聲光調(diào)Q倍頻YAG激光器實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)十二聲光調(diào)Q倍頻YAG激光器實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1掌握聲光調(diào)Q連續(xù)激光器及其倍頻的工作原理;(2學(xué)習(xí)聲光調(diào)Q倍頻激光器的調(diào)整方法;(3了解聲光調(diào)Q固體激光器的靜態(tài)和動態(tài)特性,并掌握測試方法;(4學(xué)習(xí)倍頻激光器的調(diào)整方法。二、實(shí)驗(yàn)原理聲光調(diào)Q倍頻連續(xù)YAG激光器的工作原理(1聲光調(diào)Q基本原理: 圖12-1 聲光調(diào)制器工作原理聲光調(diào)制器是由石英晶體、鈮酸鋰、或重火石玻璃做為聲光介質(zhì),通過電聲換能器(壓電晶體將超聲波耦合進(jìn)去,在聲光介質(zhì)中產(chǎn)生超聲波光柵。超聲波光柵將介質(zhì)的折射率進(jìn)行周期性調(diào)制,從而進(jìn)一步形成折射率體光柵。如圖12-1所示。光柵公式如下式2sin S B n=(1式(1中,s 為聲光

2、介質(zhì)中的超聲波波長,B 為布拉格衍射角,為入射光波波長,n 為聲光介質(zhì)的折射率。當(dāng)入射光以布拉格角入射時,出射光將被介質(zhì)中的體光柵衍射到一級衍射最大方向上。利用聲光介質(zhì)的這種性質(zhì),可以對激光諧振腔內(nèi)的光束方向進(jìn)行調(diào)制。當(dāng)加入聲光調(diào)制信號時,光束偏轉(zhuǎn)出腔外,不能在腔內(nèi)形成振蕩,即此時為高損耗腔。在此期間泵浦燈注入給激活介質(zhì)(激光晶體的能量儲存在激光上能級,形成高反轉(zhuǎn)粒子數(shù)。當(dāng)去掉聲光調(diào)制信號時,光束不被偏轉(zhuǎn),在腔內(nèi)往返,形成激光振蕩。由于前面積累的高反轉(zhuǎn)粒子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過激光閾值,所以瞬時形成脈沖激光輸出,從而形成窄脈寬、高能量的激光脈沖。聲光調(diào)Q 激光器工作在幾千周到幾十千周的調(diào)制頻率下,所以可以

3、獲得高重復(fù)率、高平均功率的激光輸出。(2倍頻器件工作原理: 圖12-2 倍頻晶體折射率橢球及通光方向示意圖由于晶體中存在色散現(xiàn)象,所以在倍頻晶體中的通光方向上,基頻光與倍頻光所經(jīng)歷的折射率n 與2n 是不同的。圖12-3給出了一個單軸晶體的色散及1064nm 倍頻匹配點(diǎn)的折射率關(guān)系曲線。 R e f r a g t i v e I n d e x (m m圖12-3 單軸晶體色散曲線及倍頻原理示意圖圖12-3中的實(shí)線代表了尋常光的折射率,點(diǎn)劃線代表了非常光的折射率,中間的點(diǎn)線則代表了非常光在改變?nèi)肷涔饨嵌葧r得到的折射率。由圖中可以看出,當(dāng)改變晶體中入射光的角度,中間的非常光折射率曲線隨之變化,

4、在如圖的位置上,可以實(shí)現(xiàn)1064nm 的倍頻。即在特定的通光方向上,532nm 的倍頻光與1064nm 的基頻光折射率可以實(shí)現(xiàn)相等,實(shí)現(xiàn)倍頻的相位匹配。對于雙軸晶體其相位匹配的計(jì)算較為復(fù)雜,這里不詳細(xì)論述。其相位匹配原理都是相同的。(3倍頻效率:設(shè)為基頻光,2為倍頻光,則由理論計(jì)算可以得到倍頻的效率為2222222220sin 822effSHG kL L d I I kL I n n c =(2 式(2中I 為基頻光光強(qiáng),2I 為倍頻光光強(qiáng),L 為晶體長度,eff d 為晶體倍頻有效非線性系數(shù),n 為基頻光折射率,2n 為倍頻光折射率,123k k k k =+-為三波互作用時的波矢量失配。

5、由公式給出的倍頻效率是一個Sinc 平方函數(shù),當(dāng)k =0時效率達(dá)到最大值,失配量在的整數(shù)倍時達(dá)到最小值。-9.42-6.28-3.140.00 3.14 6.289.420.00.20.40.60.81.0s i n c (k L /22kL/2圖12-4 倍頻效率的sinc 平方函數(shù)圖三、實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖12-5所示。這是一臺內(nèi)腔倍頻、連續(xù)氪燈(單燈泵浦、聲光調(diào)Q 的YAG 激光器。不加倍頻元件可以輸出1064nm 波長的近紅外高功率激光。當(dāng)腔內(nèi)放置倍頻晶體時,如采用倍頻效率較高的KTP (磷酸二氫鉀晶體,就可以產(chǎn)生532nm 波長的倍頻綠光輸出。 圖12-5 聲光調(diào)Q連續(xù)YAG倍頻激光

6、器示意圖由于倍頻效率與基頻激光的峰值功率平方成正比,所以為了有效地產(chǎn)生高效率的倍頻輸出,在YAG腔內(nèi)采用了聲光調(diào)Q裝置,其作用可以將連續(xù)振蕩的1064nm基頻光變換成10KHz左右的高重復(fù)頻率脈沖激光,脈沖寬度在150nS 左右。由于具有重復(fù)頻率和峰值功率高的特點(diǎn),所以可以獲得高平均功率的倍頻綠光輸出。實(shí)驗(yàn)裝置中采用5mW的氦氖激光器做為準(zhǔn)直光源。諧振腔后面采用的全反鏡為1064nm高反。倍頻輸出鏡為1064nm高反和532nm高透雙色鏡。1064nm 基頻光在腔內(nèi)形成振蕩且不直接輸出到腔外。在腔內(nèi)放置KTP晶體做為倍頻器件,將1064nm基頻光轉(zhuǎn)換為532nm倍頻光,并通過倍頻輸出鏡獲得輸出

7、。本實(shí)驗(yàn)中,在腔內(nèi)還放置了一塊諧波反射鏡,上面鍍有1064nm高透、532nm高反,使獲得的后向倍頻光再次反射回倍頻輸出鏡處并得到輸出,從而進(jìn)一步提高了倍頻輸出效率。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）仔細(xì)反復(fù)調(diào)整激光器中反射鏡、聲光 Q 開關(guān)、KTP 倍頻晶體，使之 降低閾值達(dá)到最佳工作狀態(tài)。 （2）觀察聲光調(diào) Q 連續(xù) YAG 倍頻激光器的工作特點(diǎn)。 （3）比較有調(diào) Q 作用和無調(diào) Q 作用時倍頻輸出明顯的差別。 （4）測量倍頻激光器綠光輸出的脈沖寬度和波形。 （5）觀察不同聲光調(diào)制頻率下綠光輸出功率的變化。 （6）轉(zhuǎn)動倍頻晶體角度觀察倍頻輸出功率變化。 *（7）估算倍頻激光器的倍頻效率。 五、實(shí)驗(yàn)步驟 （

8、1）用氦氖激光器調(diào)整光路，使所有反射面都與光軸垂直，達(dá)到諧振腔的 腔鏡平行。重點(diǎn)是光路中的激光棒端面、聲光 Q 開關(guān)端面、全反鏡和倍頻輸出 鏡。這是保證有效產(chǎn)生高功率基頻光振蕩的首要條件。 （2）通冷卻水后，小心設(shè)定連續(xù)激光電源的最小工作電流，開啟電源使連 續(xù)氪燈工作在最小孤光放電狀態(tài)。 （3）打開激光功率計(jì)，并調(diào)零，設(shè)定探測波長為 532nm 檔。開啟聲光調(diào) Q 驅(qū)動電源，調(diào)整聲光調(diào)制功率。一般應(yīng)結(jié)合激光功率進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)激光功率 較小時調(diào)制功率亦小，調(diào)制功率不宜設(shè)定過高，以達(dá)到最高效率為準(zhǔn)。先將聲 光調(diào)制 頻率設(shè) 定為 7KHz 左右， 進(jìn)行 觀察 ，然后 再改變 聲光 調(diào) 制頻率從 7KH

9、z20KHz，觀察綠光輸出功率的變化。 （4）對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（3）進(jìn)行觀察和熟悉。 （5）用分辨率小于 100nS 的示波器和綠光響應(yīng)的高速光電二級管探測觀 察聲光調(diào) Q 倍頻綠光輸出的波形。可將激光調(diào)整到較小，或?qū)⒕G光激光打到物 體的反射面上探測其反射光即可。不可直接將探測器對準(zhǔn)綠光進(jìn)行探測，否則 會造成探測器的損壞。 （6） 繪制不同聲光調(diào)制頻率下的綠光輸出功率曲線， 注意標(biāo)明激光工作條 件（激光電源驅(qū)動電流、聲光調(diào)制器驅(qū)動電流） 。 （7）KTP 晶體屬于雙軸晶體，實(shí)驗(yàn)中采用 II 類相位匹配，其 1064nm 的 倍頻最佳相位匹配角為 = 90o ， = 23.2o 。稍微轉(zhuǎn)動晶體的方位角

10、 ，記錄輸 出功率隨晶體角度變化的曲線。理論計(jì)算應(yīng)為一 Sinc 平方曲線。用氦氖激光器 垂直入射晶體表面，在一定距離上觀察晶體表面反射光點(diǎn)的位置，以計(jì)算出晶 體與光軸的夾角。 * （8） 測量倍頻效率。 先將倍頻晶體和諧波反射鏡取出， 用一波長在 1064nm 處反射率為 90%的鏡片取代倍頻輸出鏡，以形成一 1064nm 連續(xù)激光諧振腔， 先測量只有 1064nm 激光輸出的功率。將晶體、諧波反射鏡、倍頻輸出鏡放回 導(dǎo)軌上，形成內(nèi)腔倍頻諧振腔，再測量倍頻輸出的綠光功率。用綠光功率除以 基頻光功率，以估算出倍頻效率。注意：此時測量的基頻光功率為估算值，實(shí) 際還應(yīng)考慮電源到激光的效率。 重要提

11、示： 重要提示 1） 連續(xù)激光器的電源功率最大輸出在千瓦以上， 由于固體激光器效率只有 百分之幾， 大部分都轉(zhuǎn)換為熱量， 所以一定要先開啟冷卻水然后方可進(jìn)行操作， 否則晶體和氪燈會發(fā)生損壞。 2）由于 1064nm 基頻光都在腔內(nèi)振蕩沒有輸出，所以腔內(nèi)功率密度很高， 很容易打壞光學(xué)元件，所以一定要保證通光光路中沒有切光，特別是 KTP 晶體 要對正通光中心。 3） 激光脈寬探測器是價(jià)值較高的高速響應(yīng)及高靈敏度光電二極管， 不可直 接將激光輸出打在上面。只能探測強(qiáng)光打在物體上的散射光。 六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告 1）描述聲光調(diào) Q 內(nèi)腔倍頻 YAG 激光器的工作原理。 2）有聲光調(diào) Q 與無聲光調(diào) Q 作用時的綠光輸出現(xiàn)象和記錄。 3）脈寬