固体激光器及其调Q工作原理

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。

固体激光器原理及应用固体激光器是一种使用固态材料作为工作介质，利用吸收外部能量激发材料内部电子跃迁产生激光的器件。

其原理基于材料内部的电子能级结构，通过能量输入使电子能级发生跃迁，产生一束高强度、窄谱线、准单色的激光束。

固体激光器具有激光输出稳定、寿命长、重复频率高、输出功率大等优点，因此在许多领域有着广泛的应用。

固体激光器的工作原理可以分为三个基本步骤：激发、放大和输出。

首先，通过能量输入使材料内部的电子从基态跃迁至激发态，形成一个激发态的粒子团。

其次，通过适当的增益介质，激发态粒子发生受激辐射过程，产生激光并且放大。

最后，通过激光输出装置将激光束从增益介质中输出。

固体激光器的工作介质一般是由具有合适外加激励源的能级结构的晶体或玻璃组成。

常用的材料有Nd:YAG（氧化钇铝铈钕）、Nd:YLF（钇铝石榴石）、Nd:YVO（钇钕钒酸盐）和Ti:sapphire（蓝宝石）等。

这些材料具有良好的耐热性、光学性能和谐振特性。

固体激光器的应用相当广泛。

在科学研究领域，固体激光器常用于物理、化学、生物学等学科中的实验室研究。

其高可靠性和稳定性使其成为激光生物学、光谱学和光物理学等领域的基础工具。

此外，固体激光器在通信领域也有着重要的地位。

特别在光纤通信系统中，固体激光器可以作为光源产生高质量的激光信号，用于传输和接收数据。

固体激光器还在制造业中得到广泛应用。

例如，固体激光器在激光切割、焊接和打标等加工过程中发挥着重要角色。

其高功率和高能量脉冲使其成为材料切割和焊接的理想工具。

此外，固体激光器还可以应用于材料精细处理、纳米加工和激光显微技术等领域，为制造业提供了更加高效和精确的加工手段。

此外，固体激光器还用于医疗领域。

例如，激光手术中使用的激光刀就是一种固体激光器。

固体激光器可以提供高能量和高精确性的激光束，用于切割、热凝固和热疗等医疗操作。

它在眼科手术、皮肤整形和癌症治疗等领域中有着广泛应用。

总之，固体激光器以其稳定的输出功率、高效的能量转化和丰富的应用领域而受到广泛关注和应用。

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。

固态激光器的工作原理激光器作为一种重要的光学器件，在现代科技和工业应用中起到了至关重要的作用。

固态激光器作为其中的一种类型，在多个领域中展现出了广泛的应用前景。

本文将详细介绍固态激光器的工作原理，以及其在科学研究、医疗、通信等方面的应用。

一、固态激光器的基本构成和工作原理固态激光器由一个激光介质和一个泵浦源组成。

激光介质是固体材料，常见的材料包括Nd:YAG（氧化铝掺杂钕）、Nd:YVO4（钇钒酸钕）等。

泵浦源通常采用光源或者其他激光器来提供能量，使激光介质中的掺杂离子处于激发态。

1. 光子吸收与激发当泵浦光进入激光介质时，它与激光介质中的掺杂离子相互作用。

这种相互作用导致掺杂离子从基态跃迁到激发态，吸收入射光子的能量。

这种能量吸收过程是固态激光器工作的起点。

2. 辐射与受激辐射当掺杂离子处于激发态时，它会逐渐失去能量。

在这个过程中，掺杂离子通过辐射的形式传递能量，并以光子的形式释放出来。

这些光子的能量是特定波长和频率的激光光子，具有相同的相位和方向，符合激光的特性。

3. 扩散与增益当释放的激光光子经过多次的反射和扩散后，在固态激光器的谐振腔内产生共振放大。

在这个过程中，激光光子不断增加，并形成强大的激光束。

这种过程是通过谐振腔中的镜面反射实现的，其中一个镜子是部分透明的，用于输出激光。

二、固态激光器的应用固态激光器具有紧凑、高效、可靠等特点，因此在科学研究、医疗、通信等领域有广泛的应用。

1. 科学研究固态激光器在科学研究中扮演着重要角色。

其激光束的窄带宽和高功率使得它成为细分光谱研究、原子物理、分子光谱学等领域的理想工具。

此外，固态激光器还广泛应用于量子光学研究、量子计算和量子通信等领域。

2. 医疗器械固态激光器在医疗领域有着广泛的应用。

激光切割、激光刻蚀、激光焊接等技术在现代医疗器械的制造过程中发挥着重要作用。

此外，激光手术、激光疗法等应用也在眼科手术、皮肤整形和癌症治疗等方面展现出了巨大的潜力。

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。