声光调Q倍频YAG激光器实验
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声光调Q技术一、实验目的:1、掌握固体激光器的工作原理;2、掌握声光调Q和倍频的原理;3、掌握GPF-NG-Ⅰ型声光调Q激光器的调节技术。
二、实验仪器:GPF-NG-Ⅰ型声光调Q激光器、激光冷水机,GTDC1220电流源,QSD-2750声光调Q驱动器。
三、实验原理:本实验采用的是掺钕钇铝石榴石晶体(Nd3+:Y AG)固体激光器,工作物质是由钇铝石榴石(YAG)单晶掺入适量的三价稀土离子Nd3+构成的掺钕钇铝石榴石晶体(Nd3+:YAG)。
采用半导体激光器激励方式将处于基态的粒子抽运到激发态,以形成粒子数反转状态,输出波长分别为532nm、1064nm两种激光。
谐振腔采用全外腔形式。
调Q方式为声光调Q,冷却方式为水冷。
下面将依次介绍。
1、激光器的基本结构一般激光器都是由三个基本的组成部分,即工作物质、激励源和光学谐振腔,如(图1)所示。
工作物质用来产生受激辐射,它是激光器的核心。
激励源用来激励工作物质建立粒子数反转,产生受激辐射。
光学谐振腔是用来维持受激辐射的持续振荡,以获得进一步的增益,从而得到高强度的激光输出。
全反射镜聚光器半反射镜激光工作物质灯电源图1 固体激光器结构示意图1、工作物质在激光器中,工作物质是决定激光器性能的关键部件。
固体激光工作物质被称为固体激光器的心脏。
的激活离子。
2、光泵光源固体激光材料具有比较宽的吸收带,这就为用光照来激励激活粒子创造了条件。
由于固体激光器的工作物质是靠外界光照使粒子激发到高能态的。
所以又称这种激发作用为光泵。
由阈值条件可计算出最低需要多少能量(或功率)才能使激光器振荡,也可以通过实验测得阈值泵浦能量。
因为计算得到的是理想的情况,所以一般都是通过实验来测量。
3、聚光器泵灯发光的空间特性是四面八方发射光辐射。
当泵光激励工作物质时,希望把各个方向的发射光都有效的集中到工作物质上,为此一般都是灯和棒外面加一个罩,罩的形状要适应灯和棒的匹配要求,这种装置称为聚光器,又叫聚光腔。
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。
窄脉宽Nd_YAG声光调Q激光器研究窄脉宽Nd:YAG声光调Q激光器研究激光器是一种将光能转化为有聚束、单一波长、相干和高能量密度的激光光束的装置。
激光器的发展在科学研究、医疗、军事和工业等领域中起着至关重要的作用。
然而,传统的激光器在高能量脉冲输出时容易产生较宽的脉冲宽度,限制了其在某些应用中的效果。
窄脉宽Nd:YAG声光调Q激光器则是一种经过优化设计的激光器,具有窄脉宽、高能量密度和稳定性好等优点。
在该激光器中,采用的是具有狭缝形谐振腔和声光调Q装置的Nd:YAG晶体。
声光调Q装置可以调节激光的脉宽,使其更加窄小。
这种激光器能够产生高质量的激光脉冲,广泛应用于科研、工业和军事领域。
首先,窄脉宽Nd:YAG声光调Q激光器在科学研究中有重要的应用。
科学研究中通常需要高能量脉冲扫描样品或物体,以获取更详尽的信息。
传统激光器脉冲宽度较宽,往往无法满足这种需求。
而窄脉宽Nd:YAG声光调Q激光器的优势在于其可调谐的脉宽,从而使得研究人员可以根据需求调整激光的参数,实现更精确的研究结果。
其次,窄脉宽Nd:YAG声光调Q激光器在工业应用中也具有巨大的潜力。
在工业加工领域,高质量的激光束对于精确加工和切割等工艺至关重要。
窄脉宽Nd:YAG声光调Q激光器通过产生高能量密度的激光脉冲,可以实现对各种材料的精确加工。
该激光器还具有调整脉冲宽度的能力,可以根据不同材料的需求进行优化,从而提高加工的质量和效率。
此外,窄脉宽Nd:YAG声光调Q激光器还在军事领域中得到广泛应用。
军事使用中,激光器通常用于距离测量、目标照明和干扰等作战需求。
窄脉宽Nd:YAG声光调Q激光器具有高能量密度和稳定性好的特点,能够满足军事作战中对精准定位和干扰的需求。
同时,窄脉宽的特点也使得其在激光雷达和激光指挥系统中表现出优越性能。
总之,窄脉宽Nd:YAG声光调Q激光器作为一种优化设计的激光器,具有窄脉宽、高能量密度和稳定性好等优点。
这种激光器在科学研究、工业应用和军事领域中得到了广泛的应用。
声光调Q倍频YAG激光器实验声光调制器由石英晶体、铌酸锂或重火石玻璃作为声光介质,通过压电晶体电声转换器将超声波耦合,在声光介质中产生超声波光栅,介质的折射率被周期性调制形成折射率体光栅。
在腔内采用该技术,可将连续的1064nm基频光变换成10KHz的高重复率脉冲激光,由于具有重复频率和峰值功率高的特点,可获得高平均功率的倍频绿光输出。
【实验目的】(1)掌握声光调Q连续激光器及其倍频的工作原理;(2)学习声光调Q倍频激光器的调整方法;(3)了解声光调Q固体激光器的静态和动态特性,并掌握测试方法;(4)学习倍频激光器的调整方法。
【实验原理】【实验原理】声光调Q倍频连续YAG激光器的工作原理(1)声光调Q基本原理:图1 声光调制器工作原理声光调制器是由石英晶体、铌酸锂、或重火石玻璃做为声光介质,通过电声换能器(压电晶体)将超声波耦合进去,在声光介质中产生超声波光栅。
超声波光栅将介质的折射率进行周期性调制,从而进一步形成折射率体光栅。
如图1所示。
光栅公式如下式(1)式(1)中,是声光介质中的超声波波长,为布拉格衍射角,为入射光波波长,n为声光介质的折射率。
当入射光以布拉格角入射时,出射光将被介质中的体光栅衍射到一级衍射最大方向上。
利用声光介质的这种性质,可以对激光谐振腔内的光束方向进行调制。
当加入声光调制信号时,光束偏转出腔外,不能在腔内形成振荡,即此时为高损耗腔。
在此期间泵浦灯注入给激活介质(激光晶体)的能量储存在激光上能级,形成高反转粒子数。
当去掉声光调制信号时,光束不被偏转,在腔内往返,形成激光振荡。
由于前面积累的高反转粒子数远远超过激光阈值,所以瞬时形成脉冲激光输出,从而形成窄脉宽、高能量的激光脉冲。
声光调Q激光器工作在几千周到几十千周的调制频率下,所以可以获得高重复率、高平均功率的激光输出。
(2)倍频器件工作原理:图2 倍频晶体折射率椭球及通光方向示意图由于晶体中存在色散现象,所以在倍频晶体中的通光方向上,基频光与倍频光所经历的折射率与是不同的。
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。
第36卷 第1期中 国 激 光V ol.36,N o.12009年1月CH INESE JOU RNAL OF LASERSJanuary,2009文章编号:0258 7025(2009)01 0015 0463W 灯抽运声光调Q 腔内KTP倍频Nd YAG 激光器刘学胜1夏姣贞2鄢 歆1王智勇1(1北京工业大学激光工程研究院,北京100124;2浙江树人大学基础科学部,浙江杭州310015)摘要 报道了输出532nm 平均功率为63W 的灯抽运声光(A O)调Q 腔内KT P 倍频Nd Y AG 固体激光器。
分析双灯抽运金属镀金腔结构、抽运均匀性以及KT P 倍频晶体的冷却均匀性及可靠性,并设计一种可靠性高的倍频晶体冷却装置。
激光谐振腔采用L 型腔结构,通过对声光调制器频率和倍频晶体温度对输出倍频激光功率影响的实验研究,得到激光器工作的最佳几何腔长为549mm 。
在抽运功率为4.9kW ,声光调制频率为4kHz 时,532nm 倍频激光最大输出44W ,脉宽为80ns;声光调制频率为10kH z 时,532nm 倍频激光最大输出为63W ,脉宽为140ns,倍频效率为64%,总电 光效率为1.2%,光束质量为M 2=11.1。
关键词 激光技术;固体激光器;L 型腔;腔内倍频;平均功率;光束质量中图分类号 T N 248.1 文献标识码 A doi:10.3788/CJL20093601.001563W Green Laser Based on an Intracavity Frequency DoubledLamp Pumped Acousto Optic Q Switched Nd YAG LaserLiu Xuesheng 1Xia Jiaozhen 2Yan Xing 1Wang Zhiyong11College of L aser Engineer ing ,B eij ing Univ er sity of T echnolog y ,Beij ing 100124,China 2Phy sics D ep ar tment ,Zhej iang Shur en Univ ers ity ,H angz hou,Zhej iang 310015,ChinaAbstract 532nm g reen laser w ith an aver age pow er o f 63W based o n an int racavit y frequency doubled lamppumped acousto optic(A O )Q sw itched Nd Y A G laser is r epo rted.T he st ructur e of dua l lam p pum ped go ld plated metal cav ity,pumping unifor mity and the cooling unifor mity and reliability of K T P fr equency doubled cr ystal are analy zed and a hig hly reliable set fo r cooling fr equency doubled cr ystal is developed.T he o pt imum g eometr ic cav ity leng th of 549mm is go t thro ug h studying the influence of the fr equency of A O modulato r and the temper atur e of fr equency doubled cry stal o n the output po wer of frequency do ubled laser w ith L shaped cavity.When the pumping po wer is 4.9kW and A O modulating fr equency is 4kH z,the 532nm output pow er is 44W w ith the pulse width o f 80ns;W hen the A O modulating frequency is 10kH z,the 532nm output pow er is 63W with the pulse w idth of 140ns,frequency doubled eff iciency is 64%,total electr ical o pt ics efficiency is 1.2%and beamqualit y is M 2=11.1.Key words laser technique;so lid state laser ;L shaped cavity;intr acav ity frequency do ubling;aver age pow er;beam quality收稿日期:2008 05 06;收到修改稿日期:2008 05 19作者简介:刘学胜(1980-),男,博士研究生,主要从事大功率固体激光器的研究。
实验报告——调Q YAG 激光器实验实验时间:2017.03.07一、实验目的1、掌握3:Nd YAG +激光器的工作原理2、学习并掌握3:Nd YAG +激光器调整技术3、学习声光调Q 3:Nd YAG +激光器的工作原理4、掌握声光调Q 实验技术,学习nm 量级激光脉冲测量方法5、学习腔外倍频实验技术二、实验原理1.掺钕钇铝石榴石掺钕钇铝石榴石(3:Nd 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,所以用它可作成连续激光器和高重复频率的脉冲激光器。
YAG 激光器可输出几种波长,其中最强的为1.06μm 。
如果采用调Q 、倍频技术,则可获得波长为532nm 的脉冲激光。
这种以3:Nd YAG +激光器为基础的脉冲激光系统以其高峰值功率、高重复频率和宽波长调谐特性等优点而得到了广泛的应用。
2. YAG 激光器的结构图1为典型的3:Nd YAG +激光器示意图。
其中包括YAG 棒;泵浦灯(连续运转的氪灯两个);Q 开关和光学谐振腔。
YAG 晶体棒3:Nd YAG +激光器的工作物质是一种人工晶体,它的基质是钇(Y)铝(Al)石榴石(G),其分子式为3512Y Al O 。
晶体在高温的过程中掺入氧化钕,用提拉法制成。
钕就以三价正离子的形式存在于YAG 的晶格中,掺钕量约为1%。
通常3:Nd YAG +晶体被加工成 φ6mm ×100mm 左右的圆棒状,两端磨成光学平面,平面的法线与棒轴有一个小夹角,面上镀有增透膜,能承受高的功率密度,棒的侧面全部“打毛”,以防止寄生振荡。
激励泵浦源YAG 激光器可用多种光源作为激励泵浦源,连续YAG 激光器常用氪灯和碘钨灯为泵浦源,脉冲YAG 激光器常用脉冲氙灯为泵浦源。
因为这些灯的辐射光谱与YAG 棒晶体的吸收光谱匹配较好。
如图1所示,泵浦用的氪灯做成和YAG 棒长度相近的直管形,以便达到最佳的耦合。
两氪灯串联后,外接直流电源。
声光调Q 技术一.实验目的(1) 观察声光相互作用现象――布拉格衍射(2) 熟悉,掌握连续Y AG 激光器声光调Q 技术及调试方法。
(3) 测试声光调Q输出特性。
二.实验原理(1) 声光布拉格衍射器件(图一)为典型的声光Q 开关原理结构图。
它主要由三部分组成:1 电声转换器,本实验采用切割石英晶片。
尺寸为10X25X0.07(mm); 也可以采用LiNbO3晶片作材料。
晶片两面加有电极片,以引入调制高频电压。
产生布拉格衍射的高频超声为40mc, 高频电源最大输出功率大于50W ,调制脉冲频率从1KHz 到50KHz ,分档可调,以适应重复率的不同要求;调制脉宽为4~10us 。
2 声光介质。
采用溶石英为材料,它有适当的声光衍射效率,又能够承受强光照射,在1.06um 连续激光使用时,是比较理想的材料。
当通光长度L =25mm 时,每瓦超声功率可产生约1%的衍射效率。
3.吸声材料。
采用硅橡胶,涂在溶石英的底面与两侧,其作用是避免声波反射。
保证工作于行波状态。
(图一)声光Q 开关原理(图二)Y AG 连续声光调Q 激光器(2) 声光调Q 激光器工作图二为声光调Q 激光器实用光路图为了补偿YAG 棒的热透镜效应,采用平凸腔结构。
详细计算表明,当热透镜焦距f 0=0.5m 时(相当于氪灯泵浦电流16~18A )若调节腔长L 1=366mm,L 2=250mm,能得到良好的热透镜补偿。
若采用优秀的泵浦灯,加上防震等措施后,输出光强稳定性可优于±3%声光调Q 的原理简述如下:如图一所示,当传声介质中有高频(40MC )超声行波传播时,由于布拉格衍射,入射光I i 的一部分偏离到布拉格角I d 的方向。
偏角θB 由布拉格公式决定:2λsSin θB =λ0/n=λ代入以下的数据:声速V S =5.97KmS ;声频fs=40MC;折射率n =1.46;真空波长λ0=1.06um.求得θB =0.1390衍射效率I d (L )/I i (0)=Sin 2(ηL )=sin 2(PM h L ⎪⎭⎫ ⎝⎛02λπ) 式中,P 为超声功率,M 为声光品质因素,M=n 6p 2/ρV S 3. n,p,ρ分别表示材料的折射率,光弹性系数和密度。
声光调q实验报告1. 实验目的本实验旨在通过声光调q实验,探究声音在空气中的传播规律,并研究声音的频率对声音质量的影响。
2. 实验器材- 调频器- 音叉- 光物体- 麦克风- 音频分析仪3. 实验原理声音是由物质的振动产生的机械波,通过空气传播。
可以用频率(频率越高,声音越尖锐)和振幅(振幅越大,声音越响亮)来定量描述声音。
而光是由电磁波产生的,速度在真空中为光速。
实验中利用调频器生成一定频率的声音信号,并用麦克风接收声音信号。
在调频器中,通过调节不同频率,可产生不同音调的声音。
为了定量分析声音的频率,可使用音频分析仪。
同时,利用光物体产生不同频率的光波,通过研究位于光物体处的探测光电池产生的电流信号来分析光波频率的变化。
4. 实验步骤1. 将音叉固定在一个合适的支架上,使其能够自由振动。
调整调频器的频率,使麦克风接收到音叉振动产生的声音信号。
2. 使用音频分析仪,测量接收到的声音信号的频率,并记录下来。
3. 将光物体放置在光电池前方,调节光物体的频率,使光电池能够接收到光波。
记录下光电池接收到的光波的频率。
4. 分析并比较声音信号和光波信号的频率。
5. 实验结果与分析实验数据如下:信号种类频率(Hz)-声音440光波 5 ×10^14从实验数据中可以得出以下结论:1. 声音频率为440Hz,对应了一个特定的音调,这是因为音叉的振动频率为440Hz。
2. 光波频率为5 ×10^14Hz,这是因为光物体发射的光波频率为5 ×10^14Hz。
3. 声音信号和光波信号的频率相差太大,无法直接比较二者的频率。
6. 结论通过声光调q实验,我们可以观察到声音在空气中的传播规律,并研究声音的频率对声音质量的影响。
实验中,我们调节了声音信号和光波信号的频率,并通过音频分析仪和光电池记录了实验数据。
通过分析实验数据,我们得出了声音信号和光波信号的频率不可直接比较的结论。
实验结果对于深入理解声音和光波的特性以及它们在现实生活中的应用具有重要意义。
实验名称:LD侧面泵浦全固态激光倍频和声光调Q实验实验目的1、掌握LD侧面泵浦全固态激光器的基本原理和调试方法。
2、掌握声光调Q的基本原理及输出特性。
3、掌握激光倍频原理及影响倍频的基本因素。
实验原理1、激光产生的条件数反转分布一般情况下介质中的粒子数在能级上呈>样分布状态,即较低能量的-个能级的粒子数大于具有较高能量的一个能级的粒了数。
要产生激光,激光介质能级粒子数分布必须处于反转分布<,称这种状态的物质为激活物质。
减少振荡模式数激光器是通过光学谐振腔来达到减少振荡模式数的。
起振条件—阈值条件若激光器由反射率分別是R1、R2的两面镜子和长度为L的激活材料构成。
设g为在反转的激光材料中单位长度的增益系数,a为单位长度的吸收损耗系数。
则每次通过激光材料,其强度变化为exp(g-a)2L。
阈值条件为R1R2exp(g-a)2L=1。
增益饱和效应—稳定振荡条件当入射光强度足够弱时增益系数与光强无关,是一个常量;当入射光强大到一定的程度,增益系数将随光强的增大而减小,产生增益饱和效应。
2、调Q技术声光调Q是利用光的衍射效应实现调Q的。
利用光的衍射现象,光束偏离,达到声光调Q的目的。
一束光通过由声控的相位光栅时,就会发生衍射,这就是声光效应。
在激光器的光学谐振腔中,放入一个声光调制器,当有超声波作用在调制器上时,由于声光效应,激光束就会发生衍射,偏离谐振腔,从而使激光停止振荡。
当超声波消失后,损耗消失,形成振荡,产生巨脉冲输出,完成超声调Q作用。
实验内容1、测量连续Nd3+:YAG激光器电流和功率的关系曲线2、测量连续倍频Nd3+:YAG激光器电流和功率的关系曲线3、测量准连续声光调Q Nd3+:YAG激光器单脉冲能量4、测量准连续声光调Q倍频Nd3+:YAG激光器频率为5KHz、11KHz、35KHz时激光输出功率随电流的变化曲线数据记录及处理1、连续Nd3+:YAG激光器电流和功率的关系曲线I 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 15P 0 0 0 0 0.04 0.10 0.18 0.27 0.55 0.81 1.02 1.29 1.742、连续倍频Nd3+:YAG激光器电流和功率的关系曲线I 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 15P 0 0 0.002 0.004 0.006 0.011 0.023 0.028 0.037 0.040 0.046 0.052 0.0603、准连续声光调Q Nd3+:YAG激光器单脉冲能量f 5 10 15 20 25 30 35 40P 0.480 0.477 0.483 0.458 0.464 0.498 0.463 0.527E 0.0960 0.0477 0.0322 0.0229 0.0185 0.0166 0.0132 0.01314、准连续声光调Q倍频5KHz时激光输出功率随电流的变化曲线I 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 15 P 0 0.003 0.043 0.135 0.196 0.260 0.464 0.665 0.918 1.087 1.2405、准连续声光调Q倍频11KHz时激光输出功率随电流的变化曲线I 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 15P 0 0.003 0.017 0.056 0.102 0.173 0.312 0.431 0.603 0.862 1.032 1.204 1.3566、准连续声光调Q倍频35KHz时激光输出功率随电流的变化曲线I 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 15P 0 0.003 0.011 0.036 0.054 0.080 0.134 0.161 0.226 0.343 0.476 0.531 0.662。
实验十二声光调Q倍频YAG激光器实验
一、实验目的
<1)掌握声光调Q连续激光器及其倍频的工作原理;
<2)学习声光调Q倍频激光器的调整方法;
<3)了解声光调Q固体激光器的静态和动态特性,并掌握测试方法;
<4)学习倍频激光器的调整方法。
二、实验原理
声光调Q倍频连续YAG激光器的工作原理
<1)声光调Q基本原理:
图12-1 声光调制器工作原理
声光调制器是由石英晶体、铌酸锂、或重火石玻璃做为声光介质,通过电声换能器<压电晶体)将超声波耦合进去,在声光介质中产生超声波光栅。
超声波光栅将介质的折射率进行周期性调制,从而进一步形成折射率体光栅。
如图12-1所示。
光栅公式如下式b5E2RGbCAP
<1)
式<1)中,为声光介质中的超声波波长,为布拉格衍射角,
为入射光波波长,为声光介质的折射率。
当入射光以布拉格角入
射时,出射光将被介质中的体光栅衍射到一级衍射最大方向上。
利用声光介质的这种性质,可以对激光谐振腔内的光束方向进行调制。
当加入声光调制信号时,光束偏转出腔外,不能在腔内形成振荡,即此时为高损耗腔。
在此期间泵浦灯注入给激活介质<激光晶体)的能量储存在激光上能级,形成高反转粒子数。
当去掉声光调制信号时,光束不被偏转,在腔内往返,形成激光振荡。
由于前面积累的高反转粒子数远远超过激光阈值,所以瞬时形成脉冲激光输出,从而形成窄脉宽、高能量的激光脉冲。
声光调Q激光器工作在几千周到几十千周的调制频率下,所以可以获得高重复率、高平均功率的激光输出。
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<2)倍频器件工作原理:
图12-2 倍频晶体折射率椭球及通光方向示意图
由于晶体中存在色散现象,所以在倍频晶体中的通光方向上,基频光与倍频光所经历的折射率与是不同的。
图12-3给出了一个单轴晶体的色散及1064nm倍频匹配点的折射率关系曲线。
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R e f r a g t i v e I n d e x l (m m)
图12-3 单轴晶体色散曲线及倍频原理示意图
图12-3中的实线代表了寻常光的折射率,点划线代表了非常光的折射率,中间的点线则代表了非常光在改变入射光角度时得到的折射率。
由图中可以看出,当改变晶体中入射光的角度,中间的非常光折射率曲线随之变化,在如图的位置上,可以实现1064nm 的倍频。
即在特定的通光方向上,532nm 的倍频光与1064nm 的基频光折射率可以实现相等,实现倍频的相位匹配。
RTCrpUDGiT 对于双轴晶体其相位匹配的计算较为复杂,这里不详细论述。
其相位匹配原理都是相同的。
<3)倍频效率:
设为基频光,为倍频光,则由理论计算可以得到倍频的效率为
<2)
式<2)中为基频光光强,为倍频光光强,为晶体长度,
为晶体倍频有效非线性系数,为基频光折射率,为倍频光折
射率,为三波互作用时的波矢量失配。
由公式给出的
倍频效率是一个Sinc平方函数,当=0时效率达到最大值,失配量在的整数倍时达到最小值。
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图12-4 倍频效率的sinc平方函数图
三、实验装置
实验装置如图12-5所示。
这是一台内腔倍频、连续氪灯<单灯)泵浦、声光调Q的YAG激光器。
不加倍频元件可以输出1064nm波长的近红外高功率激光。
当腔内放置倍频晶体时,如采用倍频效率较高的KTP<磷酸二氢钾)晶体,就可以产生532nm波长的倍频绿光输出。
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图12-5 声光调Q连续YAG倍频激光器示意图
由于倍频效率与基频激光的峰值功率平方成正比,所以为了有效地产生高效率的倍频输出,在YAG腔内采用了声光调Q装置,其作用可以将连续振荡的1064nm基频光变换成10KHz左右的高重复频率脉冲激光,脉冲宽度在150nS左右。
由于具有重复频率和峰值功率高的特点,所以可以获得高平均功率的倍频绿光输出。
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实验装置中采用5mW的氦氖激光器做为准直光源。
谐振腔后面采用的全反镜为1064nm高反。
倍频输出镜为1064nm高反和532nm 高透双色镜。
1064nm基频光在腔内形成振荡且不直接输出到腔外。
在腔内放置KTP晶体做为倍频器件,将1064nm基频光转换为532nm倍频光,并通过倍频输出镜获得输出。
本实验中,在腔内还放置了一块谐波反射镜,上面镀有1064nm高透、532nm高反,使
获得的后向倍频光再次反射回倍频输出镜处并得到输出,从而进一步提高了倍频输出效率。
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四、实验内容
<1)仔细反复调整激光器中反射镜、声光Q开关、KTP倍频晶体,使之降低阈值达到最佳工作状态。
<2)观察声光调Q连续YAG倍频激光器的工作特点。
<3)比较有调Q作用和无调Q作用时倍频输出明显的差别。
<4)测量倍频激光器绿光输出的脉冲宽度和波形。
<5)观察不同声光调制频率下绿光输出功率的变化。
<6)转动倍频晶体角度观察倍频输出功率变化。
*<7)估算倍频激光器的倍频效率。
五、实验步骤
<1)用氦氖激光器调整光路,使所有反射面都与光轴垂直,达到谐振腔的腔镜平行。
重点是光路中的激光棒端面、声光Q开关端面、全反镜和倍频输出镜。
这是保证有效产生高功率基频光振荡的首要条件。
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<2)通冷却水后,小心设定连续激光电源的最小工作电流,开启电源使连续氪灯工作在最小孤光放电状态。
<3)打开激光功率计,并调零,设定探测波长为532nm档。
开启声光调Q驱动电源,调整声光调制功率。
一般应结合激光功率进行调整,当激光功率较小时调制功率亦小,调制功率不宜设定过高,以达到最高效率为准。
先将声光调制频率设定为7KHz左右,进行观察,然后再改变声光调制频率从7KHz~20KHz,观察绿光输出功率的变化。
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<4)对实验内容<3)进行观察和熟悉。
<5)用分辨率小于100nS的示波器和绿光响应的高速光电二级管探测观察声光调Q倍频绿光输出的波形。
可将激光调整到较小,
或将绿光激光打到物体的反射面上探测其反射光即可。
不可直接将探测器对准绿光进行探测,否则会造成探测器的损坏。
rqyn14ZNXI <6)绘制不同声光调制频率下的绿光输出功率曲线,注意标明激光工作条件<激光电源驱动电流、声光调制器驱动电流)。
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<7)KTP晶体属于双轴晶体,实验中采用II类相位匹配,其
1064nm的倍频最佳相位匹配角为,。
稍微转动晶体的方位角,记录输出功率随晶体角度变化的曲线。
理论计算应为
一Sinc平方曲线。
用氦氖激光器垂直入射晶体表面,在一定距离上观察晶体表面反射光点的位置,以计算出晶体与光轴的夹角。
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*<8)测量倍频效率。
先将倍频晶体和谐波反射镜取出,用一波长在1064nm处反射率为90%的镜片取代倍频输出镜,以形成一1064nm连续激光谐振腔,先测量只有1064nm激光输出的功率。
将晶体、谐波反射镜、倍频输出镜放回导轨上,形成内腔倍频谐振腔,再测量倍频输出的绿光功率。
用绿光功率除以基频光功率,以估算出倍频效率。
注意:此时测量的基频光功率为估算值,实际还应考虑电源到激光的效率。
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重要提示:
1)连续激光器的电源功率最大输出在千瓦以上,由于固体激光器效率只有百分之几,大部分都转换为热量,所以一定要先开启冷却水然后方可进行操作,否则晶体和氪灯会发生损坏。
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2)由于1064nm基频光都在腔内振荡没有输出,所以腔内功率密度很高,很容易打坏光学元件,所以一定要保证通光光路中没有切光,特别是KTP晶体要对正通光中心。
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3)激光脉宽探测器是价值较高的高速响应及高灵敏度光电二极管,不可直接将激光输出打在上面。
只能探测强光打在物体上的散射光。
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六、实验报告
1)描述声光调Q内腔倍频YAG激光器的工作原理。
2)有声光调Q与无声光调Q作用时的绿光输出现象和记录。
3)脉宽形状及脉宽记录,以及不同声光调制频率下的脉宽记录。
4)不同声光调制频率下绿光输出功率与频率的关系曲线。
5)改变角,测得的绿光输出功率与角度的关系曲线。
6)在有条件的情况下,完成实验内容*<7),并提交绿光输出功率与角度的关系曲线。
七、思考题
倍频激光器输出耦合镜为1064nm全反,这是否与激光原理中最佳偶合输出的概念矛盾?
申明:
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