RLE_CA03_燈泵YAG激光調(diào)Q綜合實(shí)驗(yàn)

1、燈泵YAG激光調(diào)Q綜合實(shí)驗(yàn)RLE-CA03實(shí)驗(yàn)講義目 錄燈泵YAG激光調(diào)Q綜合實(shí)驗(yàn)1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?實(shí)驗(yàn)原理1注意事項(xiàng)3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容7燈泵YAG激光器諧振腔調(diào)諧實(shí)驗(yàn)7燈泵YAG激光器參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)8激光器腔鏡最佳輸出透過(guò)率選取實(shí)驗(yàn)9退壓電光調(diào)Q實(shí)驗(yàn)10升壓電光調(diào)Q實(shí)驗(yàn)11調(diào)Q脈沖參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)12激光倍頻實(shí)驗(yàn)13北京杏林睿光科技有限公司光電實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)講義RLE-CA03燈泵YAG激光調(diào)Q綜合實(shí)驗(yàn)燈泵YAG激光調(diào)Q綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 掌握電光Q固體激光器的基本原理和基本結(jié)構(gòu)；2、 了解電光Q固體激光器的輸出特性；3、 掌握電光Q固體激光器主要輸出參數(shù)的測(cè)試方法。1、掌握Nd3+:YAG激光器的工作原理注意

2、：本實(shí)驗(yàn)輸出的激光為高峰值功率脈沖激光，做本實(shí)驗(yàn)前必須佩戴對(duì)防護(hù)1064nm和532nm激光的防護(hù)眼鏡。實(shí)驗(yàn)原理調(diào)Q技術(shù)是獲得短脈沖高峰值功率激光輸出的重要方法。一般情況下，自由運(yùn)轉(zhuǎn)的脈沖激光器輸出的激光脈沖的脈寬在幾百微秒到幾毫秒之間，峰值功率也較低。為了獲得高峰值功率的激光輸出，人們發(fā)明了調(diào)Q技術(shù)。激光器調(diào)Q的概念 激光器的Q值又稱品質(zhì)因數(shù)，是表征激光諧振腔的腔內(nèi)損耗一個(gè)重要參數(shù)，其定義為腔內(nèi)貯存的能量與每秒鐘損耗的能量之比： (1) 式中為激光的中心頻率。 假定腔內(nèi)貯存的激光能量為，光在腔內(nèi)走一個(gè)單程能量的損耗率為，則光在一個(gè)單程中對(duì)應(yīng)的損耗能量為。如果諧振腔長(zhǎng)度為，則光在腔內(nèi)走一個(gè)單程

3、所需時(shí)間為，其中為折射率,為光速。因此光在腔內(nèi)每秒鐘損耗的能量為，Q值可表示為 (2)式中為真空中激光波長(zhǎng)。由公式(2)可知，Q值與損耗率成反比變化，即損耗大Q值就低，損耗小Q值就高。由于固體激光器存在弛豫振蕩現(xiàn)象，產(chǎn)生了功率在閾值附近起伏的尖峰脈沖序列，從而阻礙了激光脈沖峰值功率的提高。如果我們?cè)O(shè)法在泵浦開(kāi)始時(shí)使諧振腔內(nèi)的損耗增大，即提高振蕩閾值，使振蕩不能形成，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（飽和值時(shí)），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)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，并在前腔鏡端輸出一個(gè)極強(qiáng)的激光脈沖，其

4、脈寬窄（10-610-9s量級(jí)），峰值功率高（大于MW），通常把這種光脈沖稱為巨脈沖。由于調(diào)節(jié)腔內(nèi)的損耗實(shí)際上是調(diào)節(jié)Q值，因此這種產(chǎn)生巨脈沖的技術(shù)被稱為調(diào)Q技術(shù)，也稱為Q開(kāi)關(guān)技術(shù)。諧振腔的損耗一般包括有反射損耗、吸收損耗、衍射損耗、散射損耗和輸出損耗等。用不同的方法去控制不同的損耗就形成了不同的調(diào)Q技術(shù)，如控制反射損耗的有轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q技術(shù)和電光調(diào)Q技術(shù)，控制吸收損耗的可飽和吸收體調(diào)Q技術(shù)、控制衍射損耗的聲光調(diào)Q技術(shù)、控制輸出損耗的透射式調(diào)Q技術(shù)等。本實(shí)驗(yàn)主要研究燈泵固體激光器的電光調(diào)Q技術(shù)，所用的Q開(kāi)關(guān)利用晶體的電光效應(yīng)制成，具有開(kāi)關(guān)速度快、脈沖峰值功率高、脈沖寬度窄、器件輸出功率穩(wěn)定性較好等優(yōu)點(diǎn)

5、，是一種已獲廣泛應(yīng)用的調(diào)Q技術(shù)。另外，本實(shí)驗(yàn)也簡(jiǎn)單了解可飽和吸收體調(diào)Q技術(shù)。電光調(diào)Q的基本原理（1）KTP晶體的縱向電光效應(yīng)本實(shí)驗(yàn)所用的電光晶體為KTP晶體，屬于四方晶系晶類，光軸C與主軸z重和，未加電場(chǎng)時(shí)，在主軸坐標(biāo)系中KTP晶體的折射率橢球方程為 (3)其中no、ne分別為尋常光和異常光的折射率。加電場(chǎng)后，由于晶體對(duì)稱性的影響，晶類只有、兩個(gè)獨(dú)立的線性電光系數(shù)。是電場(chǎng)方向平行于光軸的電光系數(shù)，是電場(chǎng)方向垂直于光軸的電光系數(shù)。KTP晶體外加電場(chǎng)后的折射率橢球方程是 (4)當(dāng)只在KTP晶體光軸z方向加電場(chǎng)時(shí)上式變成 (5)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 (6) 當(dāng)光沿KDP光

6、軸方向傳播時(shí)，在感應(yīng)主軸兩方向偏振的光波分量由于晶體在這兩者方向上的折射率不同，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為的晶體后產(chǎn)生位相差 (7)式中為加在晶體z向兩端的直流電壓。使光波兩個(gè)分量產(chǎn)生相位差（光程差）所需要加的電壓為 (8)KTP晶體的電光系數(shù)。對(duì)于、KTP晶體的左右。（2）帶起偏器的電光調(diào)Q原理帶起偏器的KTP電光Q開(kāi)關(guān)是一種應(yīng)用較廣泛的電光晶體調(diào)Q裝置，實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。KTP晶體具有縱向電光系數(shù)大，抗破壞閾值高的特點(diǎn)，但易潮解，故需要放在密封盒子內(nèi)使用。通常采用縱向方式，即z向加壓，z向通光。 前腔鏡 小孔 Nd:YAG晶體 偏振片 電光晶體 后腔鏡 He-Ne激光器圖1帶起偏器的KTP電光開(kāi)關(guān)原理圖帶

7、起偏器的Q開(kāi)關(guān)工作過(guò)程如下：Nd：YAG棒在氙燈的激勵(lì)下產(chǎn)生無(wú)規(guī)則偏振光，通過(guò)偏振器后成線偏振光。在KTP上施加一個(gè)的外加電場(chǎng)，由于電光效應(yīng)，這時(shí)調(diào)制晶體起到了一個(gè)1/4波片的作用，顯然，線偏振光通過(guò)晶體后產(chǎn)生了的位相差/4，可見(jiàn)往返一次產(chǎn)生的總位相差為/2，線偏振光經(jīng)這一次往返后偏振面旋轉(zhuǎn)了90度，不能通過(guò)偏振器。這樣，在調(diào)制晶體上加有1/4波長(zhǎng)電壓的情況下，由介質(zhì)偏振器和KTP調(diào)制晶體組成的電光開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，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

8、晶體上的1/4波長(zhǎng)電壓，即電光開(kāi)關(guān)控制的通光光路被開(kāi)通，沿諧振腔軸線方向傳播的激光可自由通過(guò)調(diào)制晶體，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。注意事項(xiàng)A、電源的前、后面板示意圖圖2電源前面板示意圖1. 電鑰匙開(kāi)關(guān)；2. 狀態(tài)指示（預(yù)燃、時(shí)統(tǒng)、外時(shí)統(tǒng)、調(diào)Q動(dòng)態(tài)、故障）；3. 預(yù)燃開(kāi)關(guān)；4. 工作開(kāi)關(guān)；5. 充電電壓表；6. 充電調(diào)節(jié)電位器；7. 調(diào)Q狀態(tài)選擇（靜態(tài)、關(guān)門(mén)、動(dòng)態(tài)）；8. 晶體高壓調(diào)節(jié)電位器；9. 退高壓延時(shí)調(diào)節(jié)電位器；10. 晶體高壓數(shù)字表頭（靜態(tài)電源該位置可放置計(jì)數(shù)器）；11. 時(shí)統(tǒng)選擇開(kāi)關(guān)（分檔）。圖3后面板示意圖1. 電源輸入保險(xiǎn)絲（單相11

9、0A，三相為310A）；2. 電源輸入（單相：1N，2LINE，3NC，4接地）； （三相：1、2、3LINEA、B、C，4N）；3. 水泵電源保險(xiǎn)絲(3A)；4. 水泵電源插頭座（1、2220V AC，3、4水泵連鎖控制接點(diǎn)）； （有用戶要求加裝五針插座，5連接電源進(jìn)線的火線，不受控）；5. 散熱孔；6. 安全連鎖控制接點(diǎn)；7. 晶體高壓輸出插頭座；8. 退高壓觸發(fā)輸出插頭座；9. 時(shí)統(tǒng)輸入插頭座；10. 時(shí)統(tǒng)輸出插頭座；11. 輸出負(fù)極；12. 輸出正極；13. 外接儲(chǔ)能電容端；14. 接地端，只在三相電源中加有；15. 外控接口。B、實(shí)際操作1. 設(shè)備應(yīng)按正常使用方向放于通風(fēng)良好的場(chǎng)所，

10、電源兩側(cè)及后部應(yīng)留有足夠的散熱風(fēng)道或空間；2. 連接的電源插座或斷路器應(yīng)能滿足設(shè)備輸入電流的要求。小功率的設(shè)備可采用活動(dòng)插頭連接，大功率的設(shè)備建議采取固定式連接；3. 連接好所有電纜，插上電源插頭；4. 確認(rèn)水泵控制線接好；輸出燈線接觸良好，燈線根據(jù)輸出功率的情況，應(yīng)使用48 mm2的多股軟銅線；5. 將面板上的 Q 狀態(tài)選擇位于靜態(tài)，晶壓調(diào)節(jié)電位器回零位，充電調(diào)節(jié)電位器回零位頻率選擇置內(nèi)頻率（1、3、5、10PPS等），確認(rèn)預(yù)燃開(kāi)關(guān)和工作開(kāi)關(guān)置 OFF 態(tài)（彈起）；6. 接通電源；7. 開(kāi)電鑰匙，主繼電器吸合，水泵工作，表頭有顯示“000”；8. 按下預(yù)燃開(kāi)關(guān)，預(yù)燃成功，時(shí)統(tǒng)指示燈按所選擇的

11、頻率閃動(dòng)；9. 按下工作開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)充電電位器增加輸出電壓至所需值；10. 選擇關(guān)門(mén)工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)“晶壓調(diào)節(jié)”電位器，使激光輸出為零，然后改為動(dòng)態(tài)，調(diào)節(jié)延時(shí)，使輸出最強(qiáng)（延時(shí)預(yù)調(diào)180ms）；11. 關(guān)機(jī)順序?yàn)?、6、5，可將所需的電位器數(shù)值鎖定；12. 第二次開(kāi)機(jī)順序?yàn)?、5、6、7；在緊急情況下可直接關(guān)預(yù)燃開(kāi)關(guān)，既可停機(jī)（水泵繼續(xù)工作一段時(shí)間再關(guān)）；特別說(shuō)明：1、激光儲(chǔ)能電容是有使用壽命的元件，使用壽命大約108次。根據(jù)使用情況，特別是高重復(fù)頻率工作時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)激光的輸出下降而又非激光器的故障時(shí)，應(yīng)考慮是否是激光儲(chǔ)能電容容值下降，如是則需更換。2、應(yīng)防止水及其他液體進(jìn)入設(shè)備，如發(fā)生這種情況應(yīng)

12、立即停機(jī)處理以防發(fā)生安全事故。請(qǐng)不要打開(kāi)機(jī)蓋，謹(jǐn)防發(fā)生電擊事故！實(shí)驗(yàn)內(nèi)容燈泵YAG激光器諧振腔調(diào)諧實(shí)驗(yàn)后腔鏡1. 根據(jù)“YAG裝調(diào)測(cè)量實(shí)驗(yàn)”實(shí)驗(yàn)裝配圖安裝所有的器件。準(zhǔn)直激光器Nd:YAG激光器d:YAG激光器前腔鏡圖4 YAG裝調(diào)測(cè)量實(shí)驗(yàn)2. 將Nd:YAG激光器、準(zhǔn)直激光器裝到導(dǎo)軌上，調(diào)整準(zhǔn)直激光器使光束通過(guò)Nd:YAG晶體前后表面中心。3. 將前腔鏡和后腔鏡放置光學(xué)導(dǎo)軌上，調(diào)整它們的俯仰方位，使前腔鏡和后腔鏡的反射光返回到準(zhǔn)直激光器的出光口。注：安裝前腔鏡和后腔鏡時(shí)必須將鍍膜面朝向Nd:YAG激光器。 1. 完成上一個(gè)實(shí)驗(yàn)的燈泵YAG激光器諧振腔調(diào)諧實(shí)驗(yàn)。2. 打開(kāi)水冷系統(tǒng)開(kāi)關(guān)，確認(rèn)水冷

13、系統(tǒng)開(kāi)始工作后打開(kāi)激光電源的鑰匙開(kāi)關(guān)。首先按下預(yù)燃開(kāi)關(guān)(simmer)鍵，此時(shí)可以看到閃光氙燈點(diǎn)亮，晶體端有蘭紫光。然后按下工作開(kāi)關(guān)(work)鍵，將激光電源工作電壓調(diào)至600V，頻率為1Hz，用黑色相紙觀察輸出光斑形狀。注意：當(dāng)激光器出光后，應(yīng)該將準(zhǔn)直激光器取出光路，或遮擋；長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)光照射將損壞準(zhǔn)直激光器。3. 仔細(xì)微調(diào)前腔鏡和后腔鏡，使得光斑在黑色相紙上打出的光斑印為圓形，此時(shí)激光輸出能量最強(qiáng)，使用能量計(jì)測(cè)量此時(shí)的激光能量值。改變氙燈電壓，用能量計(jì)測(cè)量激光器不同電壓下的能量值。注：電壓最大不要超過(guò)900V，以免燒壞氙燈。表1輸入電壓（V）輸出能量（mJ）500600700800900990

14、激光器腔鏡最佳輸出透過(guò)率選取實(shí)驗(yàn)Nd:YAG激光器d:YAG激光器準(zhǔn)直激光器后腔鏡前腔鏡圖51. 反復(fù)調(diào)節(jié)前后腔鏡的角度，使的激光出光能量最大。用能量計(jì)測(cè)量在不同電壓值下幾組靜態(tài)輸出能量。2. 更換其他透射率的前腔鏡，用能量計(jì)測(cè)量幾組靜態(tài)輸出能量。3. 對(duì)比更換不同透鏡后在相同電壓下的能量值，選取最佳輸出透過(guò)率。表2輸入電壓（V）40%透射率前腔鏡輸出能量（mJ）60%透射率前腔鏡輸出能量（mJ）80%透射率前腔鏡輸出能量（mJ）500600700800900990退壓電光調(diào)Q實(shí)驗(yàn)Nd:YAG激光器d:YAG激光器準(zhǔn)直激光器后腔鏡1. 根據(jù)“燈泵YAG電光調(diào)Q實(shí)驗(yàn)”實(shí)驗(yàn)裝配圖安裝所有的器件。偏

15、振片電光Q開(kāi)關(guān)前腔鏡圖62. 重復(fù)第一個(gè)實(shí)驗(yàn)的步驟1、步驟2、步驟3。3. 插入電光Q開(kāi)關(guān)到后腔鏡和Nd:YAG激光器之間，調(diào)整電光Q開(kāi)關(guān)的俯仰方位，使電光Q開(kāi)關(guān)的反射像與準(zhǔn)直激光器出口重合。將介質(zhì)偏振片插入到電光Q開(kāi)關(guān)和Nd:YAG激光器之間。4. 檢查水冷系統(tǒng)工作是否正常，打開(kāi)激光電源的鑰匙開(kāi)關(guān)。確定無(wú)誤后啟動(dòng)電源，在靜態(tài)情況下，調(diào)整頻率為1HZ，仔細(xì)微調(diào)兩塊諧振腔片，并微調(diào)調(diào)Q晶體架俯仰旋轉(zhuǎn)，使靜態(tài)激光輸出能量最強(qiáng)。此時(shí)用相紙檢測(cè)激光的光斑大小是否均勻。5. 插入偏振片，微調(diào)俯仰旋轉(zhuǎn)，使得激光能量最強(qiáng)，損耗最小。6. 按下激光電源的HV鍵，將電光Q兩端電壓加到3800V，繞光軸轉(zhuǎn)動(dòng)電光Q

16、開(kāi)關(guān)使激光器輸出最小，此時(shí)電光Q開(kāi)關(guān)處于關(guān)門(mén)狀態(tài)。關(guān)閉HV，測(cè)量激光能量，此狀態(tài)稱為開(kāi)門(mén)狀態(tài)。反復(fù)調(diào)整，使得開(kāi)門(mén)狀態(tài)能量值與關(guān)門(mén)能量值之比大于10:1。7. 將激光電源改到調(diào)Q狀態(tài)，此時(shí)輸出的激光為調(diào)Q激光。表3輸入電壓（V）靜態(tài)輸出（mJ）動(dòng)態(tài)輸出（mJ）500600700800900990升壓電光調(diào)Q實(shí)驗(yàn)1. 更換升壓調(diào)Q模塊。準(zhǔn)直激光器電光Q開(kāi)關(guān)前腔鏡Nd:YAG激光器d:YAG激光器后腔鏡偏振片圖72. 調(diào)整頻率為1HZ，仔細(xì)微調(diào)兩塊諧振腔片，并微調(diào)調(diào)Q晶體架俯仰旋轉(zhuǎn)，使靜態(tài)激光輸出能量最強(qiáng)。此時(shí)用相紙檢測(cè)激光的光斑大小是否均勻。3. 插入偏振片，微調(diào)俯仰旋轉(zhuǎn)，使得激光能量最強(qiáng)，損耗最

17、小。4. 按下激光電源的HV鍵，將電光Q兩端電壓加到3800V，繞光軸轉(zhuǎn)動(dòng)電光Q開(kāi)關(guān)使激光器輸出最小，此時(shí)電光Q開(kāi)關(guān)處于關(guān)門(mén)狀態(tài)。關(guān)閉HV，測(cè)量激光能量，此狀態(tài)稱為開(kāi)門(mén)狀態(tài)。反復(fù)調(diào)整，使得開(kāi)門(mén)狀態(tài)能量值與關(guān)門(mén)能量值之比大于10:1。5. 將激光電源改到調(diào)Q狀態(tài)，此時(shí)輸出的激光為升壓調(diào)Q激光。表4輸入電壓（V）靜態(tài)輸出（mJ）動(dòng)態(tài)輸出（mJ）500600700800900990調(diào)Q脈沖參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)1. 將激光電源改到調(diào)Q狀態(tài)，此時(shí)輸出的激光為調(diào)Q激光，也稱動(dòng)態(tài)激光或巨脈沖激光。此時(shí)再用相紙檢測(cè)激光的光斑，比較調(diào)Q時(shí)與空腔時(shí)激光打到相紙上光斑的顏色和聲音。2. 用探測(cè)器和示波器檢測(cè)調(diào)Q激光脈寬。注：由于激光能量較大，不應(yīng)將探測(cè)器直接對(duì)準(zhǔn)輸出的調(diào)Q激光，應(yīng)將白屏置于輸出端，用探測(cè)器接收白屏的散射光。圖8降壓調(diào)Q的脈沖圖脈沖寬度18.4ns。圖9升壓調(diào)Q脈沖圖脈沖寬度20ns。激光倍頻實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)直激光器后腔鏡偏振片1. 根據(jù)“燈泵YAG倍頻實(shí)驗(yàn)”實(shí)驗(yàn)裝配圖安裝所有的器件。KTP晶體Nd:YAG激光器d:YAG激光器前腔鏡電光Q開(kāi)關(guān)2. 完成第二個(gè)實(shí)驗(yàn)的步驟1、步驟2。3. 插入K