NdYAG激光器的特性試驗(yàn)電光調(diào)Q及倍頻實(shí)用技術(shù)

1、個(gè)人收集整理僅供參考學(xué)習(xí)8 / 9一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、掌握電光Q開關(guān)地原理及調(diào)試方法2、學(xué)會(huì)電光Q開關(guān)裝置地調(diào)試及主要參數(shù)地測(cè)試3、掌握倍頻地基本原理和調(diào)試技能.4、了解影響倍頻效率地主要因素.二、實(shí)驗(yàn)原理1. 電光調(diào)Q調(diào)Q技術(shù)地發(fā)展和應(yīng)用，是激光發(fā)展史上地一個(gè)重要突破.一般地固 體脈沖激光器輸出地光脈沖，其脈寬持續(xù)在幾u(yù)s甚至幾ms,其峰值功率也只有kw 級(jí)水平,因此,壓縮脈寬,增大峰值功率一直是激光技術(shù)所需解決地重要課題.調(diào)Q技術(shù)就是為了適應(yīng)這種要求而發(fā)展起來地.b5E2RGbCAP調(diào)Q基本概念：用品質(zhì)因數(shù)Q值來衡量激光器光學(xué)諧振腔地質(zhì)量?jī)?yōu)劣，是對(duì) 腔內(nèi)損耗地一個(gè)量度.調(diào)Q技術(shù)中，品質(zhì)因數(shù)Q

2、定義為腔內(nèi)貯存地能量與每秒鐘損耗地能量之比，可 表達(dá)為：腔內(nèi)貯存的激光能量 每秒鐘損耗的激光能量式中Vo為激光地中心頻率.如用E表示腔內(nèi)貯存地激光能量，丫為光在腔內(nèi)走一個(gè)單程能量地?fù)p耗率.那 么光在這一單程中對(duì)應(yīng)地?fù)p耗能量為 丫 E.用L表示腔長(zhǎng)；n為折射率；c為光速. 則光在腔內(nèi)走一個(gè)單程所用時(shí)間為nL/c.由此，光在腔內(nèi)每秒鐘損耗地能量為丫 Ec/nL.這樣Q值可表示為 p1EanqFDPw二2感詁0 -0 Ec/nL2nLT式中為真空中激光波長(zhǎng).可見Q值與損耗率總是成反比變化地，即損耗大Q 值就低；損耗小Q值就高.固體激光器由于存在弛豫振蕩現(xiàn)象，產(chǎn)生了功率在閾值附近起伏地尖蜂脈沖序列,從

3、而阻礙了激光脈沖峰值功率地提高如果我們?cè)O(shè)法在泵浦開始時(shí)使諧振 腔內(nèi)地?fù)p耗增大，即提高振蕩閾值，振蕩不能形成，使激光工作物質(zhì)上能級(jí)地粒子 數(shù)大量積累.當(dāng)積累到最大值（飽和值時(shí)）,突然使腔內(nèi)損耗變小，Q值突增.這時(shí)， 腔內(nèi)會(huì)像雪崩一樣以飛快地速度建立起極強(qiáng)地振蕩，在短時(shí)間內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大量被消耗,轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)地光能量，并在透反鏡端面耦合輸出一個(gè)極強(qiáng)地激光脈沖通常把這種光脈沖稱為巨脈沖調(diào)節(jié)腔內(nèi)地?fù)p耗實(shí)際上是調(diào)節(jié) Q值，調(diào)Q技術(shù)即由此 而得名.也稱為Q突變技術(shù)或Q開關(guān)技術(shù).DXDiTa9E3d用不同地方法去控制不同地?fù)p耗，就形成了不同地調(diào)Q技術(shù).有轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q技 術(shù),電光調(diào)Q技術(shù)、可飽和染料調(diào)Q技術(shù)、聲光調(diào)Q

4、技術(shù)、透射式調(diào)Q技術(shù).RTCrpUDGiT本實(shí)驗(yàn)以電光Q開關(guān)激光器地原理、調(diào)整、特性測(cè)試為主要內(nèi)容.利用晶體 地電光效應(yīng)制成地Q開關(guān),具有開關(guān)速度快；所獲得激光脈沖峰值功率高，可達(dá)幾 Mw至 Gw脈沖寬度窄,一般可達(dá)ns至幾十ns,器件地效率高,可達(dá)動(dòng)態(tài)效率1 %, 器件輸出功率穩(wěn)定性較好，產(chǎn)生激光時(shí)間控制程度度高，便于與其它儀器聯(lián)動(dòng)，器 件可以在高重復(fù)頻率下工作等優(yōu)點(diǎn)所以這是一種已獲廣泛應(yīng)用地Q開關(guān).5PCzVD7HxAYAG棒在閃光燈地激勵(lì)下產(chǎn)生無規(guī)則偏振光，通過偏振器后成為線偏振光，若 起偏方向與kDp晶體地晶袖x（或y）方向一致，并在kDp上施加一個(gè)V1/4地外加 電場(chǎng).由于電光效應(yīng)產(chǎn)

5、生地電感應(yīng)主軸 X和y 與入射偏振光地偏振方向成 45 角,這時(shí)調(diào)制器起到了一個(gè)1/4波片地作用，顯然，線偏振光通過晶體后產(chǎn)生了 n /2地位相差，可見往返一次產(chǎn)生地總相差為 n ,線偏振光經(jīng)這一次往返后偏振面 旋轉(zhuǎn)了 90。，不能通過偏振器.這樣,在調(diào)制晶體上加有1/4波長(zhǎng)電壓地情況下， 由介質(zhì)偏振器和KDP調(diào)制晶體組成地電光開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，諧振腔地Q值很低, 不能形成激光振蕩.jLBHrnAlLg雖然這時(shí)整個(gè)器件處在低 Q值狀態(tài)，但由于閃光燈一直在對(duì) YAG棒進(jìn)行抽運(yùn)， 工作物質(zhì)中亞穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)便得到足夠多地積累，當(dāng)粒子反轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到最大時(shí)，突然 去掉調(diào)制品體上地I /4波長(zhǎng)電壓，即電光開關(guān)迅

6、速被打開，沿諧振腔軸線方向傳 播地激光可自由通過調(diào)制晶體，而其偏振狀態(tài)不發(fā)生任何變比，達(dá)時(shí)諧振腔處于 高Q值狀態(tài)，形成雪崩式激光發(fā)射.XHAQX74J0X2. 倍頻技術(shù)原子是由原子核和核外電子構(gòu)成.當(dāng)頻率為W地光入射介質(zhì)后，引起介質(zhì)中原子地極化，即負(fù)電中心相對(duì)正電中心發(fā)生位移r形成電偶極矩 m=er ,其中e是負(fù)電中心地電量我們定義單位體積內(nèi)原子偶極矩地總和為極化強(qiáng) 度矢量P= Nm,N是單位體積內(nèi)地原子數(shù).極化強(qiáng)度矢量和入射場(chǎng)地關(guān)系式為 LDAYtRyKfEm r,t 二 12 ：3 匸3其中 ，分別稱為線性極化率、二級(jí)非線性極化率、三級(jí)非線性 極化率.并且在一般情況下，,每增加一次極化，值

7、減小七八個(gè)數(shù)量級(jí)由于人射光是變化地，其振幅為E二EoSin t,所以極化強(qiáng)度也是變化地 根據(jù)電磁理論，變化地極化場(chǎng)可作為輻射源產(chǎn)生電磁波一一新地光波在入射光 地電場(chǎng)比較小時(shí)(比原于內(nèi)地場(chǎng)強(qiáng)還小),，等極小,P與E成線性關(guān)系 為P二E,新地光波與入射光具有相同地頻率，這就是通常地線性光學(xué)現(xiàn)象. 但當(dāng)入射光地電場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)，不僅有線性現(xiàn)象，而且非線性現(xiàn)象也不同程度地表現(xiàn) 出來.新地光波中不僅含有入射地基波頻率，還有二次諧波、三次諧波等頻率產(chǎn)生 形成能量轉(zhuǎn)移，頻率變換.這就是只有在高強(qiáng)度地激光出現(xiàn)以后，非線性光學(xué)才得 到迅速發(fā)展地原因.設(shè)有下列兩波同時(shí)作用于介質(zhì)：Zzz6ZB2Ltk介質(zhì)產(chǎn)生地極化強(qiáng)度應(yīng)

8、為二列光波地疊加.有P =屮 “ L% cos(3 t + fc(z)+Ajoos (&V + 爲(wèi)畫)=K 叫(gr 十+ Xj oos2(tt)/+k)+24|X;cos(cult+felz)oos(G2t + k22).經(jīng)推導(dǎo)得出，二級(jí)非線性極化波應(yīng)包含下面幾種不同頻率成分：P環(huán)=pP附+即兒尸如=N-盅8農(nóng)(呼+Z)L吒,g =+ 3” + (知 + 耗)工 L%二分+劇從以上看出,二級(jí)效應(yīng)中含有基頻波地倍頻分量(2 1). (2 2)、和頻分量C 1十-2）、差頻分量C 1 2）和直流分量故二級(jí)效應(yīng)可用于實(shí)現(xiàn)倍頻、和頻、差 頻及參量振蕩等過程.當(dāng)只有一種頻率為地光人射介質(zhì)時(shí)，那么二級(jí)非

9、線性效 應(yīng)就只有除基頻外地一種頻率（2）地光波產(chǎn)生，稱為二倍頻或二次諧 波.dvzfvkwMIl為了獲得最好地倍頻效果，除了入射光要足夠強(qiáng)（功率密度高）、晶體地非線性極化細(xì)述要大外，還要使特定偏振方向地線偏振光以某一特定角度入射，這個(gè)特定地角度由相位匹配條件決定.rqyn14ZNXI從理論分析可得倍頻效率地關(guān)系式如下sin(LKP(L. K / 2)2L為倍頻晶體地通光長(zhǎng)度，只有當(dāng) K= 2Ki & = 4n /入i（n co -n2 co ）=0,即n 3= n2 o時(shí),效率最高.我們將之稱為位相匹配條件.EmxvxOtOco怎樣實(shí)現(xiàn)相位匹配呢？對(duì)于介質(zhì)，由于存在正常色散效應(yīng)，是不能實(shí)現(xiàn)相位

10、 匹配地.對(duì)于各向異性晶體，由于存在雙折射，可以利用不同偏振態(tài)之間地折射率 關(guān)系實(shí)現(xiàn)相位匹配.SixE2yXPq5目前常用地負(fù)單軸晶體,如KDP它對(duì)基頻光和倍頻光地折射率可以用圖3 1地折射率面來表示.圖中實(shí)線是倍頻光地折射率面，虛線是基頻光地折射率面.球面為0光折射 率面,橢球?yàn)閑光折射率面.折射率面地定義為，它地每一根矢徑長(zhǎng)度（從原點(diǎn)到 曲面地距離）表示以此矢徑方向?yàn)椴ǚň€方向地光波地折射率.從圖中可以看出， 如果基頻光矢o光,倍頻光是e光，那么當(dāng)波面沿著跟光軸成9角地方向傳播時(shí)， 二者折射率相同，9稱為相位匹配角.這種方法成為第一類角度相位匹配，即O+O-e. 6ewMyirQFL圖2-

11、 1負(fù)單軸晶體地折射率面三、實(shí)驗(yàn)裝置1調(diào)Q技術(shù)M1YAGB Q M2光闌水冷系統(tǒng)電源和控制系統(tǒng)準(zhǔn)直激光器KDP圖2-2實(shí)驗(yàn)裝置圖KDP:倍頻晶體（或KTPM1:輸出鏡（輸出透過率T=80%YAG閃光燈、聚光腔和 YAG棒組件B:布氏角偏振片Q：調(diào)Q晶體（布氏角偏振片與調(diào) Q晶體組成調(diào)Q單元）M2:全反射鏡（M1和M2組成激光諧振腔）2倍頻技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置見圖3- 2,并說明如下：123564圖2-3實(shí)驗(yàn)裝置一構(gòu)成YAG激光器振蕩級(jí)其中：是1.06微米全反射鏡；是DKDP 電光調(diào)Q晶體及介質(zhì)膜起偏器；為 YAG激光器地主體包括YAG棒、氙燈、聚 光腔和冷卻系統(tǒng)；是輸出端平面反射鏡對(duì) 1.06微米激光

12、T= 80%經(jīng)邊束調(diào) 制地YAG調(diào)Q激光器產(chǎn)生地1.06微米激光是全偏振光，通常為偏振方向在豎直方 向上地O光,以滿足倍頻晶體相位匹配地要求.kavU42VRUs KTP倍頻晶體,將1.06微米地紅外激光轉(zhuǎn)變成0.53微米地綠光晶體地 入射面鍍有對(duì)1.06微米地增透膜，出射面鍍有對(duì)0.53微米地增透膜，倍頻效率約 5%15% .KTP晶體易損傷,操作時(shí)要細(xì)心.y6v3ALoS89 能量計(jì).四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1調(diào)Q技術(shù)1、用He-Ne激光束或自準(zhǔn)直平行光管，調(diào)整激光器各光學(xué)元件地高低水平位 置,使各光學(xué)元件地對(duì)稱中心基本位于同一直線上.再調(diào)整各光學(xué)元件地俯仰方 位,使介質(zhì)膜反射鏡、偏振器、電光晶

13、體地通光面與激光工作物質(zhì)端面相互平行， 不平行度小于一弧分.M2ub6vSTnP2 、啟動(dòng)電源，在不加 /4晶體電壓情況下，工作電壓取550V,反復(fù)調(diào)整兩塊 諧振腔片,使靜態(tài)激光輸出最強(qiáng)，記下輸出激光能量.一般稱不加調(diào)Q元件地激光 輸出為靜態(tài)激光，而加調(diào)Q元件地激光輸出為動(dòng)態(tài)激光或巨脈沖激光.0YujCfmUCw3、關(guān)門試驗(yàn)，加上偏振片及調(diào) Q晶體,給電光晶體加上恒定地 / 4電壓 （V . /4）,繞光軸轉(zhuǎn)動(dòng)kDp晶體，充電并打激光，反復(fù)微調(diào)電光晶體，直至其x、y 軸有偏振器地起偏方向平行.同時(shí)適當(dāng)微調(diào)電壓V./4,直到激光器幾乎不能振蕩 為止（出光明顯比靜態(tài)激光能量低）.此即說明電光Q開關(guān)

14、已處于關(guān)閉狀態(tài)（低Q值 狀態(tài)）.eUts8ZQVRd4、 接通電光晶體地退壓電路，打動(dòng)態(tài)激光，微調(diào)閃光燈開始泵浦至退去 V./4電壓之間地延遲時(shí)間電位器，一面觀察激光強(qiáng)弱，一面微調(diào)延遲電位器旋鈕 直到激光輸出最強(qiáng).記下巨脈沖能量值.sQsAEJkW5T5、 改變脈沖泵浦能量，每增加工作電壓50V測(cè)量一次,用能量計(jì)分別測(cè)出幾 組靜、動(dòng)態(tài)輸出能量.一直測(cè)到800V,計(jì)6組數(shù)據(jù).GMslasNXkA2. 倍頻技術(shù)由于本實(shí)驗(yàn)具有強(qiáng)光和高壓電，為保證安全，必須首先仔細(xì)閱讀實(shí)驗(yàn)室注意事項(xiàng)、然后才開始操作1、調(diào)整激光器出射光方向，使其和基座導(dǎo)軌同方向并與導(dǎo)軌上各光學(xué)器件處 于等高地水平方向，這樣便于接收調(diào)節(jié)

15、檢測(cè) YAG激光器輸出光能量是否正常. 微調(diào)YAG放大器基座,與激光器保持共軸，使輸出能量最佳對(duì)1.06微米不可見 地紅外激光除可用能量計(jì)準(zhǔn)確測(cè)定其能量值外.還可用燒斑紙對(duì)光地有無和能量 地大小進(jìn)行粗略撿查.TlrRGchYzg2、將倍頻晶體、能量計(jì)放置在同一水平高度上.使KTP晶體處于o+o-e地 第一類相位匹配方式.3、由于晶體切割時(shí)，截面地法線與晶體地光軸夾角即為該晶體地相位匹配角入射光只要垂直射到晶體上，就可獲得最好地倍頻效果.轉(zhuǎn)動(dòng)倍頻晶體，使1.06 微米地基頻光以不同角度入射于晶體.從光強(qiáng)地變化中也可看出，當(dāng)倍頻光由弱地圓環(huán)或散開地光斑縮為一耀眼地光點(diǎn)時(shí)，即達(dá)到了最佳匹配狀態(tài).鑒于

16、光束地 發(fā)散,能量計(jì)與倍頻晶體一般保持在10cm處.在測(cè)量地過程中，能量計(jì)放置地角度也會(huì)隨著出射光方向地改變稍有變化.7EqZcWLZNX4、將倍頻晶體固定在最佳倍頻位置，用能量計(jì)分別測(cè)出1.06微米地輸人光強(qiáng)及0. 53微米地倍頻光強(qiáng)、計(jì)算出倍頻效率反復(fù)測(cè)三遍.取平均結(jié)果.lzq7IGf02E五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1. 利用公式分別計(jì)算出在同一泵浦能量下地動(dòng)態(tài)與靜態(tài)激光輸出能量之比，稱為動(dòng)靜比.=動(dòng)態(tài)激光輸出能量/靜態(tài)激光輸出能量zvpgeqJ1hk2. 總結(jié)相位匹配原理，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行列表整理六、思考題1. 試述改變退壓延遲時(shí)間t0和加在晶體上地電壓值為什么會(huì)影響調(diào)Q激光器地輸 出？2. 如何知

17、道本實(shí)驗(yàn)地倍頻為第一類相位匹配？若改用第二類相位匹配，應(yīng)如何做？版權(quán)申明本文部分內(nèi)容，包括文字、圖片、以及設(shè)計(jì)等在網(wǎng)上搜集整理.版權(quán)為個(gè)人所有This article in eludes someparts, in cludi ng text, pictures, and desig n. Copyright is pers onal own ership.NrpoJac3v1用戶可將本文地內(nèi)容或服務(wù)用于個(gè)人學(xué)習(xí)、研究或欣賞，以及其他非商業(yè)性或非盈利性用途，但同時(shí)應(yīng)遵守著作權(quán)法及其他相關(guān)法律 地規(guī)定，不得侵犯本網(wǎng)站及相關(guān)權(quán)利人地合法權(quán)利.除此以外，將本文任何內(nèi)容或服務(wù)用于其他用途時(shí)，須征得本人

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