实验七脉冲激光器输出特性实验和电光调q实验

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1、实验七脉冲激光器输出特性和电光调Q实验＞实验目的1.熟悉和深入理解脉冲固体激光器与电光调Q的工作原理。2.测量脉冲固体激光器的静态输出特性，了解谐振腔参数对激光器性能的影响，掌握其调试方法。3.测试电光Q开关的消光经和电光调Q激光器的输出特性（脉冲能量、脉冲宽度、脉冲峰值功率、输出动静比），并与未调Q时激光器输出相比较，从而加深对调Q激光器工作特性的理解。4.通过本实验加深理解电光Q开关激光器的工作原理，熟悉电光Q开关激光器的调试方法。＞实验原理1.固体激光器通常由三个基本部分组成，即固体激光工作物质、泵浦源、

2、和光学谐振腔。图1是固体激光器的基木结构示意图。透反镜激光图7-1固体激光器结构示意图激光工作物质是激光器的心脏，产生激光的是激活离子，激光器的输出特性在很大程度上由激活离子的能级结构决定。目前，常用的固体激光工作物质有红宝石晶体、钕玻璃和掺钕钇铝石榴石（即Nd3+:YAG）晶体。由于Nd3+:YAG晶体具有荧光谱线窄、量子效率高等特点，它的增益高、阈值低、激光输出效率高,故在屮小功率的脉冲器件屮，以及在高重复率的脉冲激光器屮得到广泛应用。本实验中即采用NdtYAG作为激光工作物质，该工作物质的激活离子为Nd3

3、+，属四能级系统，发射激光波长为1.06Pm,工作于脉冲方式。Nd3+:YAG产生受激辐射的能级如图2所示。激活粒子（Nd3+:离子）在这些能级之间的跃迁特性为:在光泵作用下，处于基态能级Ei上的粒子被激发到高能级E4上，由于E4能级寿命很短，处在该能级上的粒子很快以无辐射跃迁方式迅速转移到较低的激发态能级e3上，e3为亚稳态，在e3能级上的粒子有较长的寿命（i（r3〜io4s）,因而易于实现粒子数积累。当粒子数由e3向e2跃迁吋，产生激光辐射，粒子到达能级E2后，再以无辐射跃迁迅速地返回到基态Ep基于这种状态

4、以及由于热平衡情况，使得粒子不易在£2能级上集居，因此，在外界激励下，^和£2之间较易形成粒子数反转，从而实现受激辐射。图7-2四能级系统结构示意图在集居数反转状态的物质称为激活介质。当光通过此介质时，得到放大。这种放大作用的大小通常用增益系数G来描述，它表示光通过单位长度激活介质后光强增长的百分数。G是光强的函数，同时也是反转集居数An的函数。当光在激活介质屮传播时，随着光强增强，单位体积内的反转集居数An减少，G也随之减小，这称为增益饱和效应，当光强很小吋，增益系数用G（）来表示，称为小信号增益系数，它与光

5、强无关。激光器能够产生自激振荡的条件可由下式表达:人,：（g°-4^oa也即Gg彡Cl（7.1）式中Im为腔内光强，仅与放大器本身参数有关：Is为饱和光强（为描述增益饱和效应引入的参量）；a为括激光介质损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数。这里激光介质的损耗有吸收、散射损耗；谐振腔的损耗有反射镜的透射、吸收、衍射损耗及谐振腔失调引起的偏折损耗等。当光腔内折射率均一时，（7.1）式还可表示为：式中/为工作物质长度，L为谐振腔长度，若光泵激励足够强，使得C（）/=aL时，激光器幵始振荡，为此时应的输入光泵的能量称为激

6、光器的阈值输入能量Et，相应反转集居数为阈值反转集居数Ant。当a/xiL,腔内光强增加，且正比于此吋激光输出能量将随之增加，由此可见，激光器的增益特性和损耗特性将直接影响该系统的输入输山特性。对一台脉冲激光器系统，存在一个最佳透过率Tm,当丁=1^时，对于相同的输入能量输出能量最大。1.—般结构的固体激光器称为静态激光器。大量实验表明，脉冲泵浦的静态固体激光器，其输出是由一连串不规则振荡的尖峰脉冲构成的，如图3所示。它的毡络规律受泵浦光强的影响，增强光泵输入能量，尖峰脉冲个数增多，间隔减小，但其包络的峰值并不

7、增加。人们称这种现象为激光的驰豫振荡，其总宽度约为ms量级。图7-3静态激光器输出的驰豫振荡现象静态固体激光器的这种输出特性限制丫它的输出功率，在一些要求高峰值功率和窄脉冲的应用中无法使用。采用调Q技术能获得峰值功率高于兆瓦，脉宽为几十纳秒的激光巨脉冲。它的基木原理是通过某种方式使激光谐振腔的Q值产生突变，使受激辐射在很短的时间建立并达到最大值。常用调Q方法有转镜调Q、电光调Q、声光调Q和染料调Q。本实验采用的是电光调Q技术。2.非中心对称晶体在强电场作用下，构成晶体的粒子排列发生一定的变化，光通过晶体时除了因

8、各向异性而存在的双折射外，还存在因外加电场而引起的感应双折射，也就是晶体的电光效应。这样的晶体当加上合适的电压时能使入射的线偏振光在出射晶体时其偏振方向旋转90°（根据晶体的切割和运用方式，对入射的线偏振光的偏振方內有要求）。将具有上述特性的电光晶体安排在两块偏振器之间，组成一个光强调制器，将此调制器置于激光腔内，并改变加在晶体上的电压，则可达到改变激光输出光强的目的。获得激光巨脉冲输