实验八 脉冲式灯泵浦YAG激光器被动调Q实验

【数据处理】
由 = CV 2， C=100μ F，得下表：
电压（V） E P（J） E out（mJ） 680 23.12 37.0 700 24.5 54.8 720 25.92 62.7 740 27.38 71.3 760 28.88 81.7 780 30.42 84.2 800 32 103.8
2
根据上表做 E out ~ E P 曲线
E out ~ E P 曲线
E out（mJ）
100 90 80 70 60 50 40 30 22 24 26 28 30 32
110
E P（J）
图6 脉冲倍频实验光路图 1. 将倍频晶体如图6 所示放置在光路中，让激光正入射倍频晶体。 2. 将泵浦电压保持在750V，调节倍频晶体和光轴之间的夹角，每次改变一 度，用能量计记录倍频光脉冲的能量。 3. 夹角范围为±10 °，共采集20 组数据。 4. 将实验结果，数据拟合，画出转化效率随角度变化的关系图，并且和图3 加以比较。
【实验步骤】
一、 自由振荡
图4 自由振荡YAG 激光器光路图 1. 用氦氖激光器调整光路。按照图4 光路，调整氦氖激光器，使氦氖激光 通过Nd:YAG 晶体前后两孔的中心，保持不动；放入1.06μm 半反镜，调整使其 反射光沿原路返回；放入1.06μm 全反镜，调整使其反射光沿原路返回。此时他 们都与光轴垂直，达到谐振腔的腔镜平行。 2. 打开总电源，打开泵浦灯的电源，检查冷却水泵、高压等，设定电源的 工作电压约在～750V。注意：打开泵浦灯电源步骤：首先旋转开关钥匙，使其处 于“On”位置；按下“SIMMER”按钮，再按下“WORK”按钮，此时电源开始工作。 调节”CHARGEVOLT”下的旋钮，可以设定工作电压大小。如果要暂停泵浦电压， 可以再次按 “WORK” 按钮， 使其恢复到原来的位置。 关机时， 按照相反顺序操作。 3. 微调激光器的1.06μm 半反镜，用黑相纸在1.06μm 半反镜后面接收激 光光斑，当光斑变圆时，光路调节完毕。 （当天实验由于示波器出现故障，故没能观察到波形图） 二、 染料调Q

实验八脉冲式灯泵浦YAG激光器被动调Q实验实验目的（1）掌握被动调Q Y AG激光器的工作原理与调试方法。

（2）测量脉冲与连续泵浦Y AG激光器的静态输出特性。

（3）分析被动调Q率被动调Q Y AG激光器的动态输出特性。

（4）在被动调Q理论分析的基础上，通过实验研究，针对相应的运转条件和应用需求，设计被动调Q Y AG激光器的光学参数。

实验原理1．固体Nd:Y AG激光器的工作原理。

（1）Nd:Y AG晶体的性质Nd3+:YAG是以三阶钕（Nd3+）离子部分取代Y3Al45O12晶体中Y3+离子的激光工作物质，称为掺钕钇铝石榴石（简称Nd3+:YAG）。

它以Nd3+离子作为激活粒子。

图8-1给出了Nd3+:YAG晶体中Nd3+离子的与激光产生过程有关的能级图。

处于基态4I9/2的钕离子吸收光泵发射的相应波长的光子能量后跃迁到4I5/2，2H9/2和4F7/2，4S3/2能级（吸收带的中心波长是810nm和750nm，带宽为30nm），然后几乎全部通过无辐射跃迁迅速降落到4F3/2能级。

4F3/2能级是一个寿命为0.23ms的亚稳态能级。

处于4F3/2能级的Nd3+离子可以向多个较低能级跃迁并产生辐射，其中几率最大的是4F3/2至4I11/2的跃迁（波长为1064nm）。

图8-1 Nd3+:YAG激光的激发机理（2）静态运转特性分析（a）脉冲运转→驰豫振荡（尖峰效应）暂态过程。

（b）连续运转→阈值条件（增益饱和）稳态过程。

按“激光原理与技术”中有关章节的分析，结合实验得出：仅仅依靠增加泵浦能量与功率，不能获得窄脉宽，高峰值功率的激光脉冲的结论。

2．Cr:YAG饱和吸收被动调Q原理自饱和被动式调Q激光器由于器件结构简单，对激光器无电磁干扰，应用十分广泛，但由于通常的染料调Q介质，导热率极低，使其应用范围受到局限，只能用于低重复率的脉冲调Q激光器中。

近年来，由于激光晶体技术的进步，我国已生产出可用于高重复率调Q的多掺Y AG晶片，制成了被动式的Q开关器件，兼备声光和染料调Q的长处，在激光医疗、激光打标和非线性光学等领域获得广泛的应用。

做关门实验， 做关门实验，使激光输出能 Applied Physics, Electronic Eຫໍສະໝຸດ gineering 量最小。 量最小。
4
实验仪器
• • • • • • • • • • YAG晶体 YAG晶体 前腔镜和后腔镜 激光电源：（含电源、 开关、手动快门） ：（含电源 激光电源：（含电源、Q开关、手动快门） 水箱 导轨、 导轨、滑块和支架 辅助激光器 能量计 光阑 起偏器 KDP晶体 晶体（ 开关） KDP晶体（Q开关）
12/13/2010
Changsha University
Applied Physics, Electronic Engineering 5
实验内容
做激光调腔实验，使输出地静态激光最强。 1. 做激光调腔实验，使输出地静态激光最强。 将偏振片插入光路。再插入Q开关，调整Q开关的俯仰， 2. 将偏振片插入光路。再插入Q开关，调整Q开关的俯仰，使Q开关的 反射像与激光晶体的反射像重合。 反射像与激光晶体的反射像重合。 微调两块谐振腔片，使激光器静态激光输出最强。 3. 微调两块谐振腔片，使激光器静态激光输出最强。 将电源改到关门状态（HV)进行关门实验 转动Q开关使最小。 进行关门实验。 4. 将电源改到关门状态（HV)进行关门实验。转动Q开关使最小。 将电源改到调Q状态，按快门，输出巨脉冲激光。用胶片接受光斑， 5. 将电源改到调Q状态，按快门，输出巨脉冲激光。用胶片接受光斑， 与静态激光光斑比较 。 6. 7. 8. 9. 用能量计测量巨脉冲， 用能量计测量巨脉冲，微调两块谐振腔片 ，使巨脉冲激光最强。 。 改变电压，分别测量几组静、动态输出能量，并填入P26表1。 改变电压，分别测量几组静、动态输出能量，并填入P26表 P26 被动调Q技术自己先对照指导书去做。 被动调Q技术自己先对照指导书去做。

被动调Q激光器系列实验1、什么是调Q？调Q的实质是什么？调Q技术是用某种方法先使腔在高损耗状态达到反转粒子数大量积累，然后突然降低损耗，激光器就在增益远超过损耗的状态下，急速建立激光振荡，将工作物质中储存的能量在极短的时间内释放出来，形成所谓的巨脉冲。

2、调Q的基本工作原理是什么？调Q的原理是通过某种方法使谐振腔的损耗因子σ（或Q值）按照规定的程序变化，在泵浦激励刚开始时，先是光腔具有高损耗因子σ，激光器由于阈值高而不能产生激光振荡，于是亚稳态上的粒子数便可以积累到较高的水平。

然后在适当地时刻，使腔的损耗因子突然降低到σ，阈值也随之突然降低，此时反转集居数大大超过阈值，受激辐射极为迅速地增强。

3、如果让你设计一个调Q实验，你从工程上如何分析设计？1.电光调Q：(1)调制晶体消光比高，透过率高，半波电压低，抗激光破坏阈值高。

(2)调制器的电极结构要形成均匀电场纵向运用环形电极，横向运用平板电极(3)对工作物质的要求上能级寿命长，抗激光破坏阈值高(4)对泵浦源的要求泵浦光的脉宽和工作物质的上能级相匹配(5)对Q开关控制电路的要求开关速度要快，控制要精确2.声光调Q：声光器件：衍射效率接近100%，开关速度要求快得多，上升时间大约为5ns，则要求光束必须聚焦到一个直径50um的区域上3.染料调Q：对于可饱和吸收材料要求：(1)可饱和吸收材料对激光波长有吸收峰(2)可饱和吸收材料的吸收截面要远远大于激光工作物质的吸收截面，这让饱和光强较小，易于“漂白”。

(3)τ吸收体上能级<<τ激光工作物质上能级(4)可饱和吸收材料的物理化学性能稳定。

4.机械转镜调Q：(1)使用屋脊棱镜作为代替平面镜克服平行精度要求高和稳定性问题(2)在连续泵浦的机械Q开关Nd:YAG激光器中，为得到高重复率，使用多边形旋转棱镜而不是单棱镜或反射镜。

(3)降低其噪声，使用质量高的轴承。

脉冲宽度正比于光子寿命，而光子寿命又和腔长L成正比，所以为了获得窄的脉冲，腔长不宜过长，输出损耗也不宜太小。

Nd:YAG激光器自由运转及调Q实验【实验目的】1.了解固体激光器的结构及工作原理（自由运转和染料调Q），掌握其调整方法；2.了解固体激光器的主要参数的测试技术；3.观察调Q脉冲经过KTP晶体实现倍频现象，了解倍频中相位匹配特性。

【实验原理】一、自由振荡1.固体激光器组成固体激光器主要由工作物质，泵浦光源和光学谐振腔三大部分组成。

常用的工作物质有红宝石，掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG），钛宝石等晶体和钕玻璃等。

谐振腔常用两个平面或球面反射镜。

泵浦光源常用氙灯、氪灯、高压汞灯，碘钨灯。

在本实验中，激光器的主要元件为：①工作物质：掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）；②光学谐振腔：双氙灯，双椭圆聚光腔，重复脉冲电源；③谐振腔镜：双色镜，部分反射镜。

2.自由振荡固体激光器的输出特性自由振荡激光器输出激光脉冲的特点是具有尖峰结构，即由许多振幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成。

每个尖峰的宽度约为0.1～1 μs，间隔为数微秒，脉冲序列的时间长度大致等于闪光灯泵浦持续的时间。

这种现象称为激光器的弛豫振荡。

产生弛豫振荡的主要原因是：当激光器的工作物质被泵浦，上能级的粒子反转数超过阈值条件时，即产生激光振荡，使腔内光子密度增加而发射激光。

随着激光的发射，上能级粒子数被大量消耗，导致粒子反转数降低，当低于阈值水平时，激光振荡就停止，这时，由于光泵的继续抽运，上能级粒子反转数重新积累，当超过阈值时，又产生第二个脉冲，如此不断重复上述过程，直到泵浦结束。

可见每个脉冲都是在阈值附近产生的，因此脉冲的峰值功率水平较低，从这个作用过程可以看出，增加泵浦功率也是无助于峰值功率的提高，而只会使小尖峰的个数增加。

二、调Q 的概念在激光技术中 ，用品质因数 Q 来描述与谐振腔损耗有关的特性。

Q 值定义为2Q v π=腔内存储的激光能量每秒损耗的能量用W 表示腔内存储的能量，δ表示腔的单程损耗，且设谐振腔长度为L，工作介质折射率n，光速c，则Q 值可表示为22/W nLQ v Wc nL ππδδλ==式中λ0为真空激光波长。

【实验步骤】一、自由振荡图4 自由振荡YAG 激光器光路图1. 用氦氖激光器调整光路。

按照图4 光路，调整氦氖激光器，使氦氖激光通过Nd:YAG 晶体前后两孔的中心，保持不动；放入1.06μm 半反镜，调整使其反射光沿原路返回；放入1.06μm 全反镜，调整使其反射光沿原路返回。

此时他们都与光轴垂直，达到谐振腔的腔镜平行。

2. 打开总电源，打开泵浦灯的电源，检查冷却水泵、高压等，设定电源的工作电压约在～750V。

注意：打开泵浦灯电源步骤：首先旋转开关钥匙，使其处于“On”位置；按下“SIMMER”按钮，再按下“WORK”按钮，此时电源开始工作。

调节”CHARGEVOLT”下的旋钮，可以设定工作电压大小。

如果要暂停泵浦电压，可以再次按“WORK”按钮，使其恢复到原来的位置。

关机时，按照相反顺序操作。

3. 微调激光器的1.06μm 半反镜，用黑相纸在1.06μm 半反镜后面接收激光光斑，当光斑变圆时，光路调节完毕。

（当天实验由于示波器出现故障，故没能观察到波形图）二、染料调Q图5 YAG 激光器调Q 光路图1. 按照图5 光路，用氦氖激光器调整光路,将染料片插入1.06μm 全反镜和Nd:YAG 晶体之间，调整使其反射光沿原路返回；打开泵浦灯的电源，设定电源的工作电压约在～750V。

微调激光器的1.06μm 半反镜，用黑相纸在1.06μm 半反镜后面接收激光光斑，使其输出正常。

2. 改变泵浦电压，用激光能量计测出不同电压下的输出能量E out, 给出E out～E p曲线。

3. 按照图5 光路，用示波器记录激光器的调Q 脉冲波形，并打印结果。

4. 将实验结果、数据以及图表整理并写出实验报告。

三、脉冲倍频图6 脉冲倍频实验光路图1. 将倍频晶体如图6 所示放置在光路中，让激光正入射倍频晶体。

2. 将泵浦电压保持在750V，调节倍频晶体和光轴之间的夹角，每次改变一度，用能量计记录倍频光脉冲的能量。

3. 夹角范围为±10 °，共采集20 组数据。

仍然 很 大． ｒ ： Ｃ 付 ＹＡＧ 晶体透 过率 随 着 晶体 内光 强 的 增 大 而 增 大 ， 形 成 了 可 饱 和 吸 收 的 特 即
性 ．
２ 实验装置
端 面泵浦 的被动调 Ｑ激 光器 的实验 装 置 图如 图２ 所示 ， 浦 系统 由 １ 光纤耦 合 Ｌ 和耦合 泵 ０ｗ Ｄ 透镜组成 ． 泵浦光 源波 长为 ８ ８ｎ 激 光工 作物质 ０ ｍ． 为 ６ ０ｍｍ 的 Ｎｄ ： Ｇ 晶体 ， 光 面为平 ×１ 。 ＹＡ 通 行平 面 ， 个 通 光 面 镀 为 ８ ８ ｎ ｌ 浦 光 高 透 射 一 ０ Ｉ 泵 Ｔ 膜 ， ６ ｍ 振荡 光 高反 射 膜． 。 ： １０ ４ｎ Ｎｄ ＹＡＧ 晶体
第 ３ Ｏ卷第 ３ 期 ２１ ００年 Ｏ 月 ６
西
安
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大
学
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报
Ｖｏ ． Ｏ Ｎｏ ３ １３ ．
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＸｉａ ｃ ｎ ｌｇ ｃｌＵｎｖ ｒｉｙ ｏ ｒ ａ ｏ ’ｎ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｉａ ｉｅ ｓｔ
Ｊｎ ００ ｕ ．２ １
文章 编号 ： １ ７ —９ ５ ２ １ ） ３２ ５０ ６ ３９ ６ （ ０ ０ ０ —１ —４
面 、 短 的驰豫 时 间 和较 小 的 剩 余 吸 收截 面 ， 较 同时 该 晶体 还具 有稳 定 的物化 性能 、 良好 的导 热性 以及
３后 ， 迅速 回到 ２ 此 由于能 级 ３的寿命 极短 ） 由 叉 ， ． 于基 态 吸收截 面远 大于激 发态 吸收 截 面 ， 以粒子 所
主要 从基 态 向激 发 态 跃 迁 ． 多 数 光 子 被 Ｃ 离 大 ｒ
面研究 了泵 浦 电流 、 长 、 出镜 透 过率 对 激 光 器 腔 输 输 出特 性 的 影 响 ， 研 究 对 提 高 激 光 器 的输 出 级 简 图

灯泵 YAG 激光器综合实验
引言 本实验装置采用具有连续光谱的闪光灯照射 Nd3+：YAG 晶体，Nd 离子就从基态 E1 跃迁至
激发态 E4 的一系列能级，其中最低的两个能级为 F4 5/2 和 4F7/2，相应于中心波长为 0.81μm 和 0.75μm 的两个光谱吸收带。由于 E4 的寿命仅约为 1ns，所以受激的 Nd3+离子绝大部分都经 过无辐射跃迁转移到了 E3 态。E3 是一个亚稳态，寿命长达 250—500μs，很容易获得粒子数 积累。E2 态的寿命为 50ns，即使有粒子处在 E2，也会很快地弛豫到 E1。因此，相对 E3 而言， E2 态上几乎没有粒子。这样，就在 E3 和 E2 之间造成了粒子数反转。正是 E3—E2 的受激辐射 在激光谐振腔中得到增益而形成了激光，其波长为 1.064μm。只要泵浦光存在，Nd3+离子的 能态就总是处在 E1—E4 一 E3 一 E2 一 E1 的循环之中，这是一个典型的四能级系统。
用不同的方法去控制不同的损耗，就形成了不同的调 Q 技术。 有转镜调 Q 技术，电光 调 Q 技术、可饱和染料调 Q 技术、声光调 Q 技术、透射式调 Q 技术。
本实验以电光 Q 开关激光器的原理、调整、特性测试为主要内容。利用晶体的电光效应 制成的 Q 开关，具有开关速度快；所获得激光脉冲峰值功率高，可达几 Mw 至 Gw，脉冲宽度 窄，一般可达 ns 至几十 ns,器件的效率高，可达动态效率 1％，器件输出功率稳定性较好， 产生激光时间控制程度度高，便于与其它仪器联动，器件可以在高重复频率下工作等优点．所 以这是一种已获广泛应用的 Q 开关。
表 1 激光器静态和动态输出输电压（V）静态输出（mJ）
动态输出（mJ）
500

实验8-5 电光调Q 脉冲YAG 激光器与倍频实验一、引言固体激光器是以固体材料作为工作物质的激光器，它具有输出能量大、峰值功率高、器件结构紧凑等优点，在工业激光材料加工、激光医学、激光化学、科学研究以及国防等方面有着重要的应用。

迄今，已实现激光振荡的固体激光工作物质有数百种之多，其中以掺钕钇铝石榴石（Nd 3+：YAG ）应用最多。

Nd 3+：YAG 是一种典型的四能级激光工作物质，由于它的热传导性好、激光阈值低和转换效率高，所以用它可以做成高重复频率的脉冲激光器和连续激光器。

如果在脉冲激光器内采用调Q 和放大技术，很容易获得时间宽度为10ns 量级而峰值功率达几百MW 量级的TEM 00激光脉冲。

再通过KD *P 等非线性光学晶体对波长为1.06μm 的Nd 3+：YAG 激光基波进行二倍频、三倍频和四倍频，则可得到532nm 、355nm 和266nm 四种波长的脉冲激光器。

此外，还可以用上述二倍频或三倍频光去泵浦染料激光器，获得从紫外到近红外的波长连续可调谐的脉冲激光。

这种以Nd 3+：YAG 激光器为基础的脉冲激光系统以其高峰值功率、高重复频率和宽范围波长调谐特性等优点在科学技术、医学、工业和军事上得到了广泛的应用。

目前脉冲Nd 3+：YAG 激光器的泵浦方式有两种：闪光灯和半导体激光器。

本实验研究闪光灯泵浦的调Q 脉冲Nd 3+：YAG 激光器，了解其工作原理，掌握该激光器的装配和调试方法以及相应的激光参数测量，学习应用非线性光学晶体产生倍频光的基本原理。

二、实验原理1．Nd 3+：YAG 激光器的工作原理和结构掺钕钇铝石榴石晶体是以钇铝石榴石（简称YAG ，其分子式为Y 3Al 5O 12）单晶为基质材料，掺入适量的三价稀土离子Nd 3+所构成。

YAG 是由Y 2O 3和Al 2O 3按摩尔比为3：5化合生成的，当掺入作为激活剂的Nd 2O 3后，则在原来是Y 3+的点阵上部分地被Nd 3+代换，而形成了淡紫色的Nd 3+：YAG 晶体。

实验原理-调Q技术是获得短脉冲高峰值功率激光输出的重要方法。-激光器的Q值又称品质因数，表征激光谐振腔的腔 损耗的参数-腔内贮存的激光能量-2πnL-Q=2π，每秒钟损耗的激光能量-损耗率-如果我们设法在泵浦开始时 谐振腔内的损耗增大，即提高振荡-阈值，使振荡不能形成，激光工作物质上能级的粒子数大量积累-当积累到最大值， 然使腔内损耗变小，Q值突增。这时腔内会-像雪崩一样以极快的速度建立起极强振荡，在短时间内反转粒子-数大量被 耗，转变为腔内的光能量，并在输出镜端输出一个极-强的激光脉冲，其脉宽窄，峰值功率高，这种光脉冲称为巨脉冲。 这种产生巨脉冲的技术被称为调Q技术，也称为Q开关技术。
NA:YACG激光器调Q实验-·大连民族学院物理与材料学院-Applied Physics Electro ic Engineering
2实验目的-了解利用晶体线性电光效应实现激光调Q的原理；；-熟悉主动和被动调Q技术；-了解电光晶体的开关效 和延迟特性。-掌握调Q激光器输出能量、脉冲宽度的测量方法-Applied Physics,Electron c Engineering
0b-注意事项-1,本实验输出的激光为高峰值功率脉冲激光，做本实验前必须佩-戴防护1064nm激光的防护眼 。-2.任何情况下严禁直视激光光路或直视激光器的反射光路，以免-激光损伤人眼。-3,严禁用手直接触摸氙灯电 以及激光电源的输出线，以免触及-高压放电回路造成人身伤害。-4.用光电探测器接收激光脉冲时，应多次衰减至极 微弱，以免-打坏探测器。-Applied Physics Electronic Engineering
实验仪器-YAG晶体-前腔镜和后腔镜-·激光电源：（含电源、Q开关、手动快门）-水箱-·导轨、滑块和支架辅助激光器- Physics,Electronic Engineering

被动调Q激光器一、实验目的：1、学会被动调Q的原理及方法；2、了解Cr4+：YAG晶体调Q激光器装置，掌握其测试方法；3、了解被动调Q开关性能参数对激光参数对输出特性的影响。

二、实验原理：自由振荡激光器的输出为序列无规尖锋，激光功率较低，限制了它的使用价值，人们在激光谐振腔内插入Q开关，以急速改变腔损耗的方法即可获得持续时间短，峰值功率高的激光巨脉冲。

光学谐振腔的Q值与单程损耗及阈值反转粒子数密度成反比，即Q值低的腔表征着腔的损耗大，激光振荡的阈值反转粒子数密度高。

Q值高的腔损耗小，阈值反转粒子数密度低。

调Q技术是用某种方法先使腔在高损耗状态达到反转粒子数大量积累，然后突然降低损耗，激光器就在增益远超过损耗的状态下，急速建立激光振荡，将工作物质中储存的能量在极短的时间内释放出来，形成所谓的巨脉冲。

如图1所示，用一个简单的染料盒作Q开关的激光器，它不需要电机或电源，也没有任何复杂的机械装置，它的结构简单、体积小、重量轻、使用操作简便、维修少、经济耐用，由于这些优点，使其已广泛应用在军用激光器和一些科研用激光器中。

自从出现了染料Q开关以后，人们把需要外加信号控制的Q开关如转镜、电光或声光Q开关称为“主动Q开关”，把染料这类无需外加控制的Q开关成为“被动Q开关”。

1．被动Q开关工作原理图1. 染料盒Q开关激光器基本原理：被动Q开关是利用某些物质对光的可饱和吸收效应自动实现激光器的Q突变的。

用作被动Q开关的材料通称为可饱和吸收体。

可饱和吸收体对光的饱和效应，表现为其吸收系数α随入射光强I 的增加而下降，其一般关系式为：)(10S I I +=αα （1）式中 0α——吸收体在入射光强I=0时的吸收系数。

I s ——吸收体的饱和光强，在该光强的α减小到20α，认为此时吸收体开始“漂白”。

光学上薄的可饱和吸收体，饱和光强可表示为：s s s hv I τσ= （2） 式中s σ为吸收中心的截面，s τ为受激态的有效寿命。

实验八电光调Q技术一、实验目的1.掌握固体激光器中电光调Q技术的基本原理；2.掌握调Q激光器输出能量、脉冲宽度等主要指标的测量方法；3.了解影响电光调Q效果的因素，并掌握调试技术。

二、实验原理一般不加调Q技术的固体激光器输出的激光脉冲是由一系列强度不等尖峰脉冲序列组成的。

这种输出特性称为激光的弛豫振荡，脉冲的峰值功率约为几十千瓦量级，总的脉冲宽度为毫秒量级。

为了提高固体激光器输出激光脉冲的峰值功率，需要采用调Q技术。

采用此技术脉冲输出峰值功率可达几十兆瓦以上。

目前电光调Q技术是较常用的调Q技术。

由晶体光学可知，KD*P晶体在Z轴方向的电场作用下三个感应主折射率为：式中n0为O光折射率，n e为E光折射率，γ63为光电系数，E为z方向电场强度，沿z方向入射的线偏光进入长度为e晶体后，沿新主轴x′、y′方向分解相互垂直的偏振分量，并产生相位差：式中VZ是沿z方向加在晶体上的电压，当通过晶体的光波波长确定后，相位差Δ只取决于外加电压V Z。

当位相差为π弧度时所需要的电压称为“半波电压”，用Vλ/2表示；当相位差为π/2弧度时所需要的电压称为“四分之一波电压”用Vλ/4表示，即：对于KD*P晶体：n0=1.51 r63=23.6×10-12m/VT1小孔光栏 He-NeT2图8-1 电光Q开关红宝石激光器示图光电调Q红宝石激光器如图8—1所示，由反射镜M1和M2构成激光谐振腔，其中M2为部分反射镜；R为60°生长红宝石激光晶体（即晶轴与光轴成60°角）；KD*P为磷酸二氘钾电光晶体，由于KD*P晶体易潮解，因此密封在晶体盒内。

盒的两端用布儒特斯窗密封，其作用是减少反射损耗，提高激光的线偏振度。

He-Ne激光器和小孔光栏用于调整光路，T1、T2为转向反射镜。

红宝石激光工作物质在脉冲氙灯照射（泵浦）下产生荧光，沿谐振腔轴方向传播的荧光在红宝石激光工作物质中不断得到放大，形成偏振方向与晶轴平面垂直的线偏振光（因为红宝石激光工作介质对不同偏振方向的光有不同的放大率，通常O光放大率与E光放大率之比为10：1。

脉冲式灯泵浦YAG激光器技术及其应用系统操作说明书一、设备组成设备型号：LPR-1生产单位：武汉华中科技大学激光加工国家工程研究中心图1 脉冲灯泵浦YAG激光器应用系统装置结构图图1为脉冲灯泵浦YAG激光器应用系统装置结构图。

它主要包括：（1）脉冲灯泵浦YAG激光器（2）激光电光调Q电源（3）冷却循环水箱（4）光电探测器（5）接收屏测量装置包括：示波器、能量计。

光电探测器和接收屏在进行测距实验中才会用到。

二、使用环境脉冲灯泵浦YAG激光器技术及其应用系统必须置于干净整洁的环境中。

环境温度：10~30℃环境湿度：<80%三、技术参数a)单脉冲能量大于10毫焦b)激光波长：1064纳米/532纳米。

c)激光模式：低阶模。

d)激光重复频率：1Hz-100Hz。

e)冷却方式：纯净水闭路循环。

f)供电方式：交流220V/50Hzh）耗电功率：3KW四、操作步骤4.1 开机过程注意：开机必须先启动冷却水箱，正常运行后，再开启激光电源！1.合上外部电源的总开关；2.接通冷却水箱电源，面板上的电源和泵的蓝灯会亮，中间两个显示板分别显示的是当前水温（25摄氏度）和设定水温（23摄氏度），当当前水温超过设定水温2摄氏度时，压缩机工作，面板上主机运行绿灯亮，（如图2所示）。

此时确认冷却水箱是否正常工作，水路中水流量是否正常；检查水流量正常后，合上激光电源的总电源开关。

图2 冷却水箱面板图图3 激光电源前控制面板图4 激光电源前控制面板示意图激光电源控制面板功能说明： 1.（POWER ）电源钥匙开关。

2.（CHARGE VOLT 调节旋钮）调节氙灯放电电压大小。

SIMMERFREQ EXT Q-SW FAILQ-SW SEL15102050100EXTFREQ SELSIMMERWORKOFF HV ONOFFONCHARGE VOLT DELAY Q-SW HV(V)×10(V)POWER 17346258101193.（SIMMER按键）预燃开关。

LD泵浦Nd：YAG/Cr：YAG被动调Q单纵模激光器Q开关具有模式选择性这一观点在上世纪60年代就被提出,并有一些相关的理论分析和实验研究。

被动调Q激光器结构简单,应用广泛,被动Q开关的模式选择效应引起了很多研究人员的兴趣。

本论文以理论分析和实验验证相结合的方式,研究了被动调Q激光器中可饱和吸收体初始透过率、输出镜反射率、激光器腔长等激光器参数对形成单纵模振荡的影响,阐明了实现单纵模振荡的具体激光器参数,并搭建了 Cr:YAG被动调QNd:YAG激光器进行了实验验证,研究结果具有重要的理论意义和应用价值。

理论上,首先以简化的“三角形模型”等效代替Nd:YAG增益介质的洛伦兹线型估算出腔内相邻纵模受激发射截面比,在考虑了相邻纵模间增益差异的情况下给出了相邻纵模强度比与纵模脉冲建立前荧光在腔内往返次数的关系曲线;接着,基于激光速率方程组数值求解了相邻纵模脉冲的建立过程;最后,定性、定量分析了 Cr:YAG初始透过率、输出镜反射率、光学腔长等参数对形成单纵模的影响。

结果表明:(1)存在Cr:YAG初始透过率、输出镜反射率、激光器腔长等参数的优化组合,可以在非微腔条件下实现单纵模激光输出;(2)使用低反射率的输出镜更有利于实现单纵模;(3)对于确定的输出镜反射率和激光器腔长,可饱和吸收体的初始透过率存在一个最优值使得单纵模输出特性最优,且该最优值随着输出镜反射率的减小而增大;(4)短腔更有利于实现单纵模。

根据理论仿真结果,以Nd:YAG 为增益介质,Cr:YAG为被动调Q开关,搭建了光学腔长为65mm的平凹腔激光器系统。

在Cr:YAG初始透过率为0.7、输出镜反射率为0.6的情况下,激光器的阈值泵浦电流为16A;在泵浦电流为17.5A时,获得了单纵模脉冲激光输出,输出功率为490mW。

随着泵浦电流的增加,振荡纵模数逐渐增多,但是整体上处于2～5个的少纵模状态且主次模间强度差较大;频谱仪对拍频观测结果表明,激光输出处于不稳定单纵模状态,在泵浦电流20A时的不稳定单纵模输出功率为972mW。

ｐ ｔ ｈ ａｔｒ ｏ ｄＹ Ｇｌ ｅ ｅｃｍ ａｅ ｄａａ ｚｄ（） ｓｉ ｌ Ｑ— ｗｔ ｅ ｎ ｏｅｌ ｋ ｄｂ ｒ Ｙ Ｇ ｕ ａ ｃ ｓ ｆ ： Ａ ｓｒ ｏ ｐ ｄａ ｌ ｅ ： ｐ ｓ ｅ ｓ ｉｈ ｄａ ｄｍ — ｅ ｙｃ ４ Ａ ｃｒ ｅ Ｎ ａ ａ ｒ ｒ ｎ ｎ ｙ ￣ ａ ｖｙ ｃ ｄ ｏ ｃ ： ｃ ｓ ；￣ａｔ ｅ ｏｅｌ ｋｄｂ ｃｕｔ—ｐ ｃ ｄｅｌ ｋｒ （ ａｔｅｐ ｓ ｅ ｄ— ｋｄｂ ｉｔ ｓ ｆｈ ｏ ｙ ａ ｒ ｔ （）ｃｖｌ ｍ ｄ— ｅ ｙａｏｓ ｏｔ ｌ ｉｙ ｃ ｏ ｏ ｉ ｍｏ — ｅ；￣ ｃｖ—ａ ｉ ｌ ｍｏｅｌ ｅ ｙ ｏｎ ｕｅｏ ｅ ｗ ｃ ｏ ） ｉ ｓ ｖｙ ｃ ｏ ｊ ｔ ｔ
６ ０ ｓａ ｄｏ ｔｕ ｎ ｒ ｅ ０ ｍＪ ５ ｐ ｎ ｕｐ ｔｅ ｅｇ ｎ ａ ３ ０ ． ｙ ｒ
Ｋｅ ｏｄ ：ｃｖ—ａｓ ｅｍ ｅ ｏｋｎ ，Ｃ４ Ｙ Ｇ：Ｑ—ｓｉ ｈ ｄａｄｍ ｅｌｃｅ ｙｗ ｒ ｓａｔｅｐｓｉ ｏ ｉｇ ｒ Ａ ｉ ｖ ｄ ｌ ｃ ： ｗｔ ｅ ｏ － ｋｄ ｃ ｎ ｄ ｏ
脉冲 输 出。 关键 词 ： 主被 动锁模 ； ｒ Ｙ Ｇ； Ｑ一锁模 Ｃ４ Ａ 调 ： 中 图分 类号 ： Ｎ ４ ． Ｔ ２８１ 文 献标 识码 ： Ａ
Ｔｈ ｐ ｒ ｍ ｅ ｔ ｌＲｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｎ Ａｃ ｉ ｅ ｐ ｓ ｉ ｅ ｅ Ｅｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｓ ａ ｃ ｎ ａ ｔｖ － ａ ｓｖ
（ ａ ｏａ Ｋ ｙＬ ｂｒｔ ｙｏ ｕ ａｌ ｓｒ ｅｈｏｏｙ Ｈ ｒｉ ｓｔｔ ｏ ｅｈ ｏ ｇ ， ａｂｎ１０ ０ ， ｈｎ ） Ｎ ｔ ｎｌ ｅ ａｏａ ｒ ｆ ｎｂｅＬ ｅ ｃｎｌ ， ａｂｎＩ ｔｕｅ ｆ ｃ ｎｌ Ｈ ｉ ５０ １ Ｃ ｉａ ｉ ｏ Ｔ ａ Ｔ ｇ ｎｉ Ｔ ｏ ｙ ｒ

[ 2]
hvA L 1 E = ln dt ( t ) tr r 0 hvA L 1 P= ln m ax ( 2) tr r 式中 , A 为抽运光斑的平均大小 ; hv 为单个输出光 子的能量 ; max 为 ( t ) 的最大值。 由于方程组 ( 1) 考虑了抽运与自发辐射的影响 , 用传统的理论求解方法很难求解 , 因此采用数值解 法对方程组( 1) 进行求解。在对方程组 ( 1) 进行求解 时存在一个计算速度与精度的矛盾 , 这是因为激光 输出脉冲的脉宽是在纳秒量级 , 而输出脉冲的时间 670
表 1 理论计算中采用的参数值
parameter
2 gs / cm
2 被动调 Q Nd YAG/ Cr YAG 激光器的理 论模型
根据有关文献中的方程组
[ 4]
, 在考虑抽运和自
value 8. 7 2. 8 10 10 1
- 19 - 19
paramet er
2 gs / cm
value 2. 2 101. 82
第6期
田信宁 , 等 :
被动调 Q Nd YA G/ Cr YAG 微晶片激光器的优化设计与实验
改变抽 运激光器 腔长的 大小, 其模拟计算 结果如图 4 所示。随着激光 器腔 长的增 加, 峰值功率减小, 脉宽增加。 从上面的模拟结果可知, 可以通过尽 量减小激 光器的 腔长 , 例如采用高浓度的增益 介质和可饱和吸收体介质 , 在 增益 介质和 可饱 和吸收 体介 质端面 镀 膜, 形 成 所需 要的激 光谐 振 腔 等; 尽 量 减 少激 光器腔 内 损 耗, 例 如采 用热 键 合等 工艺 实 现增 益介 质 与可 饱和 吸 收体 介质 的 键合 , 减少 激 光在 介质 端 面由 反射 引 入的 损耗; 在

脉冲激光器的调Q 和倍频实验目的1. 熟悉Nd:YAG 激光器的结构。

2. 了解和掌握利用晶体的线性电光效应实现激光调Q 的原理。

3. 了解和掌握激光倍频技术的基本原理和倍频晶体相位匹配的方法。

实验原理激光调Q 技术就是使激光谢振腔的Q 值发生变化，使激光工作物质的受激辐射压缩在极短的时间内发射的一种技术。

具体的讲就是在光泵开始激励的初期，使腔内的损耗很大，Q 值很低，这使激光振荡的阈值很高，使激光振荡不能形成，因而上能级的反转粒子数大量积累。

当积累达到最大值时，突然时谐振腔的损耗变小，Q 值突增，这时反转粒子数密度比阈值大得多，使激光振荡迅速建立，腔内像雪崩一样以极快的速度建立起极强的振荡，于是在极短的时间内输出一个极强的激光脉冲。

调Q 激光脉冲峰值功率一般都高于兆瓦级，而脉冲宽度只有10-8~10-9秒，因而通常将这种脉冲称为激光巨脉冲。

激光谐振腔内的损有多种，用不同的方法来控制腔内不同的损耗，就形成了不同的调Q 技术，例如控制反射损耗的有转镜调Q 技术、电光调Q 技术，控制吸收损耗的有染料调Q 技术，控制衍射损耗的有声光调Q 技术等。

倍频技术就是将频率为ω的强激光束入射到某些非线性晶体，通过强光与物质的相互作用，产生2ω的二次谐波的技术。

倍频技术是目前由较低频率的激光转换为较高频率激光的最成熟和最常用的频率转换技术，也是最早被利用的非线性光学效应。

当光与物质相互作用时，就会带起原子外层电子的位移，产生电偶极矩r e m =,其中e 为负电中心的电荷量，r 是负电中心相对于正电中心的距离。

单位体积内偶极矩的总和为极化强度P ，m N P =,N 是单位体积内的原子数。

极化强度的大小和方向随外电场的变化而变化，这种极化场就会产生电磁波的辐射。

如果入射到介质上光束的频率为ω，电场矢量为t E t E E πνω2cos cos 00 ==由于光的作用，产生的极化强度P 与外电场强度矢量E 之间的关系为+⋅+⋅=E E E P )2()1(χχ式中)1(χ, )2(χ为与时间、位置无关的常数，成为介质的极化系数，且有 )3()2()1(χχχ>>>>当入射光很弱时，极化系数的高阶项都可忽略不计，则(2)可简化 t E E P L ωχχcos 0)1()1( ⋅=⋅=这就表明弱光照射下，介质的极化强度矢量与电场强度成线性关系，其频率与入射光频率相同。