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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。
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。
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。
在Y AG晶体内，除了Nd+3之外，某些分凝系数较大的金属氧化物也能以原子或离子的形式长入晶体之中，这些异价离子将在其近邻产生具有反号电荷的离子空位或点阵空位，当一个自由电子或空穴被俘获时，就形成了吸收光的色心（Color Center）。
多掺杂的YAG晶片在0.9-1.2μm波长范围内有很强的吸收，可将该晶片置于Nd:Y AG激光谐振腔内，其透过率将随腔中振荡激光（1.06μm波长）的强度变化而变化，并改变着谐振腔的Q值，因此起着被动式的Q开关作用，使激光器产生巨脉冲。
多掺杂的Y AG晶片是一种非线性吸收介质，在强光作用下由于吸收饱和而对激光呈现透明的特征，将该晶片置于谐振腔内，开始时，由于吸收工作物质发出的较弱的荧光，吸收很强，透过率很低，相当于在腔内加入很大的损耗，Q值很低，腔内不能形成激光振荡。
随着光泵的继续作用，腔内工作物质的荧光变强（形成所谓超辐射），晶片的透过率逐渐增大，达到一定数值时（与晶片的掺杂浓度和厚度有关），晶片的吸收达到饱和值，光可全部通过，即晶片的通光面突然被“漂白”而变得透明了，这时腔内的Q值猛增，损耗急剧降低，产生激光振荡，形成巨脉冲输出。
图8-2 二能级系统关于饱和吸收原理，可用能级跃迁的量子理论予以解释。
当光子能量为hν的光束入射到晶片时，将引起基态粒子的受激跃进迁，此时，晶片呈吸收状态，其吸收率A与光子频率v密切相关。
对于多掺杂的Y AG晶片，其吸收波长范围在0.9~1.2μm之间，因此，对Nd:Y AG激光波长（1.06μm）有共振吸收作用。
此外，吸收率A还与入射光强I有关。
设粒子总数为N=n1+n2（n1与n2分别代表基态E1与激发态E2能级上的粒子数），随着入射光强的增大，基态粒子跃迁到高能态的数目增多，与此同时，晶片的吸收率A（ν，I）就会下降，而其透过率则为T（ν，I）=1-A（ν，I），如果入射光束的强度继续增加，吸收率就进一步减小，直到n1= n2时，低能态到高能态的受激跃迁与高能态到低能态的自发跃迁达到了动态平衡亦即晶片达到了饱和吸收状态，这时，晶片的吸收率A≈0，而透过率T≈100%。
采用二能级系统的速率方程方法对自饱和晶片的吸收特性进行分析后，可得出在强光作用下其受激吸收截面σ(ν)在上下能级粒子数相等时（权重一样）近似为零，而透过率T约为100%，此时达到了饱和吸收状态。
激光介质中大量的反转粒子数转换成激光巨脉冲输出，此后，由于腔内光子数急剧减少和饱和吸收体上能级寿命较短引起饱和吸收体的上能级粒子数下降，σ(ν)将会增大，导致腔内透过率T≈0，谐振腔处于低Q 值状态，而激光介质在泵浦的作用下进行着反转粒子数的积累，当σ(ν)再为零时，又有一个激光脉冲输出，此即自饱和开关的一个动作周期，多掺杂的Y AG晶体具有良好的导热性，因此，不仅可用脉冲泵浦还能用于连续泵浦的Nd:YAG激光器。
实验中采用Cr:Y AG调Q晶体，它的性质如表8-2所示。
随着激光技术的发展，Cr4+:Y AG被动调Q开关因其操作和生产的简易性，成本低，尺寸小和重量轻等特点。
它作为Q开关广泛应用于二极管泵浦的Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YVO4及灯泵浦的其他掺Nd或Yb的波长0.8-1.2um的激光器中。
因其化学稳定性、使用寿命长、抗紫外线、良好的热传导性和高的损伤阀值(>500MW/cm2)，使它将取代普通Q开关晶体（LiF和染料晶体）成为新的被动调Q激光晶体。
图8-3 Cr:YAG透过率与光功率密度关系图由图8-3 Cr:YAG的透过率在激光输入能量增加时呈现明显的可饱和吸收性，与染料调Q原理类似，实现被动调Q开关功能。
由于Cr4+:YAG的饱和光强较小,所以当腔内净增益较大时,Q开关很容易多次打开,在一次闪光灯的泵浦里,容易出现多个调Q脉冲。
这对提高调Q重复率很有利。
但是如果需要获得单脉冲,可增加输出耦合,也可减小Cr4+YAG的初始透过率。
被动调Q激光器是在脉冲激光器的谐振腔中插入一个被动调Q晶体构成。
脉冲式灯泵浦YAG激光器被动调Q实验采用图8-4所示的实验装置图，改变输出镜透过率，得到输入电压和输出能量的关系曲线图。
验证最佳透过率理论和输出特性曲线，并且用光电探测器和示波器观察调Q输出脉冲，理解被动调Q多个脉冲出现的原因。
实验内容1． Nd:YAG 激光器静态运转特性参数 （1）采用不同透过率的输出镜测量所对应的脉冲Nd:Y AG 激光器的阈值和斜率效率，实验确定最佳静态透过率T s 。
对于脉冲Nd:Y AG 激光器：out P in th E E E η=-（能量斜率效率）其中th E 为阈值泵浦能量。
（2）采用最佳透过率膜片作为输出镜，测量脉冲Nd:YAG 激光的单脉冲输出能量out E 和泵浦能量in E 之间的关系，画出相应的曲线，通过示波器观察Nd:YAG 激光器的静态输出波形，记录其形状和脉冲宽度，改变泵浦能量，观测输出波形变化，得出相应的实验结果。
2．Cr:YAG 被动调Q Nd:YAG 激光器的动态运转特性（1）将测试过的Cr:YAG 调Q 晶体插入激光谐振腔内，用He-Ne 激光准直调节其平行度，在其散热、冷却条件得到保证的状态下，开启激光器，反复调节，降低阈值。
（2）在某个固定的泵浦频率下，对应于透过率T M 确定的输出镜，采用不同初始透过率T o 的Cr:YAG 调Q 晶体进行被动调Q ，利用激光能量计测量调Q 激光输出能量E out ：（3）采用光电探测器和示波器观察调Q 脉冲波形，测量Q 脉冲的宽度，注意“多脉冲”现象的“台阶”效应所对应的T o 与E in 。
对于出现了“台阶”效应的T o ，画出E out 与E in 的关系曲线，并给出相应的分析与解释。
（4）更换不同的激光输出镜，即相当于改变透过率T M ，重复（2）、（3）操作，在实验中确定单脉冲能量大、脉宽窄、效率高的条件，达到设计相对最佳的光学参数T out 与T o 的目的。
实验装置图8-4 脉冲式灯泵浦YAG激光器被动调Q实验装置图脉冲式灯泵浦YAG激光器被动调Q实验采用如图8-4的实验装置，包括：全反镜、泵浦灯、Nd:YAG棒、被动调Q晶体、输出镜和能量计。
实验步骤(1)开启循环冷却水箱。
(2)开启激光电源。
(3)调整激光谐振腔直至有激光输出，测量输出能量与泵浦电压之间的关系。
(4)更换输出镜透过率，重复步骤（3）。
(5)放入被动调Q晶体，改变输入泵浦电压，用激光能量计测量激光输出能量。
得到一组数据。
(6)改变输出镜的透过率两次，重复实验步骤（5），得到另外两组数据。
(7)通过探测器和示波器观察调Q脉冲的波形、频率和脉宽。
了解被动式调Q与主动式调Q的区别。
(8)关闭激光电源。
(9)关闭冷却循环水箱。
实验结果处理根据测得的数据，分别画出输入泵浦电压与输出能量关系曲线图，并且得出最佳输出镜透过率，并与理论比较，分析偏差产生的原因。
比较主被动式调Q脉冲的区别。
实验教学建议学生可以分成4人一组，两个人负责调整谐振腔和被动调Q晶体，测量能量。
一个人负责激光器电源和冷却水箱的操作，一个人负责记录数据。
实验学时建议：4学时安全注意事项：本实验属高电压、大电流、强脉冲激光实验，一定要做好人身安全防护。
本设备激光器属于Ⅳ类激光产品，输出的是可见和不可见的激光，眼睛切勿对着激光输出端直视，眼睛和皮肤要避免暴露于激光直射或者漫反射的区域。
一定要做好人身安全和眼睛安全防护。
