RLE_CA03_灯泵YAG激光调Q综合实验

1、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8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

2、：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： (1) 式中为激光的中心频率。 假定腔内贮存的激光能量为，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。如果谐振腔长度为，则光在腔内走一个单程

3、所需时间为，其中为折射率,为光速。因此光在腔内每秒钟损耗的能量为，Q值可表示为 (2)式中为真空中激光波长。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

4、脉宽窄（10-610-9s量级），峰值功率高（大于MW），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

5、，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 (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，晶类只有、两个独立的线性电光系数。是电场方向平行于光轴的电光系数，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 (4)当只在KTP晶体光轴z方向加电场时上式变成 (5)经坐标变换，可求出此时在三个感应主轴上的主折射率 (6) 当光沿KDP光

6、轴方向传播时，在感应主轴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，经过长度为的晶体后产生位相差 (7)式中为加在晶体z向两端的直流电压。使光波两个分量产生相位差（光程差）所需要加的电压为 (8)KTP晶体的电光系数。对于、KTP晶体的左右。（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

7、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

8、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、后面板示意图图2电源前面板示意图1. 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11

9、0A，三相为310A）；2. 电源输入（单相：1N，2LINE，3NC，4接地）； （三相：1、2、3LINEA、B、C，4N）；3. 水泵电源保险丝(3A)；4. 水泵电源插头座（1、2220V AC，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，

10、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48 mm2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，预燃成功，时统指示灯按所选择的

11、频率闪动；9. 按下工作开关，调节充电电位器增加输出电压至所需值；10. 选择关门工作状态，调节“晶压调节”电位器，使激光输出为零，然后改为动态，调节延时，使输出最强（延时预调180ms）；11. 关机顺序为7、6、5，可将所需的电位器数值锁定；12. 第二次开机顺序为4、5、6、7；在紧急情况下可直接关预燃开关，既可停机（水泵继续工作一段时间再关）；特别说明：1、激光储能电容是有使用寿命的元件，使用寿命大约108次。根据使用情况，特别是高重复频率工作时，如果发现激光的输出下降而又非激光器的故障时，应考虑是否是激光储能电容容值下降，如是则需更换。2、应防止水及其他液体进入设备，如发生这种情况应

12、立即停机处理以防发生安全事故。请不要打开机盖，谨防发生电击事故！实验内容灯泵YAG激光器谐振腔调谐实验后腔镜1. 根据“YAG装调测量实验”实验装配图安装所有的器件。准直激光器Nd:YAG激光器d:YAG激光器前腔镜图4 YAG装调测量实验2. 将Nd:YAG激光器、准直激光器装到导轨上，调整准直激光器使光束通过Nd:YAG晶体前后表面中心。3. 将前腔镜和后腔镜放置光学导轨上，调整它们的俯仰方位，使前腔镜和后腔镜的反射光返回到准直激光器的出光口。注：安装前腔镜和后腔镜时必须将镀膜面朝向Nd:YAG激光器。 1. 完成上一个实验的灯泵YAG激光器谐振腔调谐实验。2. 打开水冷系统开关，确认水冷

13、系统开始工作后打开激光电源的钥匙开关。首先按下预燃开关(simmer)键，此时可以看到闪光氙灯点亮，晶体端有兰紫光。然后按下工作开关(work)键，将激光电源工作电压调至600V，频率为1Hz，用黑色相纸观察输出光斑形状。注意：当激光器出光后，应该将准直激光器取出光路，或遮挡；长时间强光照射将损坏准直激光器。3. 仔细微调前腔镜和后腔镜，使得光斑在黑色相纸上打出的光斑印为圆形，此时激光输出能量最强，使用能量计测量此时的激光能量值。改变氙灯电压，用能量计测量激光器不同电压下的能量值。注：电压最大不要超过900V，以免烧坏氙灯。表1输入电压（V）输出能量（mJ）500600700800900990

14、激光器腔镜最佳输出透过率选取实验Nd:YAG激光器d:YAG激光器准直激光器后腔镜前腔镜图51. 反复调节前后腔镜的角度，使的激光出光能量最大。用能量计测量在不同电压值下几组静态输出能量。2. 更换其他透射率的前腔镜，用能量计测量几组静态输出能量。3. 对比更换不同透镜后在相同电压下的能量值，选取最佳输出透过率。表2输入电压（V）40%透射率前腔镜输出能量（mJ）60%透射率前腔镜输出能量（mJ）80%透射率前腔镜输出能量（mJ）500600700800900990退压电光调Q实验Nd:YAG激光器d:YAG激光器准直激光器后腔镜1. 根据“灯泵YAG电光调Q实验”实验装配图安装所有的器件。偏

15、振片电光Q开关前腔镜图62. 重复第一个实验的步骤1、步骤2、步骤3。3. 插入电光Q开关到后腔镜和Nd:YAG激光器之间，调整电光Q开关的俯仰方位，使电光Q开关的反射像与准直激光器出口重合。将介质偏振片插入到电光Q开关和Nd:YAG激光器之间。4. 检查水冷系统工作是否正常，打开激光电源的钥匙开关。确定无误后启动电源，在静态情况下，调整频率为1HZ，仔细微调两块谐振腔片，并微调调Q晶体架俯仰旋转，使静态激光输出能量最强。此时用相纸检测激光的光斑大小是否均匀。5. 插入偏振片，微调俯仰旋转，使得激光能量最强，损耗最小。6. 按下激光电源的HV键，将电光Q两端电压加到3800V，绕光轴转动电光Q

16、开关使激光器输出最小，此时电光Q开关处于关门状态。关闭HV，测量激光能量，此状态称为开门状态。反复调整，使得开门状态能量值与关门能量值之比大于10:1。7. 将激光电源改到调Q状态，此时输出的激光为调Q激光。表3输入电压（V）静态输出（mJ）动态输出（mJ）500600700800900990升压电光调Q实验1. 更换升压调Q模块。准直激光器电光Q开关前腔镜Nd:YAG激光器d:YAG激光器后腔镜偏振片图72. 调整频率为1HZ，仔细微调两块谐振腔片，并微调调Q晶体架俯仰旋转，使静态激光输出能量最强。此时用相纸检测激光的光斑大小是否均匀。3. 插入偏振片，微调俯仰旋转，使得激光能量最强，损耗最

17、小。4. 按下激光电源的HV键，将电光Q两端电压加到3800V，绕光轴转动电光Q开关使激光器输出最小，此时电光Q开关处于关门状态。关闭HV，测量激光能量，此状态称为开门状态。反复调整，使得开门状态能量值与关门能量值之比大于10:1。5. 将激光电源改到调Q状态，此时输出的激光为升压调Q激光。表4输入电压（V）静态输出（mJ）动态输出（mJ）500600700800900990调Q脉冲参数测量实验1. 将激光电源改到调Q状态，此时输出的激光为调Q激光，也称动态激光或巨脉冲激光。此时再用相纸检测激光的光斑，比较调Q时与空腔时激光打到相纸上光斑的颜色和声音。2. 用探测器和示波器检测调Q激光脉宽。注：由于激光能量较大，不应将探测器直接对准输出的调Q激光，应将白屏置于输出端，用探测器接收白屏的散射光。图8降压调Q的脉冲图脉冲宽度18.4ns。图9升压调Q脉冲图脉冲宽度20ns。激光倍频实验准直激光器后腔镜偏振片1. 根据“灯泵YAG倍频实验”实验装配图安装所有的器件。KTP晶体Nd:YAG激光器d:YAG激光器前腔镜电光Q开关2. 完成第二个实验的步骤1、步骤2。3. 插入K