固體激光器綜合實(shí)驗(yàn)資料

實(shí)驗(yàn)一固體激光器綜合實(shí)驗(yàn)一.主要功能和特點(diǎn)此套系統(tǒng)適用于光信息科學(xué)與技術(shù)、電子科學(xué)與技術(shù)、應(yīng)用物理等相關(guān)專業(yè)。可測(cè)量閾值、轉(zhuǎn)換效率，倍頻效率等參量，開設(shè)電光調(diào)Q,選模等實(shí)驗(yàn)。使學(xué)生全面了解激光原理和激光技術(shù)，掌握電光調(diào)Q系統(tǒng)的調(diào)試方法。電光調(diào)Q固體脈沖激光器外罩機(jī)殼，整體美觀大方，并可保護(hù)內(nèi)部裝置。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，采用內(nèi)置三角導(dǎo)軌，具有良好的穩(wěn)定性。所有器件均采用標(biāo)準(zhǔn)件，互換性強(qiáng)，并且都可以拆卸，便于學(xué)生動(dòng)手裝調(diào)。本裝置的準(zhǔn)直光源采用650nmLD代替?zhèn)鹘y(tǒng)的He-Ne激光器，具有體積小、使用安全、調(diào)節(jié)方便、光強(qiáng)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。本裝置采用脈沖氙燈泵浦Nd3弋YAG輸出1064nm激光，經(jīng)倍頻后可以輸出532nm激光。采用KD*P電光晶體進(jìn)行電光調(diào)Q，可實(shí)現(xiàn)ns級(jí)脈寬激光的輸出。二：實(shí)驗(yàn)原理（一）：激光原理簡(jiǎn)介1：激光原理（1）自發(fā)輻射根據(jù)已知的理論，原子只能存在分立的能態(tài)，處在不同能態(tài)的原子具有不同的能量。若原子處于內(nèi)部能量最低的能量狀態(tài)，稱此原子處于基態(tài)，其它比基態(tài)能量高的狀態(tài)，都叫做激發(fā)態(tài)。在熱平衡時(shí)，材料中處于下能態(tài)的原子數(shù)遠(yuǎn)比上能態(tài)的多，電磁波與其發(fā)生作用，能使原子從低能級(jí)上升到高能級(jí)。這種原子在兩個(gè)能級(jí)之間的變化叫做躍遷?？梢哉f，處于基態(tài)的原子，從外界吸收能量以后，將躍遷到能量較高的激發(fā)態(tài)。在高能態(tài)上的原子是不穩(wěn)定的，它總是力圖使自己處于最低的能量狀態(tài)；即使在沒有任何外界作用的情況下，它也有可能從高能態(tài)E2躍遷到低能態(tài)并把相應(yīng)的能量釋放出來。這種在沒有外界作用的情況下，原子從高能態(tài)向低能態(tài)的躍遷方式有兩種：一種是在躍遷過程中，釋放的能量以熱量的形式放出，這稱為無輻射躍遷；另一種躍遷過程中，釋放出的能量是通過光輻射的形式放出，這稱為自發(fā)輻射躍遷。輻射的光子能量滿足波爾關(guān)系：E2-弓二加1 （1.1）圖2.1自發(fā)輻射圖2.2受激吸收?qǐng)D2.3受激輻射原子自發(fā)輻射的特點(diǎn)是原子的自發(fā)輻射幾率a21只與原子本身性質(zhì)有關(guān)，與外界輻射場(chǎng)無關(guān)。即原子自發(fā)輻射是完全隨機(jī)的，各個(gè)原子在自發(fā)躍遷中彼此無關(guān)，這樣產(chǎn)生的自發(fā)輻射光在相位、偏振態(tài)以及傳播方向上都是雜亂無章的，光能量分布在一個(gè)很寬的頻率范圍內(nèi)。（2） 受激吸收當(dāng)原子系統(tǒng)受到外來的能量為hY21的光子照射時(shí)，如果hY21=E2-E1，則處于低能態(tài)E1上的原子受到激發(fā)，躍遷到高能態(tài)E2上去，同時(shí)吸收一個(gè)能量為hY21的光子，這種過程稱為光的受激吸收。原子的受激吸收幾率與外來的光輻射能量密度p（v）的數(shù)值大小有關(guān)，p（v）越大，幾率W12就越大。所以，與自發(fā)輻射幾率不同，原子的受激吸收幾率是隨p（v）而變化的。（3） 受激輻射在光的受激吸收過程的同時(shí)，還有一個(gè)相反的過程，即當(dāng)原子受到外來的能量為hY21的光子照射時(shí)，如果hY21=E2-E1，則處在高能態(tài)E2上的原子也會(huì)受到外來的能量為hy2危勺光子的誘發(fā)，而從高能態(tài)E2躍遷到低能態(tài)e1上去。這時(shí)原子將發(fā)射一個(gè)和外來光子能量相同的光子，這種過程叫做受激輻射。有這種輻射過程產(chǎn)生的光便是激光⑺。在激光器中，外部泵浦源使激光材料中的粒子（原子）從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，即泵浦輻射導(dǎo)致“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。使頻率適中的電磁波入射到該“反轉(zhuǎn)”的激光材料上，入射光子將使高能級(jí)的原子降落回低能級(jí)而發(fā)射出附加的光子，形成光波放大。最終，能量從原子系統(tǒng)萃取出來，供給到輻射場(chǎng)。這一切都是以之前所述的原子系統(tǒng)受激吸收一一受激輻射一系列機(jī)制為根據(jù)的。簡(jiǎn)言之，當(dāng)材料受到激勵(lì)，使得它的原子（分子）在高能級(jí)的分布多于低能級(jí)時(shí)，該材料就能夠以與能級(jí)差相應(yīng)的頻率使輻射放大，從而產(chǎn)生激光⑺。2:調(diào)Q技術(shù)原理1）調(diào)Q的意義普通脈沖固體激光器輸出的脈沖，是由許多振幅、脈寬和間隔作隨機(jī)變化的尖峰脈沖組成的，如圖2.1。

每個(gè)尖峰的寬度約為0.1-1〃s,間隔為微秒量級(jí)，脈沖序列的長(zhǎng)度大致與閃光燈泵浦時(shí)間相等，淀3S盥騷舞轍每個(gè)尖峰的寬度約為0.1-1〃s,間隔為微秒量級(jí)，脈沖序列的長(zhǎng)度大致與閃光燈泵浦時(shí)間相等，淀3S盥騷舞轍?回小鬢??裁小米調(diào)Q能夠抑制弛豫振蕩，將輸出激光的脈寬從微秒量級(jí)壓縮到納秒量級(jí)，從而大大提高峰值功率。調(diào)Q的原理從激光產(chǎn)生的原理得知，激光器振蕩的閾值條件可以表示為△,N 」 (2.1)21c而C=幺，所以c2兀v- 、g2兀叫'A-D一(2.2)21式中g(shù)是模式數(shù)目，A21是自發(fā)輻射幾率，T是光子在腔內(nèi)的壽命。我們引入品質(zhì)因數(shù)Q，將它定義為㈤CQ (腔內(nèi)存儲(chǔ)的能量)Q=2nv0〔每秒損耗的能量J式中，v0為激光的中心頻率。用W表示腔內(nèi)

存圖2?2Q開關(guān)激光脈沖建立過程儲(chǔ)的能量Q表示光在腔內(nèi)傳播單次能量的損耗率，那么光在一個(gè)單程中的能量損耗為0W。設(shè)L為腔長(zhǎng)，n為介質(zhì)折射率，c為光速，則光在腔內(nèi)走一單程所需的時(shí)間為nL/c。由此，光在腔內(nèi)每秒鐘損耗的能量為5*。這樣，Q值就可表示為nL/c=2"-^-o=2"-^-o5Wc/nL2兀nL~5k~0（2.3）式中，人0為真空中激光中心波長(zhǎng)。由（2.2）式和（2.3）式可見，當(dāng)人和L一定時(shí)，Q值與諧振腔損耗成反比，即損耗大，Q值就低，閾值高，不易起振；當(dāng)損耗小，Q值就高，則閾值低，易于起振。由此提高振蕩閾值，振蕩不能形成，使激光工作物質(zhì)上能級(jí)的粒子數(shù)大量積累。當(dāng)積累到最大值，突然使腔內(nèi)損耗變小，Q值突增。這時(shí)，腔內(nèi)會(huì)像雪崩一樣以極快的速度建立起極強(qiáng)的振蕩，在短時(shí)間內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大量被消耗，轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)的光能量，并在輸出鏡一端輸出一個(gè)極強(qiáng)的激光脈沖，我們稱之為巨脈沖。3）調(diào)Q激光的建立調(diào)Q技術(shù)就是通過某種方法（如改變損耗）使腔的Q值隨時(shí)間按一定程序變化的技術(shù)。在泵浦開始時(shí)使腔處于低Q值狀態(tài)，即提高振蕩閾值使振蕩不能形成，上能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)就可以大量積累，能量可以儲(chǔ)存的時(shí)間決定于激光上能級(jí)的壽命；當(dāng)積累到最大值（飽和值）時(shí)，突然使腔的損耗減少，Q值突增，激光振蕩迅速建立起來，在極短的時(shí)間內(nèi)上能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)被消耗，轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)的光能量，從腔的輸出端以單一脈沖形式釋放出來，于是就獲得峰值功率很高的巨脈沖。調(diào)Q激光脈沖的建立過程，各參量隨時(shí)間的變化情況，如圖2.2所示。圖（a）表示泵浦速率wp隨時(shí)間的變化；圖（b）表示腔的Q值是時(shí)間的階躍函數(shù)；圖（c）表示粒子反轉(zhuǎn)數(shù)An的變化；圖（d）表示腔內(nèi)光子數(shù)4隨時(shí)間的變化。在泵浦過程的大部分時(shí)間里諧振腔處于低Q值（Q。）狀態(tài)，故閾值很高不能起振，從而激光上能級(jí)的粒子數(shù)不斷積累，直到％時(shí)刻，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達(dá)到最大值A(chǔ)n.，在這一時(shí)刻，Q值突然升高（損耗下降），振蕩閾值隨之降低，于是激光振蕩開始建立。由于An=A\（閾值粒子反轉(zhuǎn)數(shù)），因此受激輻射增強(qiáng)非常迅速，激光介質(zhì)存儲(chǔ)的能量在極短的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芗ぽ椛鋱?chǎng)的能量，結(jié)果產(chǎn)生了一個(gè)峰值功率很高的窄脈沖。由圖還可看出，調(diào)Q脈沖的建立還有個(gè)過程，當(dāng)Q值階躍上升時(shí)開始振蕩，在r='振蕩開始建立至以后一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間過程中，光子數(shù)4增長(zhǎng)十分緩慢，如圖2.3所示，其值總是很?。╚-^），受激輻射幾率很小，此時(shí)仍是自發(fā)輻射占優(yōu)勢(shì)。只有振i蕩持續(xù)到t=tD4增長(zhǎng)到了4D，雪崩過程才形成4才迅速增大，受激輻射才迅速超過自發(fā)輻射而占圖2.3從開始震蕩到脈沖形成優(yōu)勢(shì)。因此，調(diào)Q脈沖從振蕩開始建立到巨脈沖激光形成需要一定的延遲時(shí)間&（也就是Q開關(guān)開啟的持續(xù)時(shí)間）。光子數(shù)的迅速增長(zhǎng)，使俱迅速減少，到t。，時(shí)亥U，An=△%，光子數(shù)達(dá)到最大值4^之后，由于An〈An,，則4迅速減少此時(shí)An=An,，為振蕩終止后工作物質(zhì)中剩余的粒子數(shù)?？梢姡{(diào)Q脈沖的峰值是發(fā)生在工作物質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)等于諧振腔的閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)（An=AnQ的時(shí)刻。綜上，既然諧振腔的Q值與損耗8成反比，那么只要按照一定的規(guī)律改變諧振腔的5值，就可以使Q值發(fā)生相應(yīng)的變化；而諧振腔的損耗包括反射損耗、衍射損耗、吸收損耗等，這樣，我們便可以通過各種不同的方式控制不同類型的損耗變化，如此，就形成了種種不同的調(diào)Q技術(shù)。如電光調(diào)Q、聲光調(diào)Q、機(jī)械轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q、可飽和吸收調(diào)Q等。而在本文中，我們將只對(duì)電光Q開關(guān)的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行探討。3晶體的電光效應(yīng)光在介質(zhì)中的傳播規(guī)律受到介質(zhì)折射率的分布情況的限制，而介質(zhì)折射率的分布與其介電常數(shù)密度相關(guān)。理論和實(shí)踐均證明：晶體的介電常數(shù)與加在晶體上的電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。所以，當(dāng)加在晶體上的電場(chǎng)變化時(shí)，隨之將引起晶體折射率的變化，結(jié)果將導(dǎo)致光波在其中傳播規(guī)律的改變。外電場(chǎng)的變化引起介質(zhì)光學(xué)性能——折射率變化的現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)。該過程中，通過晶體的光波兩分量產(chǎn)生位相差，偏振方向發(fā)生變化。如圖2.4。圖2.4縱向電光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)下面，以KD*P晶體的縱向電光效應(yīng)為例進(jìn)行介紹。KD*P晶體屬于四方晶系42m晶類，光軸C與主軸Z重合。未加電場(chǎng)時(shí)，在主軸坐標(biāo)系中，其折射

率橢球方程為:TOC\o"1-5"\h\z%2+y2+三=1 (2.4)n2 n2其中，氣、ne分別為尋常光和非尋常光的折射率。加電場(chǎng)后，由于晶體對(duì)稱性的影響，42m晶類只有Y,Y兩個(gè)獨(dú)立的線性電光系數(shù)。y是電場(chǎng)方向平行于光軸的電光系數(shù)，y|是電場(chǎng)方向垂直于光軸63 41 63 41的電光系數(shù)。KD*P晶體加外電場(chǎng)后的折射率橢球方程是.X2+y2z2\o"CurrentDocument"+ +2y(Eyz+Exz)+2yExy=1 (2.5)n2n2 41X y 63Z0 e當(dāng)只在KD*P晶體光軸z方向加電場(chǎng)時(shí)上式變成：x2+y2z2 + +2yExy=1 (2.6)n20 n2e經(jīng)坐標(biāo)變換，可求出此時(shí)在三個(gè)感應(yīng)主軸上的主折射率:1nx=n-2n3yE(2.7)1(2.7)n=n+—n3yEn=ny02063zz， e上式表明，在％作用下KD*P變?yōu)殡p軸品體，折射率橢球的xy截面有圓變?yōu)闄E圓，橢圓的長(zhǎng)短軸方向x‘、y’相對(duì)于原光軸x、y轉(zhuǎn)了45°，轉(zhuǎn)角大小與外加電場(chǎng)大小無關(guān)，長(zhǎng)、短半軸的長(zhǎng)度即n,和n。由上式可看出它們的大小與Ez成線性關(guān)系，電場(chǎng)反向時(shí)長(zhǎng)短軸互換，如圖2.5。圖2.5KD圖2.5KD松Y63縱向效應(yīng)當(dāng)光沿KD*P光軸z方向傳播時(shí)，在感應(yīng)主軸x‘、y’兩方向偏振的光波分量，由于此時(shí)晶體在這兩者方向上的折射率不同，經(jīng)過長(zhǎng)度為l的晶體后產(chǎn)生位相差：8=W(n-n)l==YV (2.8)式中V=El為加在晶體z向兩端的直流電壓。使光波兩個(gè)分量產(chǎn)生位相差七2所需要加的電壓，稱為“七4電壓”，以V表示，即"'2V=一-一 （2.9）零2 4n3Y63KD*P晶體的光電系數(shù)y63=23.6x10-12m/V對(duì)于人=1.0〃m、KD*P晶體的巳=4000V左右。4電光Q開關(guān)1）泡克耳斯盒Q開關(guān)可利用的電光效應(yīng)有兩種，即泡克耳斯效應(yīng)和克爾效應(yīng)。前者發(fā)生于無點(diǎn)對(duì)稱中心的晶體內(nèi)，后者則發(fā)生在某些液體中⑹；而利用泡克耳斯效應(yīng)制成的電光盒成為泡克耳斯盒。泡克耳斯盒所需要的電壓僅為克爾盒的1/10-1/5，它是Q開關(guān)脈沖激光器使用得最多的有源器件。一般在脈沖固體激光器中常用的電光調(diào)Q裝置經(jīng)常采用如圖2.6所示的結(jié)構(gòu)：由2、3、4三部分組成的電光調(diào)Q裝置位于工作物質(zhì)和全反射鏡之間，夾在兩塊偏振片中間的是泡克耳斯電光盒。全反鏡2.檢偏器3.泡克耳斯盒4.起偏器5.Nd:YAG激光棒6：輸出鏡圖2.6在固體激光器中加入泡克耳斯盒調(diào)Q裝置示意圖在這種結(jié)構(gòu)中，泡克耳斯盒既可用作加壓式Q開關(guān)，當(dāng)除去虛線框內(nèi)的檢偏器后也可用作退壓式調(diào)Q。泡克耳斯盒分為兩類：一種是加縱向電場(chǎng)，此類泡克耳斯盒Q開關(guān)中，施加的電場(chǎng)與入射光束的方向相同，平行于晶體的光軸；另一種是加橫向電場(chǎng)，在這種結(jié)構(gòu)中，電場(chǎng)垂直于光束的傳播方向，半波電壓取決于晶體的厚度與長(zhǎng)度之比，這種方式有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即選擇適當(dāng)?shù)木w幾何尺寸，就可以使外加電壓明顯低于縱向加電的電壓。應(yīng)用前一種結(jié)構(gòu)的主要有KD*P晶體；應(yīng)用后一種結(jié)構(gòu)的主要有LN晶體。2）電光Q開關(guān)（1）泡克耳斯盒作退壓調(diào)Q以帶起偏振器的KD*P電光Q開關(guān)為例進(jìn)行說明。帶起偏振器的KD*P電光Q開關(guān)，是一種啟用較早、應(yīng)用較廣泛的電光品體調(diào)Q裝置，其特點(diǎn)是利用一個(gè)偏振器兼作起偏和檢偏，偏振器可采用方解石格蘭一傅克棱鏡，也可用介質(zhì)膜偏振片。其裝置如圖2.7所示。因?yàn)镵D*P容易潮解，故需要放在密封盒內(nèi)使用，通常采用縱向加壓。帶起偏器的KD*P電光Q開關(guān)工作過程如下：翻鹿 偏振片 菠圖2.7帶起偏器的調(diào)Q激光器原理圖YAG棒在氙燈的激勵(lì)下產(chǎn)生無規(guī)則光輻射，通過偏振器后成為線偏振光，起偏方向與KD*P晶體的晶軸x（或y）方向一致，并在KD*P上施加一個(gè)V、的外加電場(chǎng)。由于外加電場(chǎng)的作用，主軸方向會(huì)發(fā)生變化，分別變?yōu)閤’和）’，且與入射偏振方向成45°。這時(shí)調(diào)Q晶體起）；波片的作用，這樣，線偏振光通過晶體后會(huì)產(chǎn)生兀.弓的位相差，而往返一次產(chǎn)生的總位相差為兀，線偏振光經(jīng)這一次往返后偏振面旋轉(zhuǎn)了90°，這種情況下，由介質(zhì)偏振器和KD*P調(diào)制品體組成的電光開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，所以諧振腔的Q值很低，不能形成激光振蕩。雖然這時(shí)整個(gè)器件處在低Q值狀態(tài)，但由于氙燈一直在對(duì)YAG棒進(jìn)行抽運(yùn)，工作物質(zhì)中亞穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)便得到足夠的積累，當(dāng)粒子反轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到最大時(shí)，突然去掉調(diào)制品體上的^4波長(zhǎng)電壓，即電光開關(guān)迅速被打開，沿諧振腔軸線方向傳播的激光可自由通過調(diào)制品體，而其偏振狀態(tài)不發(fā)生任何變化，這時(shí)諧振腔處于高Q值狀態(tài)，形成雪崩式激光發(fā)射。（2）泡克耳斯盒作加壓調(diào)Q如圖2.6,其工作原理在本質(zhì)上和退壓應(yīng)用時(shí)是相同的，只不過需要加入一個(gè)檢偏器（2）并使其與起偏器（4）呈正交放置。這樣，如果沒有給泡克耳斯盒加電壓，光束就無法通過，腔內(nèi)損耗最大，Q值很小。在燈光脈沖末端，給泡克耳斯盒加上匕/2電壓，使入射光束旋轉(zhuǎn)90°，如此光束便可通過檢偏器。光束經(jīng)反射鏡反射之后又一次通過檢偏器和泡克耳斯盒，并再一次旋轉(zhuǎn)90°，所以光束在返回起偏器之前已經(jīng)旋轉(zhuǎn)了180°，因此能夠通過并返回腔內(nèi)建立振蕩。（二）倍頻技術(shù)原理基本概念及原理利用非線性晶體在強(qiáng)激光作用下的二次非線性效應(yīng)，使頻率為①的激光通過晶體后變?yōu)轭l率為2①的倍頻光，稱為倍頻技術(shù)，或二次諧波振蕩。本系統(tǒng)是將1064nm的激光通過倍頻品體（KTP），變成532nm的綠光。用非線性材料產(chǎn)生倍頻激光的器件成為倍頻激光器。一般把入射的激光稱為基頻光，由倍頻激光器出來的光稱為倍頻光或二次諧波。根據(jù)非線性材料特性，我們一般采用角度匹配來得到二次諧波。角度相位匹配是利用品體的雙折射來補(bǔ)償正常色散而達(dá)到相位匹配的一種方法。使入射到晶體的基頻光和產(chǎn)生的倍頻光具有不同的偏振態(tài)，而所用品體應(yīng)預(yù)先根據(jù)晶體光學(xué)的理論和有關(guān)的折射率數(shù)據(jù)計(jì)算出切割品體的方向，磨制成所需形狀，使基頻光和倍頻光能滿足相位匹配條件。按照入射基波的偏振態(tài)又可將角度匹配方式分為兩類:一種是基波取單一的線偏振光形式入射，而倍頻光為另一種狀態(tài)的相偏振光，這種情況通常稱之為第I類相位匹配。這一倍頻過程用一式子表示為“o+o=e”或“e+e=o”，因?yàn)閮蓚€(gè)基波的偏振方向是平行的，所以又稱平行式相位匹配。另一種情況是基波同時(shí)取兩種不同的線偏光形式，即兩者的偏振方向是垂直的，而產(chǎn)生的倍頻光為單一狀態(tài)的線偏振光，這種情況稱為第II類相位匹配，記作“e+o=e”或“e+o=o”，因?yàn)榈贗I類匹配方式在非線性極化過程中，不是單純由基波的o光（或e光）的分量乘積在起作用，而是o光和e光分量同時(shí)在起作用。在本套系統(tǒng)中采用的非線性晶體KTP（磷酸氧鈦鉀）實(shí)現(xiàn)倍頻，其相位匹配屬于第II類相位匹配（方位角中=23.5。，匹配角0=90。）。實(shí)驗(yàn)儀器圖3.1電光調(diào)Q激光器裝置圖半導(dǎo)體準(zhǔn)直光源.（650nm）小孔光闌（62mm）.全反鏡（曲率半徑4m,鍍膜對(duì)1064nm的反射率R=99.8%（620））KD*PQ開關(guān)品體（612*40）偏振片（630*5）6聚光腔（聚四氟乙烯材料）（Nd3:E4G激光棒66*100mm（兩端鍍1064nm增透膜）和脈沖氙燈67*90mm）.輸出鏡（K9玻璃材質(zhì)620）KTP倍頻品體（8*8*7）9分光棱鏡（60度、一面磨砂、邊長(zhǎng)40、厚度25）10.Q開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路盒（冷陰極閘流管（110*39*55））?說明由元件3,6,7即可構(gòu)成激光器的基本結(jié)構(gòu)“兩模一棒'輸出激光，此時(shí)輸出的是未加任何調(diào)制的激光，叫靜態(tài)激光在3,6之間加入4和5,便可實(shí)現(xiàn)退壓式電光調(diào)0 調(diào)Q后輸出的激光叫動(dòng)態(tài)激光在7之后加入8,調(diào)試后可以輸出倍頻激光在8之后加入9,可以完成分光，測(cè)量倍頻效率?附件儀器附件:光電探測(cè)器（連續(xù)探測(cè)器脈沖探測(cè)器短脈沖探測(cè)器能量探測(cè)器（各一個(gè)））機(jī)柜（MC10電源水冷系統(tǒng)）激光防護(hù)鏡（兩副）實(shí)驗(yàn)用具：靶紙 上轉(zhuǎn)光片（一個(gè)）六角扳于洗耳球毛玻璃片（各一個(gè)）鏡頭紙（一本） 滴瓶（一個(gè)） 觀測(cè)鏡（一個(gè)）選配器件：示波器（300MHz以上）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.固體激光器的裝調(diào)1）裝調(diào)：調(diào)整半導(dǎo)體準(zhǔn)直光源，使小孔光束在通過導(dǎo)軌中心線的垂面并與導(dǎo)軌表面平行。調(diào)節(jié)全反射腔鏡的四維調(diào)整架，使小孔光束通過其中心，并讓反射光束沿原路返回小孔。裝好聚光腔體，調(diào)節(jié)其支架，使小孔光束通過激光棒兩端面的中心，并讓其前端面的反射光點(diǎn)返回小孔。2）選模：固定的諧振腔可能激勵(lì)的橫模與腔型結(jié)構(gòu)、損耗大小和激勵(lì)水平等因素有密切關(guān)系。低階模與較小的光束發(fā)散角相對(duì)應(yīng)，所以為獲得單一基模輸出必須采取橫模選擇技術(shù)。橫模選擇方法可分為兩類：一類是在一定的諧振腔內(nèi)插入附加的選模元件來提高選模性能，可用小孔光闌和擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)；另一類是改變諧振腔的結(jié)構(gòu)和參數(shù)以獲得各衍射損耗的較大差別，提高諧振腔的選模性能，即非穩(wěn)腔選模。此實(shí)驗(yàn)采用小孔選模3） 測(cè)量靜態(tài)激光的閾值；4） 測(cè)量靜態(tài)激光及燈光脈沖寬度；5） 測(cè)量靜態(tài)激光輸出能量，描繪斜效率曲線；6） 計(jì)算靜態(tài)激光的峰值功率。電光調(diào)Q實(shí)驗(yàn)1） 調(diào)試激光器，測(cè)量其關(guān)門電壓及閾值能量；2） 測(cè)量動(dòng)態(tài)激光輸出能量；3） 測(cè)量動(dòng)態(tài)激光的脈沖寬度；4） 計(jì)算動(dòng)態(tài)激光的峰值功率；5） 計(jì)算激光器的轉(zhuǎn)換效率及輸出激光的動(dòng)靜比；被動(dòng)調(diào)Q實(shí)驗(yàn)1） Cr4+:YAG品體飽和吸收特性的研究；2） 測(cè)量激光輸出脈寬及能量；3） 計(jì)算峰值功率；4） 被動(dòng)調(diào)Q激光器的搭建；非線性光學(xué)實(shí)驗(yàn)1） 從理論上計(jì)算KTP晶體的相位匹配角；2） 調(diào)節(jié)激光器及倍頻晶體的相位角和方位角觀察對(duì)倍頻效率的影響；3） 改變色散棱鏡的位置，確定其最小偏向角以得到基頻光和倍頻光的最佳分光位置；4） 計(jì)算晶體的倍頻效率；5） 改變注入能量，觀察其對(duì)倍頻效率的影響；6） 描繪“注入能量一倍頻效率”曲線；實(shí)驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)（一）激光器的裝調(diào)

準(zhǔn)備：需要的元件(〈從左至右〉半導(dǎo)體準(zhǔn)直光(650nm),小孔光闌,全反鏡，Q品體，偏振片，Nd3：AG固體邀光棒，輸出鏡，倍頻品體，分光棱鏡)；系統(tǒng)電源；水冷系統(tǒng)；三角導(dǎo)軌及基座。圖5.1裝調(diào)示意圖圖5.1裝調(diào)示意圖1.半導(dǎo)體準(zhǔn)直光(650nm)，2.小孔光闌，3.全反鏡，6.Nd3+YAG固體激光棒(N6*100mm)，7.輸出鏡，8.倍頻晶體(KTP)，9.分光棱鏡(K9玻璃為基質(zhì)，60°)1.激光器的裝調(diào)調(diào)光路的目的光路調(diào)節(jié)的好壞直接關(guān)系著出光的效果，調(diào)節(jié)的好，一般可以直接出光，對(duì)下面的實(shí)驗(yàn)有很大的幫助。激光器的調(diào)節(jié)、調(diào)準(zhǔn)直光：接通半導(dǎo)體準(zhǔn)直光光源的電源，將小孔光闌放在靠近準(zhǔn)直光處，江洪光正通過小孔，再將光闌拉遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)準(zhǔn)直光的水平和俯仰旋鈕，在使準(zhǔn)直光通過光闌小孔，反復(fù)幾次上一過程直到小孔光闌放在導(dǎo)軌的任何地方準(zhǔn)直光都通過光闌小孔。注：同時(shí)要考慮棒的高度，不要低于棒的中心，最好高出4-5mm，因?yàn)榧悠衿饴窌?huì)下偏。、調(diào)節(jié)棒的高度：先調(diào)棒的靠近準(zhǔn)直光端，使準(zhǔn)直光點(diǎn)通過棒的中心或略高，再調(diào)遠(yuǎn)端，使反射像回到小孔光闌的小孔內(nèi)，旋緊螺絲時(shí)要均勻用力，時(shí)時(shí)關(guān)注反射像，確保其回到小孔內(nèi)，旋緊螺絲。、調(diào)節(jié)輸出境和反射鏡：先將反射鏡放在靠近光闌出，使650mm準(zhǔn)直光通過全反鏡的中心，并且其反射像回到光闌小孔，再使全反鏡遠(yuǎn)離光闌重復(fù)以上操作，直到全反鏡放在導(dǎo)軌的任何地方其反射像都回到光闌小孔，最后將全反鏡放在靠近光闌處，旋緊固定旋鈕。輸出鏡的調(diào)節(jié)方法同調(diào)全反鏡的方法相同，最后將輸出鏡固定在棒的遠(yuǎn)端。、調(diào)節(jié)偏振片和調(diào)Q晶體：偏振片要求離棒端有一定距離(約10mm)，準(zhǔn)直光通過偏振片中心，調(diào)解架盡量與棒垂直(目視)，將偏振片固定到棒的前端。調(diào)Q晶體要求準(zhǔn)直光通過晶體的中心，且其反射像盡量回到光闌孔心，最后將其固定在偏振片和全反鏡之間。、倍頻晶體的調(diào)節(jié)方法:方法與調(diào)Q晶體的調(diào)節(jié)方法相似，要盡量讓準(zhǔn)直光通過倍頻晶體的中心，

將其固定在輸出鏡的后面。3）器件的清洗1） 、輸出鏡、全反鏡、偏振片一般一個(gè)星期清洗一次，調(diào)Q品體的清洗比較困難，一般用長(zhǎng)絨棉輕擦或用洗耳球吹。2） 、棒和燈：若用自來水，一個(gè)月就必須清洗；用去離子水或蒸餾水1—2個(gè)月清洗一次就可以。3） 、在打相紙時(shí)一定要遠(yuǎn)離輸出鏡或外套一透明袋。2.激光器閾值的測(cè)量圖5.2閾值測(cè)量示意圖激光器的光路調(diào)好后，導(dǎo)軌上只保留1、2、3、6、7五個(gè)器件，打開激光電源，使電源處在靜態(tài)工作狀態(tài)，使輸入電壓大約是500V，旋轉(zhuǎn)輸出鏡的俯仰和水平旋鈕，用相紙接受激光，直到打出的光斑是等間距的圓環(huán)狀，然后調(diào)節(jié)輸入能量從0V向上調(diào)節(jié)，用普通脈沖探頭（綠燈）和200MHz的示波器探測(cè)波形。波形如圖所示，閾值為400V：圖5.2閾值測(cè)量示意圖II一--一i—311]so.omv注：綠燈為脈沖探頭，紅燈為連續(xù)探頭。5丁I 1 Chi更發(fā)睡；中覺」 12.7SJ43I i--i I i i--： i l-l-L-Im|iachi/e.oomv 2?3Rzg航|0.00000S 1圖5.3閾值點(diǎn)波形

圖5.4靜態(tài)光斑圖（二）電光調(diào)Q實(shí)驗(yàn)1.激光器的輸出能量和輸出脈沖寬度的測(cè)量（加偏振片，調(diào)好光路）1）.實(shí)驗(yàn)步驟閾值點(diǎn)測(cè)量完成后，再調(diào)節(jié)光路，使輸出光斑最好，調(diào)解輸入能量到440V，連接好示波器、熱釋電探頭（8mv/mj）和普通脈沖探頭，用熱釋電探頭測(cè)量能量，用普通脈沖探頭測(cè)量靜態(tài)激光脈寬，一般脈沖設(shè)為每秒一次。圖5.5脈沖寬度測(cè)量示意圖2）.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入能量（V）輸出能量（mV）脈寬（E44058850.84480104050.01520176055.72540200063.52560234077.40580263073.12600308072.68620350082.44640374086.00660414091.09

680436082.70熱示電探頭：8mv/mj例：輸出能量2000mv則能量為： 680436082.70熱示電探頭：8mv/mj例：輸出能量2000mv則能量為： E=2000mv/8mv/mj=250mj圖5.6輸入--輸出能量曲線激光器轉(zhuǎn)換效率的測(cè)量與計(jì)算輸入能量二電容*輸入電壓2/2：既：W=CV2/2（電容：C=100pF）轉(zhuǎn)換效率：n=w/w二輸出能量/輸入能量=2w/cv20 0例：輸入能量：W=CV2/2=100pF*(540V)2/2=29.16J輸出能量：W0=2000mv/8mv/mj=250mj所以，轉(zhuǎn)換效率：n=W/W=250mj/29160mj=0.857%0激光器輸出光束發(fā)散角的測(cè)量圖5.9發(fā)散角測(cè)量圖在靜態(tài)輸出情況下，調(diào)好激光光斑，離激光輸出鏡后一米和兩米處分別接受一光斑，分別測(cè)出其半徑記作ri和％，發(fā)散角記為p。tgp=r2-ri/100mmp=arctg（r2-r1/100mm）退壓式電光調(diào)Q實(shí)驗(yàn)1） 晶體KD*P（磷酸二氘鉀）2） 退壓電路R1圖5.10泡克耳斯盒Q開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路3）步驟：在靜態(tài)基礎(chǔ)上，加入偏振片和KD*P晶體（如裝置圖的位置）調(diào)解輸出鏡，使光斑質(zhì)量最好。在晶體兩端加上晶壓，大約3400V左右，同時(shí)調(diào)節(jié)晶壓和輸入電壓，從小到大，每隔20V時(shí)，調(diào)節(jié)KD*P晶體的水平和俯仰旋鈕，用脈沖探頭探測(cè)波形，直至示波器上的脈沖波形調(diào)沒，一直加大電壓直到電壓加到波形無法調(diào)沒為止。

注：探頭的距離不要太遠(yuǎn)，示波器的伏/格不能太大。圖5.11注：探頭的距離不要太遠(yuǎn)，示波器的伏/格不能太大。圖5.11關(guān)門波形參考數(shù)據(jù)：電壓：880V 晶壓：3700V延時(shí)調(diào)節(jié)和動(dòng)靜比的測(cè)量1）延時(shí)調(diào)節(jié)（1） 實(shí)驗(yàn)器件示波器：TEK3052B熱釋電探頭連續(xù)探頭脈沖探頭激光器及電源系統(tǒng)（2） 步驟：關(guān)門調(diào)好后，要對(duì)退壓延時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使輸出的激光能量達(dá)到最大值，脈寬最窄。將連續(xù)探頭與示波器連接好，將其放在聚光腔的出水光處，調(diào)解示波器可以觀測(cè)到激光延時(shí)波形，旋轉(zhuǎn)電源上的延時(shí)旋鈕可以調(diào)節(jié)延時(shí)時(shí)間，一般將延時(shí)調(diào)到波形下降沿的一半處。延時(shí)的調(diào)節(jié)對(duì)激光器輸出能量和脈寬都有影響。（3） 調(diào)節(jié)退壓旋鈕，波形如圖：BUTzo.umvBUTzo.umv圖5.12退壓延時(shí)波形2）動(dòng)靜比的測(cè)量,連接好示波器、熱釋電探頭（8mv/mj）、用普通脈沖探頭測(cè)量靜態(tài)激光脈寬，勇（1）調(diào)節(jié)好關(guān)門和延時(shí)后，再調(diào)節(jié)全反鏡，使光斑模式最好普通脈沖探頭和GT-106,連接好示波器、熱釋電探頭（8mv/mj）、用普通脈沖探頭測(cè)量靜態(tài)激光脈寬，勇GT-106脈沖探頭測(cè)量動(dòng)態(tài)脈寬。動(dòng)態(tài)輸出能量

動(dòng)靜比=靜態(tài)輸出能量漫克玳屏GT-1M球i中探頭漫克玳屏GT-1M球i中探頭Lm-ubJ普通與神探頭圖5.13動(dòng)態(tài)測(cè)量圖（2）數(shù)據(jù)與分析氙燈電壓（V）靜態(tài)激光能量（mV）靜態(tài)脈沖寬度（四S）動(dòng)態(tài)激光能量（mV）動(dòng)態(tài)脈沖寬度（ns）動(dòng)靜比560178079.25154014.0086.52%600228082.85194010.3785.09%640279086.1023209.63383.15%680344088.6628038.30081.47圖5.14動(dòng)、靜態(tài)能量輸出曲線圖5.15動(dòng)靜比曲線圖5.14動(dòng)、靜態(tài)能量輸出曲線圖5.15動(dòng)靜比曲線分析:，動(dòng)靜比的計(jì)算是由加入偏振片和Q品體后，測(cè)量得到的靜態(tài)能量比動(dòng)態(tài)能量得到的值。由以上數(shù)據(jù)可以看出，隨著輸入能量的增大，動(dòng)靜比將減小?？梢哉J(rèn)為，高能量輸入下的動(dòng)態(tài)激光脈沖（Q調(diào)制脈沖）峰值功率在增加，但脈沖能量在減小。圖5.16動(dòng)態(tài)脈寬波形脈沖（Q調(diào)制脈沖）峰值功率在增加，但脈沖能量在減小。圖5.16動(dòng)態(tài)脈寬波形圖5.17動(dòng)態(tài)能量波形圖5.18靜態(tài)光斑圖5.19動(dòng)態(tài)光斑（三）被動(dòng)調(diào)Q實(shí)驗(yàn)被動(dòng)式可飽和吸收調(diào)Q原理:被動(dòng)調(diào)Q是利用被動(dòng)調(diào)晶體自身的可飽和吸收特性。材料隨著能量密度的增大而變的透明起來。在能量密度達(dá)到某一高值時(shí)，材料就會(huì)“飽和”或“漂白”，從而導(dǎo)致產(chǎn)生很高的透射率。可飽和吸收體中的漂白過程是基于光譜躍遷的飽和。如果將對(duì)激光波長(zhǎng)具有很高吸收率的材料安裝在激光器諧振腔中，它會(huì)在最開始時(shí)阻止激光震蕩的發(fā)生。隨著增益在泵浦脈沖期間的增大并超過往返損耗時(shí)，腔內(nèi)的光通量會(huì)急劇增大，導(dǎo)致被動(dòng)Q開關(guān)達(dá)到飽和。在這種條件下，損耗很底，從而建立起。開關(guān)脈沖。實(shí)驗(yàn)步驟1） 關(guān)閉電源，把電光品體卸下（注意不要拉扯晶體的連線）。2） 把四價(jià)銘離子參雜的晶體插入原電光晶體的位置。3） 調(diào)整光路，使準(zhǔn)直光恰好通過晶體的中心。4） 打開點(diǎn)電源，用相紙接光斑，增加氙燈的注入電壓，觀察光斑的變化。5） 用脈沖探頭接收激光觀察其波形，改變注入電壓，再觀察，比較前后兩波形例如下圖：圖5.25圖5.25低能量下被動(dòng)調(diào)Q激光波形圖5.26較高能量下被動(dòng)調(diào)Q激光波形（四）非線性光學(xué)實(shí)驗(yàn)倍頻晶體角度匹配實(shí)驗(yàn)首先按照前面提到的步驟調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)激光直到光斑均勻圓整。之后可用像紙的背面接受動(dòng)態(tài)激光若沒有發(fā)現(xiàn)強(qiáng)點(diǎn)，則可以加裝非線性品體（防止高功率下?lián)p壞倍頻品體）。然后，關(guān)閉激光輸出，加入倍頻晶體KTP，調(diào)整晶體的位置，打開半導(dǎo)體準(zhǔn)直光源，使紅光正好通過晶體的中心且倍頻晶體前后兩個(gè)面的反射像都要返回小孔光闌，之后鎖緊晶體的光具座，關(guān)閉半導(dǎo)體準(zhǔn)直光源。接下來，再次打開激光（靜態(tài)）可發(fā)現(xiàn)原來要依靠上轉(zhuǎn)換片才能看見的1064nm紅外光變成了可以肉眼可見的綠光。調(diào)節(jié)倍頻，KTP的Z軸（打點(diǎn)方向）要與1064偏振方向成45度，后再細(xì)調(diào)。打點(diǎn)是Z方向，它要和入射方向垂直。與光的偏振方向45度后再調(diào)俯仰和水平。此時(shí)調(diào)試得到是倍頻效率最高點(diǎn)。小意圖如下圖5.20倍頻原理示意圖具體操作可以旋轉(zhuǎn)晶體的角度，觀察輸出綠光的強(qiáng)度，找出輸出綠光最大的晶體角度。找到晶體最佳角度后，可以進(jìn)行倍頻光的分光和倍頻效率的測(cè)量。由于靜態(tài)激光輸出峰值功率很低，很難得到較高效率的倍頻光輸出，我們采用動(dòng)態(tài)光下的倍頻光作為測(cè)量對(duì)象。但由于人眼對(duì)強(qiáng)綠光極其敏感容易致盲，所以建議實(shí)驗(yàn)者佩戴防護(hù)眼鏡，且操作者嚴(yán)禁佩戴戒指手表等高反射金屬飾品，以防強(qiáng)光反射造成傷害。倍頻效率的測(cè)量和計(jì)算：由輸出鏡輸出的1064nm基頻光通過KTP倍頻品體后輸出包含532nm和1064nm兩種光。為了測(cè)得532nm激光能量，我們使用一個(gè)60°等邊色散棱鏡將其分光，分別測(cè)得各自的能量：E1（532nm的能量），E2（1064nm的能量），則：倍頻效率門=Eix100%E1+E2圖5.21分光示意圖操作時(shí)關(guān)閉激光器，加入分光棱鏡，開準(zhǔn)直光，找到偏折后光斑大致位置，鎖緊光具座。關(guān)閉準(zhǔn)直光源，打開動(dòng)態(tài)激光，能觀察到強(qiáng)的綠光輸出，此時(shí)用像紙?jiān)谳敵鲆欢尉嚯x后接收會(huì)發(fā)現(xiàn)像紙上會(huì)同時(shí)出現(xiàn)左右兩個(gè)光斑，面對(duì)像紙，左側(cè)的光斑為1064nm紅外光的光斑，右側(cè)為532nm綠光的光斑。打開示波器，接好熱釋電探頭，分別用熱釋電能量探頭接收分開的綠光和1064nm紅外光，改變

氙燈注入能量，記錄數(shù)據(jù)例如:轉(zhuǎn)換效率輸入能量（v）????（轉(zhuǎn)換效率輸入能量（v）????（v）圖5.22倍頻效率曲線測(cè)量數(shù)據(jù)及處理：（熱釋電探頭）氙燈電壓（V）E1（mV）532nm黃色波形E2的106煩藍(lán)色波形倍頻效率56064050458.82%60087251265.70%640120057670.09%680122061669.04%700128070467.17%注明：CH為532nm倍頻光；CH為1064nm基頻光圖5.23倍頻效率波形圖我們用棱鏡分光時(shí)其位置放置選擇在最小偏向角位置，即入射光和出射光行進(jìn)方向間的夾角最小處。具體說明如下：最小偏向角的計(jì)算：下為測(cè)量示意圖：熱樣電探頭ISPciti101cm177cmISPcitiltJ64iutiLaser熱樣電探頭ISPciti101cm177cmISPcitiltJ64iutiLaser創(chuàng)。分光棱鏡接收屏圖5.24最小偏向角測(cè)量示意圖利用余弦定理a2+b2-2bccosa=C2，其中a=101cm，b=177cm，c=139cm，計(jì)算得cosa=0.621a=51.77°六使用及維護(hù)一、 操作使用：連接電源，確定各線路正確連接。然后檢查冷卻系統(tǒng)的水管是否暢通，有