈值能量，比较加与不加电光调Q晶体的激光输出能量，估计电光调Q晶体的插入损耗。8在电光调Q晶体上加V/4电压，随后不断提高泵浦电压，观察有无激光输出，若有激光输出表明腔内光路未关断，此时应旋转电光调Q晶体的方位角，使KD*P的感应主轴与焦点偏镜的起振方向呈/4的夹角。同时小范围调节电光调Q晶体上的V/4电压，高消光比达到好的“关门”效果。（注意：放置电光调Q晶体时应做