固體激光器綜合實驗資料

實驗一固體激光器綜合實驗一.主要功能和特點此套系統(tǒng)適用于光信息科學與技術、電子科學與技術、應用物理等相關專業(yè)?？蓽y量閾值、轉(zhuǎn)換效率，倍頻效率等參量，開設電光調(diào)Q,選模等實驗。使學生全面了解激光原理和激光技術，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殼，整體美觀大方，并可保護內(nèi)部裝置。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，采用內(nèi)置三角導軌，具有良好的穩(wěn)定性。所有器件均采用標準件，互換性強，并且都可以拆卸，便于學生動手裝調(diào)。本裝置的準直光源采用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、光強可調(diào)等優(yōu)點。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電光晶體進行電光調(diào)Q，可實現(xiàn)ns級脈寬激光的輸出。二：實驗原理（一）：激光原理簡介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，材料中處于下能態(tài)的原子數(shù)遠比上能態(tài)的多，電磁波與其發(fā)生作用，能使原子從低能級上升到高能級。這種原子在兩個能級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系：E2-弓二加1 （1.1）圖2.1自發(fā)輻射圖2.2受激吸收圖2.3受激輻射原子自發(fā)輻射的特點是原子的自發(fā)輻射幾率a21只與原子本身性質(zhì)有關，與外界輻射場無關。即原子自發(fā)輻射是完全隨機的，各個原子在自發(fā)躍遷中彼此無關，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，光能量分布在一個很寬的頻率范圍內(nèi)。（2） 受激吸收當原子系統(tǒng)受到外來的能量為hY21的光子照射時，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，同時吸收一個能量為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，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，還有一個相反的過程，即當原子受到外來的能量為hY21的光子照射時，如果hY21=E2-E1，則處在高能態(tài)E2上的原子也會受到外來的能量為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。這時原子將發(fā)射一個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的原子降落回低能級而發(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。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制為根據(jù)的。簡言之，當材料受到激勵，使得它的原子（分子）在高能級的分布多于低能級時，該材料就能夠以與能級差相應的頻率使輻射放大，從而產(chǎn)生激光⑺。2:調(diào)Q技術原理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、脈寬和間隔作隨機變化的尖峰脈沖組成的，如圖2.1。

每個尖峰的寬度約為0.1-1〃s,間隔為微秒量級，脈沖序列的長度大致與閃光燈泵浦時間相等，淀3S盥騷舞轍每個尖峰的寬度約為0.1-1〃s,間隔為微秒量級，脈沖序列的長度大致與閃光燈泵浦時間相等，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壓縮到納秒量級，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開關激光脈沖建立過程儲的能量Q表示光在腔內(nèi)傳播單次能量的損耗率，那么光在一個單程中的能量損耗為0W。設L為腔長，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。由（2.2）式和（2.3）式可見，當人和L一定時，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)上能級的粒子數(shù)大量積累。當積累到最大值，突然使腔內(nèi)損耗變小，Q值突增。這時，腔內(nèi)會像雪崩一樣以極快的速度建立起極強的振蕩，在短時間內(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極強的激光脈沖，我們稱之為巨脈沖。3）調(diào)Q激光的建立調(diào)Q技術就是通過某種方法（如改變損耗）使腔的Q值隨時間按一定程序變化的技術。在泵浦開始時使腔處于低Q值狀態(tài)，即提高振蕩閾值使振蕩不能形成，上能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)就可以大量積累，能量可以儲存的時間決定于激光上能級的壽命；當積累到最大值（飽和值）時，突然使腔的損耗減少，Q值突增，激光振蕩迅速建立起來，在極短的時間內(nèi)上能級的反轉(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，各參量隨時間的變化情況，如圖2.2所示。圖（a）表示泵浦速率wp隨時間的變化；圖（b）表示腔的Q值是時間的階躍函數(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隨時間的變化。在泵浦過程的大部分時間里諧振腔處于低Q值（Q。）狀態(tài)，故閾值很高不能起振，從而激光上能級的粒子數(shù)不斷積累，直到％時刻，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達到最大值An.，在這一時刻，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)），因此受激輻射增強非常迅速，激光介質(zhì)存儲的能量在極短的時間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芗ぽ椛鋱龅哪芰?，結(jié)果產(chǎn)生了一個峰值功率很高的窄脈沖。由圖還可看出，調(diào)Q脈沖的建立還有個過程，當Q值階躍上升時開始振蕩，在r='振蕩開始建立至以后一個較長的時間過程中，光子數(shù)4增長十分緩慢，如圖2.3所示，其值總是很小（^-^），受激輻射幾率很小，此時仍是自發(fā)輻射占優(yōu)勢。只有振i蕩持續(xù)到t=tD4增長到了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。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間&（也就是Q開關開啟的持續(xù)時間）。光子數(shù)的迅速增長，使俱迅速減少，到t。，時亥U，An=△%，光子數(shù)達到最大值4^之后，由于An〈An,，則4迅速減少此時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。如電光調(diào)Q、聲光調(diào)Q、機械轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q、可飽和吸收調(diào)Q等。而在本文中，我們將只對電光Q開關的相關技術進行探討。3晶體的電光效應光在介質(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。理論和實踐均證明：晶體的介電常數(shù)與加在晶體上的電場強度有關。所以，當加在晶體上的電場變化時，隨之將引起晶體折射率的變化，結(jié)果將導致光波在其中傳播規(guī)律的改變。外電場的變化引起介質(zhì)光學性能——折射率變化的現(xiàn)象稱為電光效應。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為例進行介紹。KD*P晶體屬于四方晶系42m晶類，光軸C與主軸Z重合。未加電場時，在主軸坐標系中，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。加電場后，由于晶體對稱性的影響，42m晶類只有Y,Y兩個獨立的線性電光系數(shù)。y是電場方向平行于光軸的電光系數(shù)，y|是電場方向垂直于光軸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當只在KD*P晶體光軸z方向加電場時上式變成：x2+y2z2 + +2yExy=1 (2.6)n20 n2e經(jīng)坐標變換，可求出此時在三個感應主軸上的主折射率: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，橢圓的長短軸方向x‘、y’相對于原光軸x、y轉(zhuǎn)了45°，轉(zhuǎn)角大小與外加電場大小無關，長、短半軸的長度即n,和n。由上式可看出它們的大小與Ez成線性關系，電場反向時長短軸互換，如圖2.5。圖2.5KD圖2.5KD松Y63縱向效應當光沿KD*P光軸z方向傳播時，在感應主軸x‘、y’兩方向偏振的光波分量，由于此時晶體在這兩者方向上的折射率不同，經(jīng)過長度為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對于人=1.0〃m、KD*P晶體的巳=4000V左右。4電光Q開關1）泡克耳斯盒Q開關可利用的電光效應有兩種，即泡克耳斯效應和克爾效應。前者發(fā)生于無點對稱中心的晶體內(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，當除去虛線框內(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，此類泡克耳斯盒Q開關中，施加的電場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，在這種結(jié)構(gòu)中，電場垂直于光束的傳播方向，半波電壓取決于晶體的厚度與長度之比，這種方式有一個優(yōu)點，即選擇適當?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。應用前一種結(jié)構(gòu)的主要有KD*P晶體；應用后一種結(jié)構(gòu)的主要有LN晶體。2）電光Q開關（1）泡克耳斯盒作退壓調(diào)Q以帶起偏振器的KD*P電光Q開關為例進行說明。帶起偏振器的KD*P電光Q開關，是一種啟用較早、應用較廣泛的電光品體調(diào)Q裝置，其特點是利用一個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。因為KD*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V、的外加電場。由于外加電場的作用，主軸方向會發(fā)生變化，分別變?yōu)閤’和）’，且與入射偏振方向成45°。這時調(diào)Q晶體起）；波片的作用，這樣，線偏振光通過晶體后會產(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處于關閉狀態(tài)，所以諧振腔的Q值很低，不能形成激光振蕩。雖然這時整個器件處在低Q值狀態(tài)，但由于氙燈一直在對YAG棒進行抽運，工作物質(zhì)中亞穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)便得到足夠的積累，當粒子反轉(zhuǎn)數(shù)達到最大時，突然去掉調(diào)制品體上的^4波長電壓，即電光開關迅速被打開，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)上和退壓應用時是相同的，只不過需要加入一個檢偏器（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）倍頻技術原理基本概念及原理利用非線性晶體在強激光作用下的二次非線性效應，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，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償正常色散而達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)，而所用品體應預先根據(jù)晶體光學的理論和有關的折射率數(shù)據(jù)計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”，因為兩個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”，因為第II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。）。實驗儀器圖3.1電光調(diào)Q激光器裝置圖半導體準直光源.（650nm）小孔光闌（62mm）.全反鏡（曲率半徑4m,鍍膜對1064nm的反射率R=99.8%（620））KD*PQ開關品體（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40、厚度25）10.Q開關驅(qū)動電路盒（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,便可實現(xiàn)退壓式電光調(diào)0 調(diào)Q后輸出的激光叫動態(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，測量倍頻效率?附件儀器附件:光電探測器（連續(xù)探測器脈沖探測器短脈沖探測器能量探測器（各一個））機柜（MC10電源水冷系統(tǒng)）激光防護鏡（兩副）實驗用具：靶紙 上轉(zhuǎn)光片（一個）六角扳于洗耳球毛玻璃片（各一個）鏡頭紙（一本） 滴瓶（一個） 觀測鏡（一個）選配器件：示波器（300MHz以上）實驗內(nèi)容1.固體激光器的裝調(diào)1）裝調(diào)：調(diào)整半導體準直光源，使小孔光束在通過導軌中心線的垂面并與導軌表面平行。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返回小孔。2）選模：固定的諧振腔可能激勵的橫模與腔型結(jié)構(gòu)、損耗大小和激勵水平等因素有密切關系。低階模與較小的光束發(fā)散角相對應，所以為獲得單一基模輸出必須采取橫模選擇技術。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，可用小孔光闌和擴束望遠鏡實現(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。此實驗采用小孔選模3） 測量靜態(tài)激光的閾值；4） 測量靜態(tài)激光及燈光脈沖寬度；5） 測量靜態(tài)激光輸出能量，描繪斜效率曲線；6） 計算靜態(tài)激光的峰值功率。電光調(diào)Q實驗1） 調(diào)試激光器，測量其關門電壓及閾值能量；2） 測量動態(tài)激光輸出能量；3） 測量動態(tài)激光的脈沖寬度；4） 計算動態(tài)激光的峰值功率；5） 計算激光器的轉(zhuǎn)換效率及輸出激光的動靜比；被動調(diào)Q實驗1） Cr4+:YAG品體飽和吸收特性的研究；2） 測量激光輸出脈寬及能量；3） 計算峰值功率；4） 被動調(diào)Q激光器的搭建；非線性光學實驗1） 從理論上計算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） 計算晶體的倍頻效率；5） 改變注入能量，觀察其對倍頻效率的影響；6） 描繪“注入能量一倍頻效率”曲線；實驗過程與數(shù)據(jù)（一）激光器的裝調(diào)

準備：需要的元件(〈從左至右〉半導體準直光(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.半導體準直光(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)的好壞直接關系著出光的效果，調(diào)節(jié)的好，一般可以直接出光，對下面的實驗有很大的幫助。激光器的調(diào)節(jié)、調(diào)準直光：接通半導體準直光光源的電源，將小孔光闌放在靠近準直光處，江洪光正通過小孔，再將光闌拉遠，調(diào)節(jié)準直光的水平和俯仰旋鈕，在使準直光通過光闌小孔，反復幾次上一過程直到小孔光闌放在導軌的任何地方準直光都通過光闌小孔。注：同時要考慮棒的高度，不要低于棒的中心，最好高出4-5mm，因為加偏振片光路會下偏。、調(diào)節(jié)棒的高度：先調(diào)棒的靠近準直光端，使準直光點通過棒的中心或略高，再調(diào)遠端，使反射像回到小孔光闌的小孔內(nèi)，旋緊螺絲時要均勻用力，時時關注反射像，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，再使全反鏡遠離光闌重復以上操作，直到全反鏡放在導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、偏振片一般一個星期清洗一次，調(diào)Q品體的清洗比較困難，一般用長絨棉輕擦或用洗耳球吹。2） 、棒和燈：若用自來水，一個月就必須清洗；用去離子水或蒸餾水1—2個月清洗一次就可以。3） 、在打相紙時一定要遠離輸出鏡或外套一透明袋。2.激光器閾值的測量圖5.2閾值測量示意圖激光器的光路調(diào)好后，導軌上只保留1、2、3、6、7五個器件，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的示波器探測波形。波形如圖所示，閾值為400V：圖5.2閾值測量示意圖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閾值點波形

圖5.4靜態(tài)光斑圖（二）電光調(diào)Q實驗1.激光器的輸出能量和輸出脈沖寬度的測量（加偏振片，調(diào)好光路）1）.實驗步驟閾值點測量完成后，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，用熱釋電探頭測量能量，用普通脈沖探頭測量靜態(tài)激光脈寬，一般脈沖設為每秒一次。圖5.5脈沖寬度測量示意圖2）.實驗數(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)換效率的測量與計算輸入能量二電容*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)散角的測量圖5.9發(fā)散角測量圖在靜態(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實驗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開關驅(qū)動電路3）步驟：在靜態(tài)基礎上，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，同時調(diào)節(jié)晶壓和輸入電壓，從小到大，每隔20V時，調(diào)節(jié)KD*P晶體的水平和俯仰旋鈕，用脈沖探頭探測波形，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，示波器的伏/格不能太大。圖5.11注：探頭的距離不要太遠，示波器的伏/格不能太大。圖5.11關門波形參考數(shù)據(jù)：電壓：880V 晶壓：3700V延時調(diào)節(jié)和動靜比的測量1）延時調(diào)節(jié)（1） 實驗器件示波器：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：關門調(diào)好后，要對退壓延時進行調(diào)節(jié)，使輸出的激光能量達到最大值，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)解示波器可以觀測到激光延時波形，旋轉(zhuǎn)電源上的延時旋鈕可以調(diào)節(jié)延時時間，一般將延時調(diào)到波形下降沿的一半處。延時的調(diào)節(jié)對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退壓延時波形2）動靜比的測量,連接好示波器、熱釋電探頭（8mv/mj）、用普通脈沖探頭測量靜態(tài)激光脈寬，勇（1）調(diào)節(jié)好關門和延時后，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）、用普通脈沖探頭測量靜態(tài)激光脈寬，勇GT-106脈沖探頭測量動態(tài)脈寬。動態(tài)輸出能量

動靜比=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動態(tài)測量圖（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）動態(tài)激光能量（mV）動態(tài)脈沖寬度（ns）動靜比560178079.25154014.0086.52%600228082.85194010.3785.09%640279086.1023209.63383.15%680344088.6628038.30081.47圖5.14動、靜態(tài)能量輸出曲線圖5.15動靜比曲線圖5.14動、靜態(tài)能量輸出曲線圖5.15動靜比曲線分析:，動靜比的計算是由加入偏振片和Q品體后，測量得到的靜態(tài)能量比動態(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，動靜比將減小。可以認為，高能量輸入下的動態(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動態(tài)脈寬波形圖5.17動態(tài)能量波形圖5.18靜態(tài)光斑圖5.19動態(tài)光斑（三）被動調(diào)Q實驗被動式可飽和吸收調(diào)Q原理:被動調(diào)Q是利用被動調(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。在能量密度達到某一高值時，材料就會“飽和”或“漂白”，從而導致產(chǎn)生很高的透射率?？娠柡臀阵w中的漂白過程是基于光譜躍遷的飽和。如果將對激光波長具有很高吸收率的材料安裝在激光器諧振腔中，它會在最開始時阻止激光震蕩的發(fā)生。隨著增益在泵浦脈沖期間的增大并超過往返損耗時，腔內(nèi)的光通量會急劇增大，導致被動Q開關達到飽和。在這種條件下，損耗很底，從而建立起。開關脈沖。實驗步驟1） 關閉電源，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，使準直光恰好通過晶體的中心。4） 打開點電源，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低能量下被動調(diào)Q激光波形圖5.26較高能量下被動調(diào)Q激光波形（四）非線性光學實驗倍頻晶體角度匹配實驗首先按照前面提到的步驟調(diào)節(jié)動態(tài)激光直到光斑均勻圓整。之后可用像紙的背面接受動態(tài)激光若沒有發(fā)現(xiàn)強點，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，關閉激光輸出，加入倍頻晶體KTP，調(diào)整晶體的位置，打開半導體準直光源，使紅光正好通過晶體的中心且倍頻晶體前后兩個面的反射像都要返回小孔光闌，之后鎖緊晶體的光具座，關閉半導體準直光源。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（打點方向）要與1064偏振方向成45度，后再細調(diào)。打點是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。此時調(diào)試得到是倍頻效率最高點。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，可以進行倍頻光的分光和倍頻效率的測量。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，我們采用動態(tài)光下的倍頻光作為測量對象。但由于人眼對強綠光極其敏感容易致盲，所以建議實驗者佩戴防護眼鏡，且操作者嚴禁佩戴戒指手表等高反射金屬飾品，以防強光反射造成傷害。倍頻效率的測量和計算：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。為了測得532nm激光能量，我們使用一個60°等邊色散棱鏡將其分光，分別測得各自的能量：E1（532nm的能量），E2（1064nm的能量），則：倍頻效率門=Eix100%E1+E2圖5.21分光示意圖操作時關閉激光器，加入分光棱鏡，開準直光，找到偏折后光斑大致位置，鎖緊光具座。關閉準直光源，打開動態(tài)激光，能觀察到強的綠光輸出，此時用像紙在輸出一段距離后接收會發(fā)現(xiàn)像紙上會同時出現(xiàn)左右兩個光斑，面對像紙，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方向間的夾角最小處。具體說明如下：最小偏向角的計算：下為測量示意圖：熱樣電探頭ISPciti101cm177cmISPcitiltJ64iutiLaser熱樣電探頭ISPciti101cm177cmISPcitiltJ64iutiLaser創(chuàng)。分光棱鏡接收屏圖5.24最小偏向角測量示意圖利用余弦定理a2+b2-2bccosa=C2，其中a=101cm，b=177cm，c=139cm，計算得cosa=0.621a=51.77°六使用及維護一、 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