RLE_CA03_灯泵YAG激光调Q综合实验

灯泵YAG激光调Q综合实验RLE-CA03实验讲义目录灯泵YAG激光调Q综合实验......................................................................................1实验目的........................................................................................................................1实验原理........................................................................................................................1注意事项........................................................................................................................3实验内容........................................................................................................................7灯泵YAG激光器谐振腔调谐实验........................................................................7灯泵YAG激光器参数测量实验............................................错误!未定义书签。激光器腔镜最佳输出透过率选取实验................................................................9退压电光调Q实验..............................................................................................10升压电光调Q实验..............................................................................................11调Q脉冲参数测量实验......................................................................................12激光倍频实验......................................................................................................13淮南师范学院激光原理与技术实验室灯泵YAG激光调Q综合实验实验目的1、掌握电光Q固体激光器的基本原理和基本结构；2、了解电光Q固体激光器的输出特性；3、掌握电光Q固体激光器主要输出参数的测试方法。1、掌握Nd3+:YAG激光器的工作原理注意：本实验输出的激光为高峰值功率脉冲激光，做本实验前必须佩戴对防护1064nm和532nm激光的防护眼镜。实验原理调Q技术是获得短脉冲高峰值功率激光输出的重要方法。一般情况下，自由运转的脉冲激光器输出的激光脉冲的脉宽在几百微秒到几毫秒之间，峰值功率也较低。为了获得高峰值功率的激光输出，人们发明了调Q技术。激光器调Q的概念激光器的Q值又称品质因数，是表征激光谐振腔的腔内损耗一个重要参数，其定义为腔内贮存的能量与每秒钟损耗的能量之比：0=2Q腔内贮存的激光能量每秒钟损耗的激光能量(1)式中0为激光的中心频率。假定腔内贮存的激光能量为E，光在腔内走一个单程能量的损耗率为，则光在一个单程中对应的损耗能量为E。如果谐振腔长度为L，则光在腔内走一个单程所需时间为nLc，其中n为折射率,c为光速。因此光在腔内每秒钟损耗的能量为EcnL，Q值可表示为0022/EnLQEcnL(2)式中00/c为真空中激光波长。由公式(2)可知，Q值与损耗率成反比变化，即损耗大Q值就低，损耗小Q值就高。由于固体激光器存在弛豫振荡现象，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，使振荡不能形成，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。这时腔内会像雪崩一样以极快的速度建立起极强振荡，在短时间内反转粒子数大量被消耗，转变为腔内的光能量，并在前腔镜端输出一个极强的激光脉冲，其脉宽窄（10-6~10-9s量级），峰值功率高（大北京杏林睿光科技有限公司光电实验产品实验讲义RLE-CA03灯泵YAG激光调Q综合实验联系方式:电话：[phone]邮箱：[e-mail]2传真：[phone]转882网址：），通常把这种光脉冲称为巨脉冲。由于调节腔内的损耗实际上是调节Q值，因此这种产生巨脉冲的技术被称为调Q技术，也称为Q开关技术。谐振腔的损耗一般包括有反射损耗、吸收损耗、衍射损耗、散射损耗和输出损耗等。用不同的方法去控制不同的损耗就形成了不同的调Q技术，如控制反射损耗的有转镜调Q技术和电光调Q技术，控制吸收损耗的可饱和吸收体调Q技术、控制衍射损耗的声光调Q技术、控制输出损耗的透射式调Q技术等。本实验主要研究灯泵固体激光器的电光调Q技术，所用的Q开关利用晶体的电光效应制成，具有开关速度快、脉冲峰值功率高、脉冲宽度窄、器件输出功率稳定性较好等优点，是一种已获广泛应用的调Q技术。另外，本实验也简单了解可饱和吸收体调Q技术。电光调Q的基本原理（1）KTP晶体的纵向电光效应本实验所用的电光晶体为KTP晶体，属于四方晶系42m晶类，光轴C与主轴z重和，未加电场时，在主轴坐标系中KTP晶体的折射率椭球方程为222221oexyznn(3)其中no、ne分别为寻常光和异常光的折射率。加电场后，由于晶体对称性的影响，42m晶类只有63、41两个独立的线性电光系数。63是电场方向平行于光轴的电光系数，41是电场方向垂直于光轴的电光系数。KTP晶体外加电场后的折射率椭球方程是2224163222()21xyoexyzEyzExzxynn(4)当只在KTP晶体光轴z方向加电场时上式变成2226322021xexyzExynn(5)经坐标变换，可求出此时在三个感应主轴上的主折射率'3006312xznnnE'3006312yznnnE(6)'zenn北京杏林睿光科技有限公司光电实验产品实验讲义RLE-CA03灯泵YAG激光调Q综合实验联系方式:电话：[phone]邮箱：[e-mail]3传真：[phone]转882网址：光轴ｚ方向传播时，在感应主轴','xy两方向偏振的光波分量由于晶体在这两者方向上的折射率不同，经过长度为l的晶体后产生位相差3''6322()yxoznnlnV(7)式中zzVEl为加在晶体z向两端的直流电压。使光波两个分量产生相位差/2（光程差/4）所需要加的电压为/230634Vn(8)KTP晶体的电光系数126323.610/mV。对于1.06m、KTP晶体的/24000VV左右。（2）带起偏器的电光调Q原理带起偏器的KTP电光Q开关是一种应用较广泛的电光晶体调Q装置，实验装置如图所示。KTP晶体具有纵向电光系数大，抗破坏阈值高的特点，但易潮解，故需要放在密封盒子内使用。通常采用纵向方式，即z向加压，z向通光。前腔镜小孔Nd:YAG晶体偏振片电光晶体后腔镜He-Ne激光器图1带起偏器的KTP电光开关原理图带起偏器的Q开关工作过程如下：Nd：YAG棒在氙灯的激励下产生无规则偏振光，通过偏振器后成线偏振光。在KTP上施加一个/4V的外加电场，由于电光效应，这时调制晶体起到了一个1/4波片的作用，显然，线偏振光通过晶体后产生了的位相差/4，可见往返一次产生的总位相差为/2，线偏振光经这一次往返后偏振面旋转了90度，不能通过偏振器。这样，在调制晶体上加有1/4波长电压的情况下，由介质偏振器和KTP调制晶体组成的电光开关处于关闭状态，谐振腔的Q值很低，不能形成激光振荡。虽然这时整个器件处在低Q值状态，但由于氙灯一直在对YAG棒进行抽运，工作物质中亚稳态粒子数便得到足够的积累，当粒子反转数达到最大时，突然去掉调制晶体上的1/4波长电压，即电光开关控制的通光光路被开通，沿谐振腔轴线方向传播的激光可自由通过调制晶体，而其偏振状态不发生任何变化，这时谐振腔处于高Q值状态，形成雪崩式激光发射。注意事项A、电源的前、后面板示意图北京杏林睿光科技有限公司光电实验产品实验讲义RLE-CA03灯泵YAG激光调Q综合实验联系方式:电话：[phone]邮箱：[e-mail]4传真：[phone]转882网址：电钥匙开关；2.状态指示（预燃、时统、外时统、调Q动态、故障）；3.预燃开关；4.工作开关；5.充电电压表；6.充电调节电位器；7.调Q状态选择（静态、关门、动态）；8.晶体高压调节电位器；9.退高压延时调节电位器；10.晶体高压数字表头（静态电源该位置可放置计数器）；11.时统选择开关（分档）。图3后面板示意图1.电源输入保险丝（单相1×10A，三相为3×10A）；2.电源输入（单相：1—N，2—LINE，3—NC，4—接地）；（三相：1、2、3—LINEA、B、C，4—N）；3.水泵电源保险丝(3A)；北京杏林睿光科技有限公司光电实验产品实验讲义RLE-CA03灯泵YAG激光调Q综合实验联系方式:电话：[phone]邮箱：[e-mail]5传真：[phone]转882网址：水泵电源插头座（1、2—220VAC，3、4—水泵连锁控制接点）；（有用户要求加装五针插座，5—连接电源进线的火线，不受控）；5.散热孔；6.安全连锁控制接点；7.晶体高压输出插头座；8.退高压触发输出插头座；9.时统输入插头座；10.时统输出插头座；11.输出负极；12.输出正极；13.外接储能电容端；14.接地端，只在三相电源中加有；15.外控接口。B、实际操作1.设备应按正常使用方向放于通风良好的场所，电源两侧及后部应留有足够的散热风道或空间；2.连接的电源插座或断路器应能满足设备输入电流的要求。小功率的设备可采用活动插头连接，大功率的设备建议采取固定式连接；3.连接好所有电缆，插上电源插头；4.确认水泵控制线接好；输出灯线接触良好，灯线根据输出功率的情况，应使用4～8mm2的多股软铜线；5.将面板上的Q状态选择位于静态，晶压调节电位器回零位，充电调节电位器回零位频率选择置内频率（1、3、5、10PPS等），确认预燃开关和工作开关置OFF态（弹起）；6.接通电源；7.开电钥匙，主继电器吸合，水泵工作，表头有显示“000”；8.按下预燃开关，预燃成