固体激光器及其调Q工作原理

固体激光器原理固体激光器是一种利用固体材料作为工作物质产生激光的装置。

它具有结构简单、体积小、效率高、可靠性强等优点，在医疗、通信、材料加工等领域有着广泛的应用。

固体激光器原理是指固体激光器产生激光的基本物理过程和原理。

在固体激光器中，激光的产生是通过材料的受激辐射过程实现的。

下面将详细介绍固体激光器的原理。

固体激光器的工作原理主要包括三个过程，吸收、受激辐射和放大。

首先是吸收过程，固体激光器中的工作物质吸收外界能量，使得原子或分子处于激发态。

其次是受激辐射过程，当处于激发态的原子或分子受到外界激发能量的作用时，会发生受激辐射，产生与激发能量相同的光子，并且这些光子与外界激发能量的相位相同。

最后是放大过程，通过光学共振腔的作用，使得受激辐射的光子不断地在工作物质中来回反射，产生放大效应，最终形成激光。

固体激光器的原理中，工作物质的选择对激光器性能有着重要的影响。

常用的固体激光器工作物质包括Nd:YAG、Nd:YVO4、Ti:sapphire等。

这些工作物质具有较高的吸收截面、较长的寿命和较宽的工作波长范围，适合用于固体激光器的制作。

此外，激光器的光学共振腔结构也是固体激光器原理中的重要组成部分，它能够提供光学反馈，使得激光得以放大并输出。

在固体激光器的原理中，激光的输出特性是一个重要的参数。

激光器的输出特性包括波长、功率、脉冲宽度、光束质量等。

这些特性直接影响着激光器的应用效果和性能表现。

因此，在固体激光器的设计和制造过程中，需要对激光器的输出特性进行精确控制和调节。

总的来说，固体激光器原理是固体激光器产生激光的基本物理过程和原理。

通过吸收、受激辐射和放大三个过程，固体激光器能够产生高能量、高亮度、高单色性的激光。

固体激光器的原理为固体激光器的设计和制造提供了重要的理论基础，同时也为固体激光器的应用提供了技术支持。

随着科学技术的不断发展，固体激光器原理将会得到更深入的研究和应用，为激光技术的发展做出更大的贡献。

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。

固体激光器的工作原理
固体激光器是一种利用固体材料作为工作介质的激光器，其工作原理主要包括激发态产生、增益介质放大、谐振腔构成和输出光束等几个方面。

首先，固体激光器的工作原理涉及到激发态的产生。

在固体激光器中，通常采用外部能源（如光、电、化学能等）来激发固体材料中的原子或分子，使其跃迁至激发态。

这个过程需要一定的能量输入，激发态的产生是固体激光器工作的第一步。

其次，固体激光器的工作原理还包括增益介质的放大。

在固体激光器中，激发态的原子或分子通过受激辐射的作用，向入射的光子传递能量，从而使光子的数目呈指数增长。

这一过程发生在增益介质中，增益介质通常是由稀土离子或色心等组成的晶体或玻璃材料。

另外，固体激光器的工作原理还涉及到谐振腔的构成。

谐振腔是固体激光器中的一个重要部件，它由两个反射镜构成，其中一个是部分透明的，用于输出光束。

谐振腔的作用是使激光在其中来回多次反射，从而增强激光的放大效应，最终形成输出光束。

最后，固体激光器的工作原理还包括输出光束的形成。

当激光在谐振腔中来回多次反射后，其中一部分光子会通过部分透明的反射镜逸出，形成输出光束。

这个输出光束通常具有一定的方向性和单色性，可以用于各种应用。

总的来说，固体激光器的工作原理是利用外部能源激发固体材料中的原子或分子，使其跃迁至激发态，然后通过增益介质的放大和谐振腔的构成，最终形成输出光束。

固体激光器在医疗、通信、材料加工等领域有着广泛的应用，对于推动科学技术的发展具有重要意义。

固体激光器的工作原理
固体激光器是一种利用固体材料作为工作物质的激光器，它通
过激发固体材料中的原子或离子，使其产生受激辐射而产生激光。

固体激光器的工作原理主要包括激发、增益、反射和输出四个过程。

首先，固体激光器的工作原理涉及到激发过程。

在固体激光器中，通常采用激发源（如闪光灯、半导体激光二极管等）照射固体
材料，激发固体材料中的原子或离子，使其跃迁至高能级。

这种激
发过程会导致固体材料中的原子或离子处于一个高能级的激发态。

其次，固体激光器的工作原理还涉及到增益过程。

在激发过程中，固体材料中的原子或离子处于高能级的激发态，这时如果有入
射光子与其相互作用，就会引发受激辐射，从而产生激光。

这种受
激辐射会引起原子或离子从高能级跃迁到低能级，释放出更多的光子，使激光光子数目急剧增加，形成所谓的增益。

然后，固体激光器的工作原理还包括反射过程。

在固体激光器中，通常会设置一个光学反射器，用来反射激光。

这种光学反射器
可以将激光反射回固体材料中，使其在其中来回反射，增强激光的
增益效果。

最后，固体激光器的工作原理还涉及到输出过程。

在固体激光器中，设置一个输出镜，用来从激光腔中输出激光。

这种输出镜通常只透过一部分激光，反射大部分激光，使得激光可以从固体激光器中输出。

总的来说，固体激光器的工作原理是通过激发固体材料中的原子或离子，使其产生受激辐射而产生激光。

固体激光器的工作原理涉及到激发、增益、反射和输出四个过程，这些过程共同作用，使得固体激光器能够产生高能、高亮度的激光，被广泛应用于医疗、通信、材料加工等领域。

激光器一般由三个部分组成，固体激光器也不例外：（1）.工作物质这是激光器的核心，只有能实现能级跃迁的物质才能作为激光器的工作物质。

目前，激光工作物质已有数千种，激光波长已由X光远至红外光。

例如氦氖激光器中，通过氦原子的协助，使氖原子的两个能级实现粒子数反转；（2）.激励能源（光泵）它的作用是给工作物质以能量，即将原子由低能级激发到高能级的外界能量。

通过强光照射工作物质而实现粒子数反转的方法称为光泵法。

例如红宝石激光器，是利用大功率的闪光灯照射红宝石（工作物质）而实现粒子数反转，造成了产生激光的条件。

通常可以有光能源、热能源、电能源、化学能源等。

（3）.光学共振腔这是激光器的重要部件，其作用一是使工作物质的受激辐射连续进行；二是不断给光子加速；三是限制激光输出的方向。

最简单的光学共振腔是由放置在氦氖激光器两端的两个相互平行的反射镜组成。

当一些氖原子在实现了粒子数反转的两能级间发生跃迁，辐射出平行于激光器方向的光子时，这些光子将在两反射镜之间来回反射，于是就不断地引起受激辐射，很快地就产生出相当强的激光。

这两个互相平行的反射镜，一个反射率接近100%，即完全反射。

另一个反射率约为98%，激光就是从后一个反射镜射出的。

激光器主要由三部分组成：工作物质、激励能源、谐振腔（共振腔）。

如图：红宝石激光器的基本结构。

——固体激光器一般采用光激励源。

工作物质多为掺有杂质元素的晶体或玻璃。

最常见的固体激光器有红宝石激光器、钕玻璃激光器、掺钕钇铝石榴石激光器等，固体激光器输出能量高，小而坚固，在激光加工、激光武器等方面有重要应用。

激光调Q 的基本原理调Q技术就是通过某种方法使腔的Q值随时间按一定程序变化的技术。

在泵浦开始时使腔处在低Q值状态，即提高振荡阈值，使振荡不能生成，上能级的反转粒子数就可以大量积累，当积累到最大值（饱和值）时，突然使腔的损耗减小，Q值突增，激光振荡迅速建立起来，在极短的时间内上能级的反转粒子数被消耗，转变为腔内的光能量，在腔的输出端以单一脉冲形式将能量释放出来，于是就获得峰值功率很高的巨脉冲激光输出。

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：E n n n x 6330021'γ-= E n n n y 6330021'γ+= e z n n =式中n 0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：ZX y x V n l E n l n n 63306330''22)(2γλπγλπλπϕ∆=⋅=⋅-= 式中V Z 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 Δϕ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V λ/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 V λ/4表示，即：63304/4γλλn V = 对于KD *P 晶体：n 0=1.51 r 63=23.6×10-12m/VT 1 小孔光栏 He-NeT 2 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M 1和M 2构成激光谐振腔，其中M 2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。

Nd:YAG 固体激光器电光调Q、倍频实验一、 实验目的1. 掌握电光调Q 的原理及调试方法；2. 学会电光调Q 装置的调试；3. 掌握相关参数的测量。

二、 实验原理1. 调Q 技术原理调Q 技术中，品质因数Q 定义为腔内贮存的能量与每秒钟损耗的能量之比，可表示为： 每秒钟损耗的激光能量腔内贮存的激光能量02πν=Q （1） 式中0ν为激光的中心频率。

如用E 表示腔内贮存的激光能量，γ为光在腔内走一个单程能量的损耗率。

那么光在这一单程中对应的损耗能量为E γ。

用L 表示腔长；n 为折射率；c 为光速。

则光在腔内走一个单程所需要时间为。

c nL /由此，光在腔内每秒钟损耗的能量为c nL E /γ这样，Q 值可表示为γλπγπν002/2nL nL Ec E Q == （2）式中00/νλc =为真空中激光波长。

可见Q 值与损耗率总是成反比变化的，即损耗大Q 值就低；损耗小Q 值就高。

固体激光器由于存在弛豫振荡现象，产生了功率在阈值附近起伏的尖峰脉冲序列，从而阻碍了激光脉冲峰值功率的提高。

如果我们设法在泵浦开始时使谐振腔内的损耗增大，即提高振荡阈值，振荡不能形成，使激光工作物质上能级的粒子数大量积累。

当积累到最大值（饱和值时），突然使腔内损耗变小，Q 值突增。

这时，腔内会象雪崩一样以极快的速度建立起极强的振荡，在短时间内反转粒子数大量被消耗，转变为腔内的光能量，并在透反镜端耦合输出一个极强的激光脉冲。

在这个过程中，弛豫振荡一般是不会发生的，但是，如果调Q 器件设计及调整得不好也会导致多脉冲出现。

所以，输出光脉冲脉宽窄，峰值功率高。

通常把这种光脉冲称为巨脉冲。

调节腔内的损耗实际上是调节Q 值，调Q 技术即由此而得名。

也成为Q 突变技术或Q 开关技术。

谐振腔的损耗γ一般包括有：54321αααααγ++++= （3）其中1α为反射损耗；α2为吸收损耗；α3为衍射损耗：α4为散射损耗；α5为输出损耗。