實驗七脈沖激光器輸出特性實驗和電光調(diào)Q實驗

1、實驗七 脈沖激光器輸出特性和電光調(diào)Q實驗Ø 實驗?zāi)康?熟悉和深入理解脈沖固體激光器與電光調(diào)Q的工作原理。2測量脈沖固體激光器的靜態(tài)輸出特性，了解諧振腔參數(shù)對激光器性能的影響，掌握其調(diào)試方法。3測試電光Q開關(guān)的消光經(jīng)和電光調(diào)Q激光器的輸出特性（脈沖能量、脈沖寬度、脈沖峰值功率、輸出動靜比），并與未調(diào)Q時激光器輸出相比較，從而加深對調(diào)Q激光器工作特性的理解。4通過本實驗加深理解電光Q開關(guān)激光器的工作原理，熟悉電光Q開關(guān)激光器的調(diào)試方法。Ø 實驗原理1固體激光器通常由三個基本部分組成，即固體激光工作物質(zhì)、泵浦源、和光學(xué)諧振腔。圖1是固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖。圖7-1 固體激光器

2、結(jié)構(gòu)示意圖激光工作物質(zhì)是激光器的心臟，產(chǎn)生激光的是激活離子，激光器的輸出特性在很大程度上由激活離子的能級結(jié)構(gòu)決定。目前，常用的固體激光工作物質(zhì)有紅寶石晶體、釹玻璃和摻釹釔鋁石榴石（即Nd3+:YAG）晶體。由于Nd3+:YAG晶體具有熒光譜線窄、量子效率高等特點，它的增益高、閾值低、激光輸出效率高，故在中小功率的脈沖器件中，以及在高重復(fù)率的脈沖激光器中得到廣泛應(yīng)用。本實驗中即采用Nd3+:YAG作為激光工作物質(zhì)，該工作物質(zhì)的激活離子為Nd3+，屬四能級系統(tǒng)，發(fā)射激光波長為1.06m，工作于脈沖方式。Nd3+:YAG產(chǎn)生受激輻射的能級如圖2所示。激活粒子（Nd3+:離子）在這些能級之間的躍遷特性

3、為：在光泵作用下，處于基態(tài)能級E1上的粒子被激發(fā)到高能級E4上，由于E4能級壽命很短，處在該能級上的粒子很快以無輻射躍遷方式迅速轉(zhuǎn)移到較低的激發(fā)態(tài)能級E3上，E3為亞穩(wěn)態(tài)，在E3能級上的粒子有較長的壽命（10-310-4S），因而易于實現(xiàn)粒子數(shù)積累。當粒子數(shù)由E3向E2躍遷時，產(chǎn)生激光輻射，粒子到達能級E2后，再以無輻射躍遷迅速地返回到基態(tài)E1。基于這種狀態(tài)以及由于熱平衡情況，使得粒子不易在E2能級上集居，因此，在外界激勵下，E3和E2之間較易形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)受激輻射。圖7-2 四能級系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖在集居數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的物質(zhì)稱為激活介質(zhì)。當光通過此介質(zhì)時，得到放大。這種放大作用的大小通常用

4、增益系數(shù)G來描述，它表示光通過單位長度激活介質(zhì)后光強增長的百分數(shù)。G是光強的函數(shù)，同時也是反轉(zhuǎn)集居數(shù)n的函數(shù)。當光在激活介質(zhì)中傳播時，隨著光強增強，單位體積內(nèi)的反轉(zhuǎn)集居數(shù)n減少，G也隨之減小，這稱為增益飽和效應(yīng)，當光強很小時，增益系數(shù)用G0來表示，稱為小信號增益系數(shù)，它與光強無關(guān)。激光器能夠產(chǎn)生自激振蕩的條件可由下式表達：0也即G0 （7.1）式中Im為腔內(nèi)光強，僅與放大器本身參數(shù)有關(guān)：Is為飽和光強（為描述增益飽和效應(yīng)引入的參量）；為包括激光介質(zhì)損耗和諧振腔損耗在內(nèi)的平均損耗系數(shù)。這里激光介質(zhì)的損耗有吸收、散射損耗；諧振腔的損耗有反射鏡的透射、吸收、衍射損耗及諧振腔失調(diào)引起的偏折損耗等。當光

5、腔內(nèi)折射率均一時，（7.1）式還可表示為：L式中為工作物質(zhì)長度，L為諧振腔長度，若光泵激勵足夠強，使得=L時，激光器開始振蕩，為此時應(yīng)的輸入光泵的能量稱為激光器的閾值輸入能量Et，相應(yīng)反轉(zhuǎn)集居數(shù)為閾值反轉(zhuǎn)集居數(shù)nt。當>L，腔內(nèi)光強增加，且正比于(L)，此時激光輸出能量將隨之增加，由此可見，激光器的增益特性和損耗特性將直接影響該系統(tǒng)的輸入輸出特性。對一臺脈沖激光器系統(tǒng)，存在一個最佳透過率Tm，當T=Tm時，對于相同的輸入能量輸出能量最大。2一般結(jié)構(gòu)的固體激光器稱為靜態(tài)激光器。大量實驗表明，脈沖泵浦的靜態(tài)固體激光器，其輸出是由一連串不規(guī)則振蕩的尖峰脈沖構(gòu)成的，如圖3所示。它的包絡(luò)規(guī)律受泵浦

6、光強的影響，增強光泵輸入能量，尖峰脈沖個數(shù)增多，間隔減小，但其包絡(luò)的峰值并不增加。人們稱這種現(xiàn)象為激光的馳豫振蕩，其總寬度約為ms量級。圖7-3 靜態(tài)激光器輸出的馳豫振蕩現(xiàn)象靜態(tài)固體激光器的這種輸出特性限制了它的輸出功率，在一些要求高峰值功率和窄脈沖的應(yīng)用中無法使用。采用調(diào)Q技術(shù)能獲得峰值功率高于兆瓦，脈寬為幾十納秒的激光巨脈沖。它的基本原理是通過某種方式使激光諧振腔的Q值產(chǎn)生突變，使受激輻射在很短的時間建立并達到最大值。常用調(diào)Q方法有轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q、電光調(diào)Q、聲光調(diào)Q和染料調(diào)Q。本實驗采用的是電光調(diào)Q技術(shù)。3非中心對稱晶體在強電場作用下，構(gòu)成晶體的粒子排列發(fā)生一定的變化，光通過晶體時除了因各向異性

7、而存在的雙折射外，還存在因外加電場而引起的感應(yīng)雙折射，也就是晶體的電光效應(yīng)。這樣的晶體當加上合適的電壓時能使入射的線偏振光在出射晶體時其偏振方向旋轉(zhuǎn)90°（根據(jù)晶體的切割和運用方式，對入射的線偏振光的偏振方向有要求）。將具有上述特性的電光晶體安排在兩塊偏振器之間，組成一個光強調(diào)制器，將此調(diào)制器置于激光腔內(nèi)，并改變加在晶體上的電壓，則可達到改變激光輸出光強的目的。獲得激光巨脈沖輸出的電光晶體Q開關(guān)，晶體上所加的電壓應(yīng)是一階躍函數(shù)或線性變化函數(shù)（線性變化時間應(yīng)小于腔內(nèi)脈沖建立時間），這樣方能獲得Q開關(guān)的效果。經(jīng)這樣調(diào)制的激光器叫做電光調(diào)Q激光器。其輸出為一巨脈沖激光。電光效應(yīng)可表達為晶體

8、的折射率變化n是所加電場E的函數(shù)。n =n-n0=aE+bE2+ （7-2）式中a、b是晶體的電光張量。由晶體本身結(jié)構(gòu)所決定，n0是E=0時的自然折射率，n是加了外電場后的感應(yīng)折射率，n表示加外電場后折射率的變化量。折射率變化正比于場強的電光效應(yīng)又名Pockel效應(yīng)。以本實驗采用的KD*P單軸晶體的縱向效應(yīng)為例，KD*P的線性電光系數(shù)矩陣為： 外加電場在z方向，即 對于KD*P晶體在z軸方向反映縱向電光效應(yīng)的線性電光系數(shù)r63=26.3，處的折射率n0= 1.49，當X方向偏振光沿z軸傳播，通過加了V/2的KD*P晶體時，其出射光的偏振態(tài)（按感應(yīng)主軸分量相干合成）相對于入射光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)了，如

9、果在KD*P后放置一個X方向的檢偏鏡A，則光路被切斷，將此裝置放入激光諧振腔內(nèi)，在激活介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)積累時，對KD*P的z軸方向加V/2電壓，這樣由起偏鏡P出射的X方向偏振光就不能通過同方向的檢偏鏡A，使腔內(nèi)光損耗大，Q值低，不能形成激光振蕩，不消耗反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，使激活介質(zhì)中的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)在外界泵浦的作用下，不斷積累，增長；當反轉(zhuǎn)粒子數(shù)ni累積到一定程度時，突然退掉KD*P上的V/2電壓，此時腔內(nèi)光損耗小，Q值變大，并且ni大于此時對應(yīng)的閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)寬度nt。激光振蕩迅速建立，往返放大后形成Q脈沖輸出，在此有幾個重要的參量須予以重視。 （1）超閾度反映低Q狀態(tài)與高Q狀態(tài)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度之比，該

10、參量對激光的建立時間，能量利用率，Q脈沖能量和脈寬等都有重要作用，一般來講，超閾度越高，調(diào)Q效果越好。因此，應(yīng)盡量減少腔內(nèi)靜態(tài)損耗降低nt，盡可能增大泵浦提高ni。（2）Q開關(guān)的開關(guān)時間tS在此處對應(yīng)為退壓時間，應(yīng)小于激光的建立時間tD，實現(xiàn)快開關(guān)條件，達到好的調(diào)Q效果，而超閾度越高，tD就越小，同時要求tS也越小。（3）激活介質(zhì)的上能級粒子壽命在自發(fā)輻射的作用下是有限的，從有效利用泵浦能量的角度而言，脈沖泵浦的時間寬度一般應(yīng)不大于其上能級壽命。例如：Nd:YAG激光介質(zhì)的上能級壽命為230s，所以泵浦脈寬也應(yīng)為200s左右為宜。另外，如果激光Q脈沖寬度小于激光下能級壽命，則應(yīng)按三能級系統(tǒng)處理

11、。Ø 實驗儀器和裝置KD*P晶體電光調(diào)Q脈沖泵浦Nd:YAG激光器實驗裝置如圖7-4所示。圖7-4 脈沖激光器輸出特性實驗和電光調(diào)Q實驗裝置包括激光介質(zhì)Nd:YAG棒，聚光腔，布儒斯特鏡，KD*P電光晶體，諧振腔反射鏡輸出鏡和激光電源等組成。由電光調(diào)Q基本原理可知，要獲得高效率調(diào)Q的關(guān)鍵之一是精確控制Q開關(guān)“打開”的延遲時間，即從氙燈點燃開始延遲一段時間，當工作物質(zhì)上能級反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)達到最大時，立即“打開”開關(guān)的效果最好。如果Q開關(guān)打開早了，上能級反轉(zhuǎn)粒子數(shù)尚未達到最大時就開始起振，顯然輸出的巨脈沖功率會降低，而且還可能出現(xiàn)多脈沖。如果延時過長，即Q開關(guān)打開得遲了，則由于自發(fā)輻射等損

12、耗，也會影響巨脈沖的功率。圖7-5所示的為調(diào)Q工作程序的示意圖。其過程是：(1)先開主電源對電容C充電，并接于氙燈電極，但不導(dǎo)通故不點燃；(2)開動晶體電源給KD*P晶體加電壓，使腔處于關(guān)閉狀態(tài)；(3)由單結(jié)晶體管振蕩器產(chǎn)生一脈沖時標信號輸入到控制電路，再由控制電路將該信號分別送往激光主電源，使其停止對電容充電，同時輸送到觸發(fā)器，使氙燈點燃，給工作物質(zhì)以能量，使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大量積累。但此時由于KD*P晶體上加有電壓V/4，所以諧振腔損耗最大，不能形成激光振蕩。當粒子數(shù)反轉(zhuǎn)到最大時，通過延時電路的信號加到閘流管的柵極上(使之導(dǎo)通)，將KD*P晶體上的電壓瞬時退掉，使諧振腔Q值突增，形成激光振蕩，輸

13、出巨脈沖。可通過實驗，精確調(diào)節(jié)延時電路，直到輸出激光最強為止。圖7-5 電光調(diào)Q工作程序示意圖欲使帶偏振器的電光調(diào)Q器件得到理想的開關(guān)效果的關(guān)鍵之一是，必須嚴格保持格蘭棱鏡的起偏方向與調(diào)制晶體的x軸(或y軸)方向一致，以保證起偏方向與調(diào)制晶體的感應(yīng)主軸x、y成45º角。簡便的調(diào)試方法是，在調(diào)制晶體加電壓的狀態(tài)下，轉(zhuǎn)動格蘭棱鏡和晶體的相對方位，直到激光不能振蕩為止。對調(diào)制晶體的要求是：/4電壓低、消光比高、激光波長處吸收系數(shù)小、能承受的功率密度高；目前使用較多的是KD*P晶體，它對1.06m的激光，V/4電壓約3000一4000V，比KDP晶體低。鈮酸鋰(LiNbO3)晶體是另一種常用

14、的調(diào)制晶體，它的特性是不存在縱向電光效應(yīng)，只能橫向方式工作，其最佳運用方式是，電場沿x軸(或y軸)方向加到晶體上，而光束沿z軸(即光軸)方向通過，這種運用方式既避免了自然雙折射造成的不良影響，而且半波電壓低，它的V/4約（20003000V）d/L，不潮解，但承受高功率激光性能差，這使它的應(yīng)用受到一定限制。以上介紹的電光Q開關(guān)屬于工作物質(zhì)儲能調(diào)Q。即能量是以激活粒子的形式存儲在工作物質(zhì)高能態(tài)上，當達到最大值時將Q開關(guān)“打開”，腔內(nèi)便很快建立起極強的激光振蕩，使激光上能級存儲的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)的光能量，其輸出方式是一面形成激光振蕩，一面從輸出鏡端輸出激光，因此，輸出光脈沖的強度與腔內(nèi)光場強度成比例

15、。這種由輸出反射鏡輸出激光脈沖的調(diào)Q方式稱為脈沖反射式(PulseReflectionMode)，簡寫為PRM本實驗采用KD*P縱向電光效應(yīng)，調(diào)Q電壓為V/4，本裝置的優(yōu)點在激光技術(shù)一書中有詳細論述，本實驗采用退壓出光方式。由于在反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度達到最大值的瞬間退掉KD*P晶體上的電壓，才能獲得最佳的調(diào)Q效果，因此，在觸發(fā)脈沖xe燈泵浦放電發(fā)光到退掉KD*P晶體上的V/4電壓之間有一個相應(yīng)的延遲時間，激光電源中配有一個延時調(diào)節(jié)電位器，可以準確調(diào)節(jié)最佳調(diào)Q效果對應(yīng)的延時時間，為了便于準確調(diào)試光路，實驗裝置中還配備了He-Ne激光器。2實驗儀器激光能量計用于測量靜態(tài)（自由運轉(zhuǎn)）和動態(tài)（調(diào)Q）輸出激光

16、脈沖能量，光電接收裝置（光電二極管等），響應(yīng)時間小于10ns，用于探測雪崩二極管倍增管激光脈沖100Hz示波器。用于顯示和測量激光脈沖波形和寬度，調(diào)試用的曝光相紙。Ø 實驗內(nèi)容1靜態(tài)特性（1）利用He-Ne激光器準直光路，在不加電光調(diào)Q晶體的條件下，調(diào)試靜態(tài)脈沖激光器。（2）通過實驗在某一泵浦電壓下，確定輸出鏡和最佳透過率。然后，記錄閾值泵浦電壓和不同泵浦電壓下的靜態(tài)激光能量，峰值功率畫出相應(yīng)的曲線。（3）在泵浦電壓不斷升高的條件下，通過衰減后的光電接收裝置將信號輸入到示波器，顯示靜態(tài)激光波形，觀察“尖峰”現(xiàn)象，測量出尖峰的個數(shù)和激光包絡(luò)的時間寬度。（4）通過不斷地增加泵浦電壓，在實

17、驗上觀察和認識馳豫振蕩效應(yīng)，在腔內(nèi)損耗（或Q值）不變的條件下，僅僅增加泵浦功率不能壓縮脈寬和有效地提高激光的峰值功率。2動態(tài)特性（1）利用He-Ne激光器準直光路，加電光調(diào)Q晶體，反復(fù)調(diào)節(jié)激光器，降低泵浦閾值能量，比較加與不加電光調(diào)Q晶體的激光輸出能量，估計電光調(diào)Q晶體的插入損耗。（2）在電光調(diào)Q晶體上加V/4電壓，隨后不斷提高泵浦電壓，觀察有無激光輸出，若有激光輸出表明腔內(nèi)光路未關(guān)斷，此時應(yīng)旋轉(zhuǎn)電光調(diào)Q晶體的方位角，使KD*P的感應(yīng)主軸與焦點偏鏡的起振方向呈的夾角。同時小范圍調(diào)節(jié)電光調(diào)Q晶體上的V/4電壓，高消光比達到好的“關(guān)門”效果。（注意：放置電光調(diào)Q晶體時應(yīng)做好絕緣保護）（3）通過實驗

18、確定電光調(diào)Q狀態(tài)的輸出鏡透過率，按激光電壓的調(diào)Q鍵，調(diào)節(jié)時間延遲旋鈕，通過曝光相紙上激光脈沖的產(chǎn)生的沖擊聲，確定最佳的“開門”退壓延遲時間。（4）利用光電探測器和雙噪示波器顯示Q脈沖的波型，標出相應(yīng)的脈寬，測出單脈沖能量并計算其峰值功率，取出一組泵浦電壓對應(yīng)的Q脈沖脈寬，峰值功率作出相應(yīng)的實驗曲線。Ø 實驗步驟1開啟循環(huán)冷卻水箱。2開啟激光電源。3利用半導(dǎo)體激光器準直光路，在不加電光調(diào)Q晶體的條件下，按照前述的方法調(diào)試靜態(tài)脈沖激光器，使其有激光輸出。4在某一泵浦電壓下，使用激光能量計，測量激光輸出能量，改變輸出鏡透過率，以確定輸出鏡的最佳透過率。5記錄閾值泵浦電壓和不同泵浦電壓下的靜

19、態(tài)激光能量，峰值功率畫出相應(yīng)的曲線。6在泵浦電壓不斷升高的條件下，通過衰減后的光電接收裝置將信號輸入到示波器，顯示靜態(tài)激光波形，觀察“尖峰”現(xiàn)象，測量出尖峰的個數(shù)和激光包絡(luò)的時間寬度。通過不斷地增加泵浦電壓，在實驗上觀察和認識馳豫振蕩效應(yīng)，在腔內(nèi)損耗（或Q值）不變的條件下，僅僅增加泵浦功率不能壓縮脈寬和有效地提高激光的峰值功率。7利用半導(dǎo)體激光器準直光路，加電光調(diào)Q晶體，反復(fù)調(diào)節(jié)激光器，降低泵浦閾值能量，比較加與不加電光調(diào)Q晶體的激光輸出能量，估計電光調(diào)Q晶體的插入損耗。8在電光調(diào)Q晶體上加V/4電壓，隨后不斷提高泵浦電壓，觀察有無激光輸出，若有激光輸出表明腔內(nèi)光路未關(guān)斷，此時應(yīng)旋轉(zhuǎn)電光調(diào)Q晶體的方位角，使KD*P的感應(yīng)主軸與焦點偏鏡的起振方向呈/4的夾角。同時小范圍調(diào)節(jié)電光調(diào)Q晶體上的V/4電壓，高消光比達到好的“關(guān)門”效果。（注意：放置電光調(diào)Q晶體時應(yīng)做