YAG激光器主要由泵浦源、工作物质和谐振腔组成，工作物质为掺钕钇榴石(Nd:YAG)，即在YAG基质中掺入激活离子Nd就成为(Nd: YAG)，谐振腔由两块介质膜片构成。

本综合实验包含电光调Q、选模等实验，可测量阈值、转换效率、倍频效率等激光器参量。通过实验能使学生全面了解激光原理和激光技术，掌握电光调Q系统的调试方法。

【实验目的】

(1)了解固体脉冲激光器的基本原理;

(2)学习激光器的安装和调试方法;

(3)掌握激光器的主要性能及基本技术参数的测试方法;

(4)学会选模的方法;

(5)理解退压式电光调Q的基本原理及方法;

(6)学会电光Q开关装置的调试;

(7)掌握被动调Q的原理及方法;

(8)了解被动Q开关性能参数对激光输出特性的影响;

(9)了解激光倍频的原理和意义;

(10)掌握角度匹配的调节方法;

(11)了解KTP晶体匹配角度的计算方法;

(12)掌握倍频效率的测量方法及倍频效率随注入能量的变化规律。

【实验原理】

一、激光原理简介

(一)激光原理

1. 自发辐射

根据玻尔的理论，原子只能存在分立的能态，处在不同能态的原子具有不同的能量。若原子处于能量最低的能量状态，则称此原子处于基态，其他比基态能量高的状态，都叫做激发态。在热平衡时，物质中处于下能态的原子数远比上能态的多。电磁波与其发生作用，能使原子从低能级上升到高能级。这种原子在两个能级之间的变化叫做跃迁。可以说，处于基态的原子，从外界吸收能量以后，将跃迁到能量较高的激发态。

处于高能态上的原子是不稳定的，它总是力图使自己回到最低的能量状态; 即使在没有任何外界作用的情况下，它也有可能从高能态E2跃迁到低能态并把相应的能量释放出来。这种在没有外界作用的情况下，原子从高能态向低能态的跃迁方式有两种: 一种是在跃迁过程中，释放的能量以热量的形式放出，这称为无辐射跃迁; 另一种是在跃迁过程中，释放出的能量通过光辐射的形式放出，这称为自发辐射跃迁，如图1.1所示。辐射的光子能量满足波尔关系:

E2-E1=hν21(1.1)

图1.1 自发辐射

原子自发辐射的特点是原子的自发辐射几率A21只与原子本身性质有关，与外界辐射场无关。即原子自发辐射是完全随机的，各个原子在自发跃迁中彼此无关，这样产生的自发辐射光在相位、偏振态以及传播方向上都是杂乱无章的，光能量分布在一个很宽的频率范围内。

2. 受激吸收

当原子系统受到能量为hν21的光子照射时，如果满足hν21=E2-E1，则处于低能态E1上的原子受到激发，跃迁到高能态E2上去，同时吸收一个能量为hν21的光子，这种过程称为光的受激吸收，如图1.2所示。

图1.2 受激吸收

原子的受激吸收几率与外来的光辐射能量密度ρ(V)的数值大小有关，ρ(V)越大，几率W12就越大。所以，与自发辐射几率不同，原子的受激吸收几率是随ρ(V)而变化的。

3. 受激辐射

与光的受激吸收过程相对应的，还有一个相反的过程，即当处在高能态的原子受到能量为hν21的外来光子照射时，如果满足hν21=E2-E1，则处在高能态E2上的原子也会受到外来的能量为hν21的光子的诱发，而从高能态E2跃迁到低能态E1上去。这时原子将发射一个和外来光子能量相同的光子，这种过程叫做受激辐射，如图1.3所示。在这种辐射过程中产生的光便是激光。

图1.3 受激辐射

在激光器中，外部泵浦源使激光材料中的粒子(原子)从低能态跃迁到高能态，即泵浦辐射导致“粒子数反转”。使频率适中的电磁波入射到该“反转”的激光材料上，入射光子将使高能级的原子降落回低能级而发射出附加的光子，形成光波放大。最终，能量从原子系统萃取出来，供给到辐射场。这一切都是以之前所述的原子系统受激吸收——受激辐射一系列机制为根据的。

简而言之，当材料受到激励，使得它的原子(分子)在高能级的分布多于低能级时，该材料就能够以与能级差相应的频率使辐射放大，从而产生激光。

(二)调Q技术原理

1. 调Q的意义

普通脉冲固体激光器输出的脉冲，是由许多振幅、脉宽和间隔做随机变化的尖峰脉冲组成的，如图1.4所示。

每个尖峰的宽度约为0.1～1μs，间隔为微秒量级，脉冲序列的长度大致与闪光灯泵浦时间相等，这种现象称为激光器迟豫振荡。如此，激光器的能量分散在这样一串脉冲中，因而不可能有很高的峰值功率，这是因为通常的激光谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵浦使反转粒子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很大的反转粒子数，只能被限制在阈值反转数附近。

图1.4 静态激光脉冲中的迟豫振荡

调Q能够抑制弛豫振荡，将输出激光的脉宽从微秒量级压缩到纳秒量级，从而大大提高峰值功率。

2. 调Q的原理

从激光产生的原理得知，激光器振荡的阈值条件可以表示为:

而，所以

式(1.3)中，g是模式数目，A21是自发辐射几率，是光子在腔内的寿命。我们引入品质因数Q，将它定义为

式中，ν0为激光的中心频率。用W表示腔内存储的能量，δ表示光在腔内传播单次能量的损耗率，那么光在一个单程中的能量损耗为δW。设L为腔长，n为介质折射率，c为光速，则光在腔内走一单程所需的时间为n L/c。由此，光在腔内每秒钟损耗的能量为。这样，Q值就可表示为:

式中，λ0为真空中激光中心波长。由式(1.3)和式(1.4)可知，当λ和L一定时，Q值与谐振腔损耗成反比，即损耗大，Q值就低，阈值高，不易起振; 损耗小，Q值就高，则阈值低，易于起振。由此提高振荡阈值，振荡不能形成，使激光工作物质上能级的粒子数大量积累。当积累到最大值时，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的振荡，在短时间内反转粒子数大量被消耗，转变为腔内的光能量，并在输出镜一端输出一个极强的激光脉冲，我们称之为巨脉冲。

3. 调Q激光的建立

调Q技术就是通过某种方法(如改变损耗)使腔的Q值随时间按一定程序变化的技术。在泵浦开始时使腔处于低Q值状态，即提高振荡阈值使振荡不能形成，上能级的反转粒子数就可以大量积累，能量可以储存的时间决定于激光上能级的寿命; 当积累到最大值(饱和值)时，突然使腔的损耗减少，Q值突增，激光振荡迅速建立起来，在极短的时间内上能级的反转粒子数被消耗，转变为腔内的光能量，从腔的输出端以单一脉冲形式释放出来，于是就获得峰值功率很高的巨脉冲。

调Q激光脉冲的建立过程，各参量随时间的变化情况，如图1.5所示。图1.5(a)表示泵浦速率Wp随时间的变化; 图1.5(b)表示腔的Q值是时间的阶跃函数; 图1.5 (c)表示粒子反转数Δn的变化; 图1.5(d)表示腔内光子数φ随时间的变化。在泵浦过程的大部分时间里谐振腔处于低Q值(Q0)状态，故阈值很高不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，直到t0时刻，粒子数反转达到最大值Δni，在这一时刻，Q值突然升高(损耗下降)，振荡阈值随之降低，于是激光振荡开始建立。由于(阈值粒子反转数)，因此受激辐射增强非常迅速，激光介质存储的能量在极短的时间内转变为受激辐射场的能量，结果产生了一个峰值功率很高的窄脉冲。

图1.5 Q开关激光脉冲建立过程

由图还可看出调Q脉冲的建立还有个过程，当Q值阶跃上升时开始振荡，在t=t0振荡开始建立至以后一个较长的时间过程中，光子数φ增长十分缓慢，如图1.6所示，其值总是很小(φ≈φi)，受激辐射几率很小，此时仍是自发辐射占优势。只有振荡持续到t=t D，φ增长到了φD，雪崩过程才形成，φ才迅速增大，受激辐射才迅速超过自发辐射而占优势。因此，调Q脉冲从振荡开始建立到巨脉冲激光形成需要一定的延迟时间Δt(也就是Q开关开启的持续时间)。光子数的迅速增长，使Δni迅速减少，到t=tp时刻，Δni=Δnt，光子数达到最大值φm之后，由于Δn＜Δnt，则φ迅速减少，此时Δn=Δnf，为振荡终止后工作物质中剩余的粒子数。可见，调Q脉冲的峰值是发生在工作物质的反转粒子数等于谐振腔的阈值反转粒子数的时刻。

图1.6 从开始振荡到脉冲形成

综上所述，既然谐振腔的Q值与损耗δ成反比，那么只要按照一定的规律改变谐振腔的δ值，就可以使Q值发生相应的变化; 而谐振腔的损耗包括反射损耗、衍射损耗、吸收损耗等，这样，我们便可以通过各种不同的方式控制不同类型的损耗变化，如此，就形成了种种不同的调Q技术。如电光调Q、声光调Q、机械转镜调Q、可饱和吸收调Q等。而在本实验中，我们将只对电光Q开关的相关技术进行探讨。

(三)晶体的电光效应

光在介质中的传播规律受到介质折射率的分布情况的限制，而介质折射率的分布与其介电常数密度相关。理论和实践均证明: 晶体的介电常数与加在晶体上的电场强度有关。所以，当加在晶体上的电场变化时，随之将引起晶体折射率的变化，结果将导致光波在其中传播规律的改变。外电场的变化引起介质光学性能——折射率变化的现象称为电光效应。该过程中，通过晶体的光波两分量产生位相差，偏振方向发生变化。如图1.7所示。

图1.7 纵向电光调制器的结构图

下面，以KD*P晶体的纵向电光效应为例进行介绍。

KD*P晶体属于四方晶系42m晶类，光轴C与主轴Z重合。未加电场时，在主轴坐标系中，其折射率椭球方程为:

其中，no、ne分别为寻常光和非寻常光的折射率。加电场后，由于晶体对称性的影响， 42m晶类只有γ63与γ41两个独立的线性电光系数。γ63是电场方向平行于光轴的电光系数，γ41是电场方向垂直于光轴的电光系数。KD*P晶体加外电场后的折射率椭球方程是:

当只在KD*P晶体光轴Z方向加电场时上式变成:

经坐标变换，可求出此时在三个感应主轴上的主折射率:

上式表明，在Ez作用下KD*P变为双轴晶体，折射率椭球的xy截面由圆变为椭圆，椭圆的长短轴方向x、y相对于原光轴x、y转了45°，转角大小与外加电场大小无关，长、短半轴的长度即ny'和nx'。由上式可看出它们的大小与Ez呈线性关系，电场反向时长短轴互换，如图1.8所示。

当光沿KD*P光轴Z方向传播时，在感应主轴x、y'两方向偏振的光波分量，由于此时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:

式中，Vz=Ezl为加在晶体z向两端的直流电压。

使光波两个分量产生位相差所需要加的电压，称为“电压”，以表示，即

图1.8 KD*Pγ63纵向效应

KD*P晶体的光电系数γ63=23.6×10-12m/V。对于λ=1.0μm，KD*P晶体的为4000V左右。

(四)电光Q开关

1. 泡克耳斯盒

Q开关可利用的电光效应有两种，即泡克耳斯效应和克尔效应。前者发生于无点对称中心的晶体内，后者则发生在某些液体中。利用泡克耳斯效应制成的电光盒称为泡克耳斯盒，利用克尔效应制成的电光盒称为克尔盒。泡克耳斯盒所需要的电压仅为克尔盒的1/10～1/5，它是Q开关脉冲激光器使用得最多的有源器件。

一般在脉冲固体激光器中常用的电光调Q装置经常采用如图1.9所示的结构: 由2、3、4三部分组成的电光调Q装置位于工作物质和全反射镜之间，夹在两块偏振片中间的是泡克耳斯电光盒。

图1.9 在固体激光器中加入泡克耳斯盒调Q装置示意图

在这种结构中，泡克耳斯盒既可用作加压式Q开关，除去虚线框内的检偏器后也可用作退压式调Q。

泡克耳斯盒分为两种: 一种是加纵向电场，此类泡克耳斯盒Q开关中，施加的电场与入射光束的方向相同，平行于晶体的光轴; 另一种是加横向电场，在这种结构中，电场垂直于光束的传播方向，半波电压取决于晶体的厚度与长度之比，这种方式有一个优点，即选择适当的晶体几何尺寸，就可以使外加电压明显低于纵向加电的电压。应用前一种结构的主要有KD*P晶体; 应用后一种结构的主要有LN晶体。

2. 电光Q开关

(1)泡克耳斯盒作退压调Q

以带起偏振器的KD*P电光Q开关为例进行说明。

带起偏振器的KD*P电光Q开关是一种启用较早、应用较广泛的电光晶体调Q装置，其特点是利用一个偏振器兼作起偏和检偏，偏振器可采用方解石格兰-傅克棱镜，也可用介质膜偏振片。其装置如图1.10所示。KD*P容易潮解，故需放在密封盒内使用，通常采用纵向加压。

带起偏器的KD*P电光Q开关工作过程如下:

图1.10 带起偏器的调Q激光器原理图

YAG棒在氙灯的激励下产生无规则光辐射，通过偏振器后成为线偏振光，起偏方向与KD*P晶体的晶轴X(或Y)方向一致，并在KD*P上施加一个的外加电场。由于外加电场的作用，主轴方向会发生变化，分别变为X'和Y'，且与入射偏振方向成45°。这时调Q晶体起波片的作用，这样，线偏振光通过晶体后会产生的位相差，而往返一次产生的总位相差为π，线偏振光经这一次往返后偏振面旋转了90°，这种情况下，由介质偏振器和KD*P调制晶体组成的电光开关处于关闭状态，所以谐振腔的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波长电压，即电光开关迅速被打开，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。

(2)泡克耳斯盒作加压调Q

如图1.9所示，其工作原理在本质上和退压应用时是相同的，只不过需要加入一个检偏器(2)并使其与起偏器(4)呈正交放置。这样，如果没有给泡克耳斯盒加电压，光束就无法通过，腔内损耗最大，Q值很小。在灯光脉冲末端，给泡克耳斯盒加上Vλ/2电压，使入射光束旋转90°，如此光束便可通过检偏器。光束经反射镜反射之后又一次通过检偏器和泡克耳斯盒，并再一次旋转90°，所以光束在返回起偏器之前已经旋转了180°，因此能够通过并返回腔内建立振荡。

二、倍频技术原理

利用非线性晶体在强激光作用下的二次非线性效应，使频率为ω的激光通过晶体后变为频率为2ω的倍频光，称为倍频技术，或二次谐波振荡。本系统是将1064nm的激光通过倍频晶体(KTP)，变成532nm的绿光。

用非线性材料产生倍频激光的器件称为倍频激光器。一般把入射的激光称为基频光，由倍频激光器出来的光称为倍频光或二次谐波。

根据非线性材料特性，我们一般采用角度匹配来得到二次谐波。角度相位匹配是利用晶体的双折射来补偿正常色散而达到相位匹配的一种方法。使入射到晶体的基频光和产生的倍频光具有不同的偏振态，而所用晶体应预先根据晶体光学的理论和有关的折射率数据计算出切割晶体的方向，磨制成所需形状，使基频光和倍频光能满足相位匹配条件。

按照入射基波的偏振态又可将角度匹配方式分为两类: 一种是基波取单一的线偏振光形式入射，而倍频光为另一种状态的线偏振光，这种情况通常称为第Ⅰ类相位匹配。这一倍频过程用一式子表示为“o+o=e”或“e+e=o”，因为两个基波的偏振方向是平行的，所以又称平行式相位匹配。另一种情况是基波同时取两种不同的线偏光形式，即两者的偏振方向是垂直的，而产生的倍频光为单一状态的线偏振光，这种情况称为第ⅠⅠ类相位匹配，记作“e+o=e”或“e=o=o”，因为第ⅠⅠ类匹配方式在非线性极化过程中，不是单纯由基波的o光(或e光)的分量乘积在起作用，而是o光和e光分量同时在起作用。

在本套系统中采用的非线性晶体KTP(磷酸氧钛钾)实现倍频，其相位匹配属于第ⅠⅠ类相位匹配(方位角φ=23.5°，匹配角θ=90°)。

【实验仪器】

本实验仪器如图1.11所示。

1. 半导体准直光源(650nm)

2. 小孔光阑(φ2mm)

3. 全反镜(曲率半径4m，镀膜对1064nm的反射率R=99.8%(φ2mm))

4.KD*P，Q开关晶体(φ12*40)

5. 偏振片(φ30*5)

6. 聚光腔Nd3+:YAG激光棒φ6*100(两端镀1064nm增透膜)和脉冲氙灯(φ7*90)

7. 输出镜(K9玻璃材质φ20)。

8.KTP倍频晶体(8*8*7)

9. 分光棱镜(60°、一面磨砂、边长40mm、厚度25mm)

10.Q开关驱动电路盒(冷阴极闸流管(110*39*55))

图1.11 电光调Q激光器装置图

● 说明

(1)由元件3，6，7即可构成激光器的基本结构“两模一棒”输出激光，此时输出的是未加任何调制的激光，叫静态激光。

(2)在3，6之间加入4和5，便可实现退压式电光调Q，调Q后输出的激光叫动态激光。

(3)在7之后加入8，调试后可以输出倍频激光。

(4)在8之后加入9，可以完成分光，测量倍频效率。

● 附件

仪器附件: 光电探测器(连续探测器，脉冲探测器，短脉冲探测器)和能量探测器(各一个)、机柜(MC10电源、水冷系统)、激光防护镜(两副)

实验用具: 靶纸、上转光片(一个)、六角扳手、洗耳球、毛玻璃片(各一个)、镜头纸(一本)、滴瓶(一个)、观测镜(一个)

选配器件: 示波器(100MHz以上)

【实验内容】

1. 固体激光器的装调

①装调: 调整半导体准直光源，使小孔光束通过导轨中心线的垂面并与导轨表面平行。调节全反射腔镜的四维调整架，使小孔光束通过其中心，并让反射光束沿原路返回小孔。装好聚光腔体，调节其支架，使小孔光束通过激光棒两端面的中心，并让其前端面的反射光点返回小孔。

②选模: 固定的谐振腔可能激励的横模与腔型结构、损耗大小和激励水平等因素有密切关系。低阶模与较小的光束发散角相对应，所以为获得单一基模输出必须采取横模选择技术。横模选择方法可分为两类: 一类是在一定的谐振腔内插入附加的选模元件来提高选模性能，可用小孔光阑和扩束望远镜实现; 另一类是改变谐振腔的结构和参数以获得各衍射损耗的较大差别，提高谐振腔的选模性能，即非稳腔选模。此实验采用小孔选模。

③测量静态激光的阈值。

④测量静态激光及灯光脉冲宽度。

⑤测量静态激光输出能量，描绘斜效率曲线。

⑥计算静态激光的峰值功率。

2. 电光调Q实验

①调试激光器，测量其关门电压及阈值能量。

②测量动态激光输出能量。

③测量动态激光的脉冲宽度。

④计算动态激光的峰值功率。

⑤计算激光器的转换效率及输出激光的动静比。

3. 被动调Q实验

①Cr4+: YAG晶体饱和吸收特性的研究。(www.daowen.com)

②测量激光输出脉宽及能量。

③计算峰值功率。

④被动调Q激光器的搭建。

4. 非线性光学实验

①从理论上计算KTP晶体的相位匹配角。

②调节激光器及倍频晶体的相位角和方位角，观察其对倍频效率的影响。

③改变色散棱镜的位置，确定其最小偏向角以得到基频光和倍频光的最佳分光位置。

④计算晶体的倍频效率。

⑤改变注入能量，观察其对倍频效率的影响。

⑥描绘“注入能量-倍频效率”曲线。

【实验步骤】

一、激光器的装调

准 备: 需要的元件(从左至右): 半导体准直光(650nm)、小孔光阑、全反镜、Q晶体、偏振片、Nd3+: YAG固体激光棒、输出镜、倍频晶体、分光棱镜、系统电源、水冷系统、三角导轨及基座，如图1.12所示。

图1.12 装调示意图

1半导体准直光(650nm)，2小孔光阑，3全反镜，4电光晶体，5偏振片，6Nd3+: YAG固体激光棒(φ6*100mm)，7输出镜，8倍频晶体(KTP)，9分光棱镜(K9玻璃为基质，60°)

1. 激光器的装调

光路调节的好坏直接关系着出光的效果，调节得好，一般可以直接出光，对下面的实验将有很大的帮助。

①调准直光: 接通半导体准直光光源的电源，将小孔光阑放在靠近准直光处，将准直光正通过小孔，再将光阑拉远，调节准直光的水平和俯仰旋钮，使准直光通过光阑小孔，反复几次上一过程直到小孔光阑放在导轨的任何地方准直光都通过光阑小孔。

注: 同时要考虑棒的高度，不要低于棒的中心，最好高出4～5mm，因为加偏振片光路会下偏。

②调节棒的高度: 先调棒靠近准直光的一端，使准直光点通过棒的中心或略高，再调远端，使反射像回到小孔光阑的小孔内，旋紧螺丝时要均匀用力，时时关注反射像，确保其回到小孔内，旋紧螺丝。

③调节输出镜和反射镜: 先将反射镜放在靠近光阑处，使650nm准直光通过全反镜的中心，并且其反射像回到光阑小孔，再使全反镜远离光阑重复以上操作，直到全反镜放在导轨的任何地方其反射像都回到光阑小孔，最后将全反镜放在靠近光阑处，旋紧固定旋钮。输出镜的调节方法与调全反镜的方法相同，最后将输出镜固定在棒的远端。

④调节偏振片和调Q晶体: 偏振片要求离棒端有一定距离(约10mm)，准直光通过偏振片中心，调解架尽量与棒垂直(目视)，将偏振片固定到棒的前端。调Q晶体要求准直光通过晶体的中心，且其反射像尽量回到光阑孔心，最后将其固定在偏振片和全反镜之间。

⑤倍频晶体的调节方法: 与调Q晶体的调节方法相似，要尽量让准直光通过倍频晶体的中心，将其固定在输出镜的后面。

2. 激光器阈值的测量

激光器的光路调好后，导轨上只保留1、2、3、6、7五个器件，如图1.13所示，打开激光电源，使电源处在静态工作状态，使输入电压大约是500V，旋转输出镜的俯仰和水平旋钮，用相纸接收激光，直到打出的光斑是如图1.14所示的等间距的圆环状，然后调节输入能量从0V向上调节，用普通脉冲探头(绿灯)和100MHz的示波器探测波形(绿灯为脉冲探头，红灯为连续探头)。波形如图1.15所示，阈值为400V。

图1.13 阈值测量示意图

图1.14 静态光斑图

图1.15 阈值点波形

二、电光调Q实验

1. 激光器的输出能量和输出脉冲宽度的测量

(1)实验步骤

阈值点测量完成后，加偏振片，再调节光路，使输出光斑最好，调解输入能量到440V，连接好示波器、热释电探头(8mV/mj)和普通脉冲探头，用热释电探头测量能量，用普通脉冲探头测量静态激光脉宽，一般脉冲设为每秒一次，如图1.16所示。

图1.16 脉冲宽度测量示意图

(2)实验数据

热示电探头: 8mV/mj

例: 若输出能量为4000mV，则能量为

画出激光器输入-输出的能量曲线，如图1.17所示。

图1.17 输入-输出能量曲线

图1.18为激光静态输出脉宽波形。

图1.19为激光静态输出能量波形。

图1.18 静态输出脉宽波形

图1.19 静态输出能量波形

2. 激光器转换效率的测量与计算

3. 激光器输出光束发散角的测量

在静态输出情况下，调好激光光斑，离激光输出镜后1m和2m处分别接收一光斑，如图1.20所示，分别测出其半径，记作r1和r2，单位mm，发散角记为β，则

图1.20 发散角测量图

4. 退压式电光调Q实验

(1)晶体KD*P(磷酸二氘钾)。

(2)退压电路，如图1.21所示。

图1.21 泡克耳斯盒Q开关驱动电路

(3)步骤: 在静态基础上，加入偏振片和KD*P晶体(如装置图的位置)调节输出镜，使光斑质量最好。在晶体两端加上晶压，大约3400V，同时调节晶压和输入电压，从小到大，每隔25V时调节KD*P晶体的水平和俯仰旋钮，用脉冲探头探测波形，直至示波器上的脉冲波形调没，一直加大电压直到电压加到波形无法调没为止，如图1.22所示。参考数据: 电压: 880V; 晶压: 3700V。

注意: 探头的距离不要太远，示波器偏转因数不能太大。

图1.22 关门波形

5. 延时调节和动静比的测量

(1)延时调节

①实验器件: 示波器、热释电探头、连续探头、脉冲探头、激光器及电源系统。

②步骤: 关门电压调好后，要对退压延时进行调节，使输出的激光能量达到最大值，脉宽最窄。将连续探头与示波器连接好，将其放在聚光腔的出光处，调节示波器可以观测到激光延时波形，旋转电源上的延时旋钮可以调节延时时间，一般将延时调到波形下降沿的一半处。延时的调节对激光器输出能量和脉宽都有影响。

③调节退压旋钮，波形如图1.23所示。

图1.23 退压延时波形

(2)动静比的测量

①调节好关门和延时后，再调节全反镜，使光斑模式最好，连接好示波器、热释电探头(8m V/mj)、普通脉冲探头和GT-106脉冲探头，用热释电探头测量能量，用普通脉冲探头测量静态激光脉宽，用GT-106脉冲探头测量动态脉宽。测量如图1.24所示。

图1.24 动态测量图

②数据与分析。

不同输入能量下静态激光与动态激光的脉宽和能量

根据所测数据作出曲线，图1.25为动、静态能量输出曲线，图1.26为动静比曲线。

图1.25 动、静态能量输出曲线

图1.26 动静比曲线

分析: 动静比的计算是由加入偏振片和Q晶体后，测量得到的静态能量比动态能量得到的值。由以上数据可以看出，随着输入能量的增大，动静比将减小。可以认为，高能量输入下的动态激光脉冲(Q调制脉冲)峰值功率在增加，但脉冲能量在减小。图1.27为动态脉宽波形，图1.28为动态能量波形，图1.29为静态光斑，图1.30为动态光斑。

图1.27 动态脉宽波形

图1.28 动态能量波形

图1.29 静态光斑

图1.30 动态光斑

三、被动调Q实验

1. 被动式可饱和吸收调Q原理

被动调Q是利用被动调晶体自身的可饱和吸收特性。随着能量密度的增大，材料变为透明。在能量密度达到某一高值时，材料就会“饱和”或“漂白”，从而导致产生很高的透射率。可饱和吸收体中的漂白过程是基于光谱跃迁的饱和。如果将对激光波长具有很高吸收率的材料安装在激光器谐振腔中，它会在最开始时阻止激光振荡的发生。随着增益在泵浦脉冲期间的增大并超过往返损耗时，腔内的光通量会急剧增大，导致被动Q开关达到饱和。在这种条件下，损耗很低，从而建立起Q开关脉冲。

2. 实验步骤

①关闭电源，把电光晶体卸下(注意不要拉扯晶体的连线)。

②把四价铬离子掺杂的晶体插入原电光晶体的位置。

③调整光路，使准直光恰好通过晶体的中心。

④打开点电源，用相纸接收光斑，增加氙灯的注入电压，观察光斑的变化。

⑤用脉冲探头接收激光观察其波形，改变注入电压，再观察，比较前后两波形。

例如，图1.31为低能量下被动调Q激光波形，图1.32为较高能量下被动调Q激光波形。

图1.31 低能量下被动调Q激光波形

图1.32 较高能量下被动调Q激光波形

四、非线性光学实验

1. 倍频晶体角度匹配实验

首先按照前面提到的步骤调节动态激光直到光斑均匀圆整，之后可用相纸的背面接收动态激光。若没有发现强点，则可以加装非线性晶体(防止高功率下损坏倍频晶体)。然后，关闭激光输出，加入倍频晶体(KT*P)，调整晶体的位置，打开半导体准直光源，使红光正好通过晶体的中心且倍频晶体前后两个面的反射像都要返回小孔光阑，之后锁紧晶体的光具座，关闭半导体准直光源。

接下来，再次打开激光(静态)，可发现原来要依靠上转换片才能看见的1064nm红外光变成了肉眼可见的绿光。调节倍频，KTP的Z轴(打点方向)要与1064偏振方向成45°角，后再细调。打点是Z方向，它要和入射方向垂直。与光的偏振方向成45°角后再调俯仰和水平。此时调试得到的是倍频效率最高点。如图1.33所示。

图1.33 倍频原理示意图

具体操作可以旋转晶体的角度，观察输出绿光的强度，找出输出绿光最大的晶体角度。找到晶体最佳角度后，可以进行倍频光的分光和倍频效率的测量。由于静态激光输出峰值功率很低，很难得到较高效率的倍频光输出，我们采用动态光下的倍频光作为测量对象。但由于人眼对强绿光极其敏感，强绿光容易让人致盲，所以建议实验者佩戴防护眼镜，且操作者严禁佩戴戒指、手表等高反射金属饰品，以防强光反射造成伤害。

2. 倍频效率的测量和计算

由输出镜输出的1064nm基频光通过KTP倍频晶体后输出包含532nm和1064nm两种光。为了测得532nm激光能量，我们使用一个60°等边色散棱镜将其分光，分别测得各自的能量如图1.34所示。E1为532nm的能量，E2为1064nm的能量，则倍频效率为:

图1.34 分光示意图

操作时关闭激光器，加入分光棱镜，开准直光，找到偏折后光斑大致位置，锁紧光具座。关闭准直光源，打开动态激光，能观察到强的绿光输出，此时用相纸在输出一段距离后接收，会发现相纸上会同时出现左右两个光斑。面对相纸，左侧的光斑为532nm红外光的光斑，右侧为1064nm绿光的光斑。打开示波器，接好热释电探头，分别用热释电能量探头接收分开的绿光和1064nm红外光，改变氙灯注入能量，记录数据。例如:

测量数据及处理(热释电探头):

不同输入能量下激光与倍频激光的能量

图1.35所示为倍频效率的曲线图，图1.36所示为倍频效率波形图。

图1.35 倍频效率曲线

图1.36 倍频效率波形图

利用棱镜分光时其位置放置选择在最小偏向角位置，即入射光和出射光行进方向间的夹角最小处。最小偏向角的计算如图1.37所示为测量示意图。

图1.37 最小偏向角测量示意图

利用余弦定理a2+b2-2abcosα=c2，其中a，b，c分别可用直尺测得。

【思考题】

(1)激光器振荡的阈值条件是什么?

(2)在非线性光学实验中，倍频效率随注入能量以什么规律变化?

(3)激光器的主要组成部分有哪些? 并描述各个部分的基本作用。

(4)激光的基本特性是什么? 有哪些特征参量?

【注意事项】

一、操作使用

(1)连接电源，确定各线路正确连接。然后检查冷却系统的水管是否畅通，有无打结现象，确保水路循环能畅通。

(2)打开位于水箱后控制面板上的电源总开关，此时冷却系统启动，水路开始循环，检查其循环畅通无阻后则可开动激光器。

(3)在水箱前面是激光器的电源控制面板，启动步骤是:

①按“电源”键，接通电源，此时“状态指示”中的“电源”指示灯亮。

②开启“预燃”键，此时“状态指示”中的“预燃”指示灯亮。

③一切正常后，开“启动”键，此时“状态指示”中的“启动”指示灯亮，慢调“电压调节”键由低到高输入氙灯电压，至出激光为止(在500V左右就会很清晰了，用上转换片在导轨上接收则可观察到绿色光斑，调试使输出圆完整且均匀的光斑即可)。

④完成上述“静态激光的调试”后，可以开启调Q控制输出“动态激光”。控制氙灯电压(“电压调节”键控制)在较低输入(500V以下为宜)，先开启“晶压”键给晶体加上高压(输入的高压由晶体而定，是个定值。一般定好后不再改动，除非更换晶体。由“晶压调节”控制高压输入值)，此时“状态指示”中的“晶压”指示灯亮。调节晶体角度位置完成“关门”后，开启“退压”键，此时“状态指示”中的“退压”指示灯亮。给晶体退压，输出动态激光。

⑤在“频率选择”栏里，有三种频率控制，内信号控制分别是: 每秒1次、每秒5次、每秒10次，表示每秒输出激光的次数，也即激光器的工作频率。外信号为外部加入，一般由自己的需要而定。外信号接口在电源的后面板上。

⑥关机顺序: 如在动态工作，应先关闭“退压”键，再关闭“晶压”键，然后关闭“启动”键。待氙灯电压显示面板的指针慢慢返回零点后，再关“预燃”键，之后就可以关闭“电源”键。最后关闭水箱后控制面板上的电源总开关，水系统也停止工作。此时应将激光器用干净的布遮盖，以防止灰尘进入。

⑦在整个调试工作过程中应避免“急开急停”，要平稳调节，以防止故障。

二、日常维护

(1)保持工作室的清洁卫生，防止灰尘落入激光器的各光学器件表面，否则会影响激光输出质量，严重时还会损伤器件。如发现器件表面有污染，若是灰尘可以用“洗耳球”吹落，若不行就要用镜头纸配合酒精进行清理。

(2)保证冷却水的质量，用去离子水作为冷却液为宜，它可以尽可能地减少对工作物质棒的污染，维持激光器的良好工作状态。且应该定期对水进行更换，并对水箱进行清理。

(3)运行一段时间后激光器工作状态可能会下降，此时应该考虑对其进行清理维护，主要是对各光学元件进行清理，拆开激光聚光腔，对工作物质棒、氙灯及聚光腔内部进行清理。清理过程中应使用镜头纸、酒精溶液、脱脂棉、竹质或塑料镊子等工具。在清理过程中应注意各元件不能受损，尤其是端面要小心清理。清理完毕后在装合过程中亦应格外小心，不能使之再受污染。图1.38和图1.39分别为电源前、后面板图。规格为长355mm、宽362mm、高185mm。

图1.38 电源前面板图

图1.39 电源后面板图