第二章激光單元技術(shù)之調(diào)Q實(shí)驗(yàn)

調(diào)Q實(shí)驗(yàn)

歷史背景

研究意義

調(diào)Ｑ原理和方法

實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

注意事項(xiàng)

思考與討論

歷史背景

1960年5月休斯實(shí)驗(yàn)室的梅曼（C．M．Maman）采用紅寶石晶體做激光器的工作物質(zhì)，用氙燈做泵浦源，制成了世界上第一臺(tái)激光器．度為10-7s量級(jí)；隨后的幾年發(fā)展得非常快，出現(xiàn)了多種調(diào)Q方法（如電光調(diào)Q、聲光調(diào)Q、可飽和吸收調(diào)Q等），輸出功率幾乎呈直線上升，脈寬壓縮也取得了很大進(jìn)展。80年代，調(diào)Q技術(shù)產(chǎn)生脈寬為納秒（ns）量級(jí)，峰值功率為吉瓦（GW）量級(jí)的巨脈沖已并非困難。激光問(wèn)世不久，

1961

年就有人提出了調(diào)Q的概念，即設(shè)想采用一種方法把全部光輻射能壓縮到極窄的脈沖中發(fā)射；1962

年，制成了第一臺(tái)調(diào)Q激光器，輸出峰值功率為600千瓦，脈沖寬研究意義固體激光器的應(yīng)用主要集中在科研與開(kāi)發(fā)、加工、醫(yī)療和軍用等四個(gè)方面。在科研與開(kāi)發(fā)方面，涉及面很廣，包括作核聚變研究用的高峰值功率激光器系統(tǒng)、作光譜研究和新材料開(kāi)發(fā)用的超短脈沖激光器和可調(diào)諧激光器、作脈沖全息攝影用的紅寶石激光器、作高速攝影用的超短脈沖激光器、測(cè)量人造地球衛(wèi)星軌跡和月球表面用的高精度激光測(cè)距儀、遙感用的激光雷達(dá)等等。一般固體脈沖激光器由于存在馳豫振蕩現(xiàn)象，輸出激光為一無(wú)規(guī)尖峰脈沖序列，其總的脈沖寬度持續(xù)幾百微秒甚至幾毫秒，峰值功率也只有幾十千瓦的水平，遠(yuǎn)不能滿足諸如激光精密測(cè)距、激光雷達(dá)、高速攝影、高分辨率光譜學(xué)研究等的要求，正是在這些要求的推動(dòng)下，人們研究和發(fā)展了調(diào)Q技術(shù)。

1961年底，鄧錫銘幾乎與國(guó)外同時(shí)，獨(dú)立提出了高功率激光Q開(kāi)關(guān)原理。他非常形象地解釋：把Q開(kāi)關(guān)比喻為一個(gè)稍有漏水(自發(fā)輻射躍遷)的抽水馬桶，當(dāng)水箱被灌(光泵注入能量)滿之后水箱底部的蓋快速揭開(kāi)(Q值突變)，水(激光能量)就一涌而出(激光峰值功率輸出)。采用調(diào)Ｑ技術(shù)很容易獲得峰值功率高于兆瓦、脈寬為數(shù)十個(gè)納秒的激光巨脈沖。

調(diào)Q技術(shù)的出現(xiàn)是激光發(fā)展史上的一個(gè)重大突破。它不僅大大推動(dòng)了一些應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展且成為科學(xué)研究的有力工具。鄧錫銘在示波器上觀察的調(diào)Ｑ后的巨脈沖調(diào)Ｑ原理和方法

通過(guò)某種方法，使諧振腔的損耗δ(或Ｑ值）按照規(guī)定的程序變化，在光泵激勵(lì)剛開(kāi)始時(shí)，先使光腔具有高損耗δH,激光器由于處于高閾值而不能產(chǎn)生振蕩，于是激光上能級(jí)亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)可以積累到較高的水平。當(dāng)其粒子數(shù)積累到相應(yīng)于泵浦而言最大值時(shí)，使腔的損耗突然降低到δL，閾值也隨之突然降低。此時(shí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大大超過(guò)閾值，受激輻射極為迅速地增強(qiáng)。于是在極短時(shí)間內(nèi)，上能級(jí)貯存的大部分粒子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饽芰浚谳敵龆擞幸粋€(gè)強(qiáng)的激光巨脈沖輸出。目前的調(diào)Ｑ技術(shù)聲光調(diào)Ｑ

轉(zhuǎn)鏡調(diào)Ｑ

染料調(diào)Ｑ

……電光調(diào)Ｑ電光調(diào)Ｑ（主動(dòng)調(diào)Ｑ）電光調(diào)Ｑ開(kāi)關(guān)通常也稱為普克爾盒開(kāi)關(guān)，它的基本原理是利用某些單軸晶體的線性電光效應(yīng)，使通過(guò)晶體的光束的偏振狀態(tài)發(fā)生改變，從而達(dá)到接通或切斷腔內(nèi)振蕩光路的開(kāi)關(guān)作用。線性電光開(kāi)關(guān)基本上又可分為兩類：一類是利用KD*P(磷酸二氫鉀）型晶體的縱向線性電光效應(yīng)，即光束方向及外加電場(chǎng)方向均與晶體光軸同向；另一類是利用LiNbO3（鈮酸鋰）型晶體的橫向線性電光效應(yīng)，即光束與晶體光軸同向，而外加電場(chǎng)方向與光軸及光束方向相垂直。一般多使用帶起偏器的λ/４電光開(kāi)關(guān)，這種開(kāi)關(guān)又分為退壓和加壓兩種工作方式。下圖為退壓式電光開(kāi)關(guān)，電光晶體施加λ/４調(diào)制電壓，由棒透過(guò)起偏器的Ｐ線偏振光兩次通過(guò)電光晶體后，偏振面正好偏轉(zhuǎn)90°變成Ｓ光，被偏振片反射到腔外，激光器處于高損耗關(guān)門狀態(tài)，當(dāng)突然去掉晶體上的調(diào)制電壓后，開(kāi)關(guān)迅速打開(kāi)，振蕩光路接通，從而產(chǎn)生強(qiáng)的短脈沖激光振蕩輸出。退壓式調(diào)Ｑ示意圖激光電源調(diào)Ｑ模塊輸出鏡全反鏡

YAG晶體棒脈沖氙燈偏振片電光晶體調(diào)制電壓

……損耗高不能振蕩損耗低輸出巨脈沖聚光腔

下圖為加壓式調(diào)Ｑ示意圖，與上不同的是在晶體和偏振片間插入一塊λ

４波片。旋轉(zhuǎn)λ

４波片使激光器處于關(guān)門狀態(tài)，當(dāng)突然在晶體上施加λ

４電壓后，電光晶體抵消λ

４波片的作用，接通光路，產(chǎn)生短脈沖激光輸出。加壓式調(diào)Ｑ示意圖激光電源調(diào)Ｑ模塊輸出鏡全反鏡

YAG晶體棒脈沖氙燈偏振片電光晶體……調(diào)制電壓

損耗高不能振蕩損耗低輸出巨脈沖聚光腔染料調(diào)Ｑ（被動(dòng)調(diào)Ｑ）工作原理：是利用染料的飽和吸收（光漂白）作用控制諧振腔的損耗。中心頻率處染料吸收系數(shù)：IS:飽和光強(qiáng)

I:光強(qiáng)

α0:小信號(hào)吸收系數(shù)吸收系數(shù)隨光強(qiáng)變化的曲線

將染料盒放在諧振腔中，泵浦開(kāi)始時(shí)，染料吸收大，諧振腔損耗大，不起振。隨著激光工作物質(zhì)中反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的積累，放大的自發(fā)輻射增加，當(dāng)光強(qiáng)與染料的飽和光強(qiáng)可比擬時(shí)，吸收系數(shù)顯著減少。這一過(guò)程發(fā)展到一定程度時(shí)，增益等于損耗，激光器起振。隨著激光強(qiáng)度的增加，染料的吸收系數(shù)繼續(xù)下降，這又促使激光迅速增加，產(chǎn)生受激輻射不斷增加的雪崩過(guò)程。當(dāng)激光光強(qiáng)增加至可以與增益介質(zhì)的飽和光強(qiáng)比擬時(shí)，增益系數(shù)顯著下降，最終導(dǎo)致激光熄滅。染料調(diào)Ｑ示意圖

激光電源輸出鏡鍍?nèi)慈玖虾?/p>

YAG晶體棒脈沖氙燈電光調(diào)Ｑ結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)，輸出巨脈沖穩(wěn)定，重復(fù)性好。但是此種Ｑ開(kāi)關(guān)由外加信號(hào)控制，難以實(shí)現(xiàn)與激光增益變化的匹配。另外。電光晶體需要幾千伏的高壓脈沖，對(duì)其他電子線路易造成干擾。染料調(diào)Ｑ結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，沒(méi)有電的干擾，但是它是一種被動(dòng)式Ｑ開(kāi)關(guān)，產(chǎn)生調(diào)Ｑ脈沖的時(shí)刻有一定的隨機(jī)性，不能人為的控制。另外，由于飽和吸收時(shí)的透過(guò)率也不是100%，故有一定的光學(xué)損耗，影響調(diào)Ｑ的效率。聚光腔實(shí)驗(yàn)儀器

全反鏡

電光晶體偏振片

聚光腔輸出鏡鍍?nèi)慈玖虾休敵鲧R調(diào)Ｑ模塊染料調(diào)Ｑ激光器聚光腔電光調(diào)Ｑ激光器激光電源為YAG激光器提供高電壓及其它控制電壓電光晶體LiNbO3（鈮酸鋰）外加電場(chǎng)方向與光軸及光束方向相垂直本實(shí)驗(yàn)中電光晶體的電源采用的是加壓式電源。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、諧振腔的調(diào)試

在激光工作物質(zhì)兩端安放兩個(gè)介質(zhì)反射膜片構(gòu)成固體激光器的諧振腔。要使激光器能正常工作，必須將兩介質(zhì)膜片及激光工作物質(zhì)調(diào)到共軸。我們使用He-Ne激光束調(diào)整激光器。

調(diào)整時(shí)先將He-Ne激光器準(zhǔn)直，為方便一般附加兩個(gè)反射鏡M3、M4。在He-Ne激光器前放置一個(gè)小孔光闌(孔徑1mm)，使光束通過(guò)光欄。調(diào)整M3、M4使He-Ne光束通過(guò)激光棒中心，近端端面反射光點(diǎn)能通過(guò)光闌,接著調(diào)整M2使其反射光點(diǎn)也通過(guò)光闌,最后調(diào)整M1使其反射光點(diǎn)通過(guò)光闌。這樣棒和二介質(zhì)膜反射鏡M1、M2都達(dá)到了同軸。一般此時(shí)就能出光，稍作動(dòng)態(tài)調(diào)整使其輸出最佳。輸出鏡

YAG晶體棒脈沖氙燈He-Ne激光器光闌M1M4M3M2He-Ne激光束調(diào)整激光器示意圖He-Ne激光器M4M3小孔光闌2、實(shí)驗(yàn)及測(cè)試

我們測(cè)試脈沖波形，脈沖寬度和能量，以檢驗(yàn)調(diào)整質(zhì)量。激光器輸出性能與激光輸出鏡的反射率有關(guān),即存在最佳反射率Rm。一般中小功率Nd:YAG激光器，不調(diào)Ｑ的靜態(tài)激光器的輸出鏡反射率Ｒ∽50％，而調(diào)Ｑ的動(dòng)態(tài)激光器的輸出鏡Ｒ

20％。(1)加壓式電光調(diào)Q

①選用Ｒ∽4％的Ｋ9玻璃片作輸出鏡。先將偏振片插入諧振腔內(nèi)，利用He-Ne激光進(jìn)行準(zhǔn)直，再依次插入晶體Ｑ開(kāi)關(guān)和

/4波片一一進(jìn)行準(zhǔn)直。啟動(dòng)泵浦源、旋轉(zhuǎn)

/4波片使激光器輸出為零或最小，即處于封死狀態(tài)。在適當(dāng)?shù)妮斎肽芰肯?，打開(kāi)加壓Ｑ開(kāi)關(guān)，微調(diào)使激光輸出最佳，像紙取光斑觀察。然后測(cè)出三次能量平均值，即動(dòng)態(tài)激光輸出能量，用示波器測(cè)量脈寬（約10ns）。②抽出

/4波片，換Ｒ∽50％的輸出鏡，調(diào)到激光輸出最佳，測(cè)三次能量平均值，即靜態(tài)輸出激光能量。③數(shù)據(jù)處理動(dòng)靜比

=動(dòng)態(tài)輸出激光能量

靜態(tài)輸出激光能量

調(diào)Ｑ激光峰值功率

=調(diào)Ｑ輸出激光能量

調(diào)Ｑ激光脈寬

靜態(tài)激光峰值功率

=靜態(tài)輸出激光能量

靜態(tài)激光脈寬

(2)染料調(diào)Q

①我們?nèi)?dòng)、靜態(tài)激光輸出鏡反射率均為Ｒ＝30％。利用He-Ne激光準(zhǔn)值，啟動(dòng)泵浦源，在適當(dāng)?shù)妮斎肽芰肯?，微調(diào)使激光輸出最好，像紙取光斑觀察，測(cè)出三次能量平均值，即動(dòng)態(tài)輸出激光能量，示波器測(cè)量脈寬（∽10ns）。②保持輸入能量不變的情況下，將BDN染料盒換成1.06

m的全反鏡，調(diào)整輸出最佳，像紙取光斑觀察，然后測(cè)量三次取平均，即靜態(tài)輸出激光能量。③數(shù)據(jù)處理與電光調(diào)Q同。用于測(cè)量激光能量的激光功率能量計(jì)注意事項(xiàng)

脈沖Nd:YAG激光器輻射的激光功率非常高，使用過(guò)程中稍有不慎，激光束就會(huì)損傷身體或物品，輕則燒壞衣物，燒傷皮膚，重則造成眼睛永久性失明；如果照射到某些危險(xiǎn)物上甚至?xí)鸹馂?zāi)和爆炸。激光器泵浦閃光燈電源、觸發(fā)電源和調(diào)Q電源都使用高壓電，意外觸及可造成人身傷害。因此，在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意以下安全事項(xiàng)：

1、儀器啟動(dòng)后，不準(zhǔn)向激光腔內(nèi)窺視。

2、絕對(duì)禁止直接或反射的激光射入眼內(nèi)，有關(guān)人員應(yīng)配戴激光防護(hù)鏡。

3、嚴(yán)禁學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)打開(kāi)電源箱外殼，以防剩余電壓傷人或損傷儀器