实验报告——调Q YAG激光器实验

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:NdYAG激光器的工作原理

2、学习并掌握3:NdYAG激光器调整技术

3、学习声光调Q 3:NdYAG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:NdYAG)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:NdYAG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:NdYAG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:NdYAG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3512YAlO。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:NdYAG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。

聚光腔

为了有效地利用灯的光能，把YAG棒和灯放在一个内壁镀金的空心双椭圆柱面聚光腔中。棒占据双椭圆柱面腔的中心焦线，两灯各占双椭圆柱面腔的一根焦线上。图2表示了这一结构的横截面，不难想象，氪灯发出的光通过双椭圆柱面镜的反射，理论上百分之百到达YAG棒上。在此类激光器中，加到氪灯上的电能只有少量转变成激光能量，其余都变成热能，所以灯和棒都需要散热和冷却。为此，用石英玻璃管分别套上灯和棒，并在腔内通入流动的水，以带走其释放出来的热能。对YAG棒加以密封能够滤去紫外光，防止YAG棒由于紫外光的照射而使其性能逐渐退化。

谐振腔

光学谐振腔是激光器的重要组成部分。它有两个方面的作用：提供光学反馈作用。这是腔内建立和维持激光振荡不可少的。它取决于组成腔的两个反射镜的反射率；反射镜的几何形状及其尺寸。上述因素的改变都会引起光反馈的变化，即引起腔内损耗的变化；对实际振荡光束的限制作用。即控制激光器的特性；光束横向分布，光斑大小，光束发散角及谐振频率。

本实验采用平行平面腔，平镜M1为全反镜，平面镜M2为输出镜。两个腔镜分别装在两个精密的光学调整架上，仔细调节可以使腔镜准直并与YAG棒同轴。当平面腔反射镜不严格平行时，光波损耗增大，光束发散角变大，模式变得更为复杂。腔内工作物质不均匀或谐振腔不稳也将产生类似的影响。而平面镜平面度差，则使激光谱线度变宽。一般平面反射镜的平面度在几分之一波长数量级。

YAG激光器工作过程如下：连续氪灯在触发时，辐射强烈的光谱，经聚光腔聚在YAG棒上，被棒吸收，使棒中3Nd离子激发，形成粒子数反转，产生受激辐射，并在谐振腔内振荡，多次经过激活介质，使光被放大，产生波长为1064nm的连续激光。如在腔内合适放置Q开关，则产生调Q巨脉冲；在腔内或腔外使用KDP倍频晶体，可以产生532nm的倍频激光。

3.3Nd的能谱

3Nd的有关能级图如图3所示，用具有连续光谱的氪灯照射3:NdYAG晶体，3Nd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4F5/2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3Nd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，即使有粒子处于E2，也会很快地弛豫到E1。因此，相对于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的感应辐射在激光谐振腔中得到增益而形成了激光。其波长为1064nm。只要泵浦光存在，3Nd离子的能态就总是处在E1→ E4→E3 →

E2→ E1的循环之中。这是一个典型的四能级系统。

4.Q开关原理

泵浦光源是连续工作的氪灯时，可以不间断地对Nd3+离子的E3和E2能级提供粒子数反转，从而得到连续的激光输出。为了得到脉宽窄而峰值功率高的激光脉冲，可以采用“调Q”方法。在泵浦开始时使谐振腔的损耗增大。即提高振荡阈值，使振荡不能形成，上能级的反转粒子数密度大量积累，当积累到最大值时，突然使谐振腔的损耗变小，值突然增大。激光振荡迅速建立，腔内就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,同时在输出镜端耦合输出一个极强的激光巨脉冲。

声光调Q技术是以声光相互作用所形成的衍射损耗的突变得以实现的。它是一项重要的激光技术，与自由运转的激光输出相比它可以大大压缩光脉冲宽度，从而使输出峰值功率提高二至四个量级。尤其是连续YAG激光器的声光调Q技术应用十分广泛，是获得稳定的高重复率、高峰值功率、短脉冲的重要手段。

如图4所示，当射频电源产生的高频等幅振荡信号加在声光Q开关的换能器上时，换能器产生超声振动，在声光介质内产生机械应力波，引起介质密度呈疏密交替变化，也就是使折射率发生周期变化，形成“相位光栅”。当光束通过声光介质时产生衍射，造成损耗使激光谐振腔的Q值下降。若损耗大于激光工作物质的增益，不能产生振荡，或者说声光Q开关将激光关断。当高频等幅振荡在方波调制的作用下，突然有短暂的（数微秒）停歇时，声光器件内部的衍射也突然消失，使谐振腔Q值突然增大，从而产生调Q巨脉冲。当反转粒子数被消耗减少到激光振荡的阈值粒子数之下时，振荡停止，紧接着高频等幅振荡再次形成，进入下一个循环。

图5表示连续泵浦声光调Q激光器的光脉冲形成与谐振腔Q值、反转粒子数之间的关系。

声光互作用产生的衍射可分为喇曼-奈斯衍射与布拉格衍射两种。它们是根据超声波波长s，光波波长以及声光相互作用长度L的不同而区分的。当2sL时，即当作用距离短、超声频率低、并且入射光与超声传播方向垂直时，产生喇曼-奈斯衍射，衍射光对称地分布在零级光的两侧，通常有若干级。若超声频率提高，声光相互作用距离增加，即2sL，且光束以Bragg角入射时，产生布拉格衍射，这时只产生零级和位于零级光一侧的一级衍射。实际的声光调Q器件都使用布拉格衍射，因为它具有较高的衍射效率。

和2是声光介质内的角度。1级衍射光与0级衍射光在介质外的夹角为2，可近似地表示为：

布拉格衍射效率为：

其中m为相位光栅振幅：

5.光倍频原理

激光倍频技术是将频率为ω的光，通过晶体中非线性作用产生频率为2ω光的技术，有时也叫作二次谐波产生技术。光在介质中的传播时，光波电场引起介质极化，极化强度与光场的关系可表示为：

式中的分别为线性极化率、二次非线性极化率、三次非线性极化率…。在一般情况下，高一阶非线性极化率的大小比相邻的低一阶极化率低7、8个数量级。由（1-5）式可见，当入射光的频率为ω时，在介质内将引起 2ω 3ω…等高次谐波极化强度，从而相应地产生2ω 3ω…等高次谐波的辐射光。根据量子力学理论分析得知，（1-5） 式中的非线性项与线性项的比值可表示为：

式中E原子的为原子内部的平均场强，约为1011V/m。对于普通光源发出的光来说，其光电场E比E原子低几个数量级，因此利用普通光，很难观察到非线性光学现象；而激光器的诞生则给非线性光学带来了生机。由于激光具有极高的亮度，很容易达到1010V/m数量级。所以，伴随激光器的问世，陆续实现了诸如倍频、三次谐波、四波混频等非线性光学现象，并逐渐形成了非线性光学这门新学科。

倍频转换效率表示为：

由上式可以看出，倍频效率与如下诸因素有关： 优值系数2212effdnn，

基频光光强1(0)I

位相匹配因子sin/2//2kLkL

故欲提高转换效率除了选用非线性系数大的晶体，提高基频光强外，位相匹配是很重要的。位相匹配因子是sinc函数，

2(sinc)x与k的关系如图6所示。

若设12xkL，由图中可见如果L为不等于零的某确定值，只有当0k时，才最大，当0k时，随12kL逐渐增加，将按2[sinc(/2)]kL规律减小。0k时，位相匹配因子有极大值，最大；0k位相匹配因子皆比1小，甚至为零。通常把0k满足的条件为位相匹配条件；而0k，则称为位相失配。

根据式

其中

所以

由（1-7）式知，只有时，才能实现位相匹配。

由于，则有，其中是基频光波在非线性介质中的速度，同时也是倍频极化波在非线性介质中的速度，而是倍频光波在非线性介质中的速度。要求即意味着要求倍频极化波同倍频光波同步前进，这样基频光波沿途激起的非线性振子发射的倍频光波彼此之间都有相同位相，因此满足干涉增强的条件，从而输出倍频光最强。

根据光的色散理论，介质在正常色散范围内，光波频率越高，其折射率越大。因此在各向同性介质中无法用简单方法实现位相匹配。在各向异性介质中，介质除具有色散的性质外，同时还具有双折射的特性，即对于同一频率的寻常光和非常光除沿光轴方向传播有相同的折射率外，在其它任何方向上传播折射率都不相同，且折射率之差随传播方向和晶体温度而改变，这样就有可能利用双折射来抵消由于色散引起的不同频率光波的折射率的变化。在工程上常用如下两种方法实现上述目的。

角度位相匹配是使光波在晶体中某一特定方向上传播，该方向上应满足，为了寻找该特定的方向，使用折射椭球是很方便的。

除了角度相位匹配方法外，在改变晶体温度时，由于其和都发生变化，可能在某一温度下，实现。此时，入射基频光沿着垂直光轴的方向传播，也可实现相位匹配。

三、实验内容

1、调整光路，使连续YAG激光器工作；

2、在倍频情况下，分别观察调Q与不调Q状态下，倍频光的强度；

3、观察YAG激光器激光定标的基本操作流程.

四、调研激光器的最新应用

1.激光聚变系统

激光问世后不久，世界各国科学家即考虑利用高功率激光压缩和点燃少量氘氚燃料的可能性。经过多年研究，人们已经认识到激光聚变可获得巨大的能源及其具有的重大军事应用价值[1]。利用激光点燃核聚变的系统,就称之为激光聚变系统,最具代表性的就是美国的国家点火装置。

在激光聚变研究中，钕玻璃激光器是迄今技术最成熟、发展水平最高、使用最广、贡献最大的激光器，是现代点火驱动器的最佳候选者。

美国国家点火装置（NIF）（即激光聚变装置），由位于美国加利福尼亚州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室研制。该计划自1994年开工以来延期了很多次，它最终的目标是2010年实现聚变反应，并达到平衡点，即激光在聚变反应中产生的能量大于它们所消耗的能量。该计划建造和运行花费超过35亿美元，容纳NIF装置的建筑物长215米，宽120米，相当于三个足球场。