第二章激光单元技术之调Q实验

调Q实验历史背景研究意义调Ｑ原理和方法实验仪器实验内容注意事项思考与讨论历史背景1960年5月休斯实验室的梅曼（C．M．Maman）采用红宝石晶体做激光器的工作物质，用氙灯做泵浦源，制成了世界上第一台激光器．度为10-7s量级；随后的几年发展得非常快，出现了多种调Q方法（如电光调Q、声光调Q、可饱和吸收调Q等），输出功率几乎呈直线上升，脉宽压缩也取得了很大进展。80年代，调Q技术产生脉宽为纳秒（ns）量级，峰值功率为吉瓦（GW）量级的巨脉冲已并非困难。激光问世不久，1961年就有人提出了调Q的概念，即设想采用一种方法把全部光辐射能压缩到极窄的脉冲中发射；1962年，制成了第一台调Q激光器，输出峰值功率为600千瓦，脉冲宽研究意义固体激光器的应用主要集中在科研与开发、加工、医疗和军用等四个方面。在科研与开发方面，涉及面很广，包括作核聚变研究用的高峰值功率激光器系统、作光谱研究和新材料开发用的超短脉冲激光器和可调谐激光器、作脉冲全息摄影用的红宝石激光器、作高速摄影用的超短脉冲激光器、测量人造地球卫星轨迹和月球表面用的高精度激光测距仪、遥感用的激光雷达等等。一般固体脉冲激光器由于存在驰豫振荡现象，输出激光为一无规尖峰脉冲序列，其总的脉冲宽度持续几百微秒甚至几毫秒，峰值功率也只有几十千瓦的水平，远不能满足诸如激光精密测距、激光雷达、高速摄影、高分辨率光谱学研究等的要求，正是在这些要求的推动下，人们研究和发展了调Q技术。1961年底，邓锡铭几乎与国外同时，独立提出了高功率激光Q开关原理。他非常形象地解释：把Q开关比喻为一个稍有漏水(自发辐射跃迁)的抽水马桶，当水箱被灌(光泵注入能量)满之后水箱底部的盖快速揭开(Q值突变)，水(激光能量)就一涌而出(激光峰值功率输出)。采用调Ｑ技术很容易获得峰值功率高于兆瓦、脉宽为数十个纳秒的激光巨脉冲。调Q技术的出现是激光发展史上的一个重大突破。它不仅大大推动了一些应用技术的发展且成为科学研究的有力工具。邓锡铭在示波器上观察的调Ｑ后的巨脉冲调Ｑ原理和方法通过某种方法，使谐振腔的损耗δ(或Ｑ值）按照规定的程序变化，在光泵激励刚开始时，先使光腔具有高损耗δH,激光器由于处于高阈值而不能产生振荡，于是激光上能级亚稳态上的粒子数可以积累到较高的水平。当其粒子数积累到相应于泵浦而言最大值时，使腔的损耗突然降低到δL，阈值也随之突然降低。此时反转粒子数大大超过阈值，受激辐射极为迅速地增强。于是在极短时间内，上能级贮存的大部分粒子的能量转变为激光能量，在输出端有一个强的激光巨脉冲输出。intntpt0nNmN目前的调Ｑ技术声光调Ｑ转镜调Ｑ染料调Ｑ……电光调Ｑ电光调Ｑ（主动调Ｑ）电光调Ｑ开关通常也称为普克尔盒开关，它的基本原理是利用某些单轴晶体的线性电光效应，使通过晶体的光束的偏振状态发生改变，从而达到接通或切断腔内振荡光路的开关作用。线性电光开关基本上又可分为两类：一类是利用KD*P(磷酸二氢钾）型晶体的纵向线性电光效应，即光束方向及外加电场方向均与晶体光轴同向；另一类是利用LiNbO3（铌酸锂）型晶体的横向线性电光效应，即光束与晶体光轴同向，而外加电场方向与光轴及光束方向相垂直。一般多使用带起偏器的λ/４电光开关，这种开关又分为退压和加压两种工作方式。下图为退压式电光开关，电光晶体施加λ/４调制电压，由棒透过起偏器的Ｐ线偏振光两次通过电光晶体后，偏振面正好偏转90°变成Ｓ光，被偏振片反射到腔外，激光器处于高损耗关门状态，当突然去掉晶体上的调制电压后，开关迅速打开，振荡光路接通，从而产生强的短脉冲激光振荡输出。退压式调Ｑ示意图激光电源调Ｑ模块输出镜全反镜YAG晶体棒脉冲氙灯偏振片电光晶体调制电压4……损耗高不能振荡损耗低输出巨脉冲聚光腔下图为加压式调Ｑ示意图，与上不同的是在晶体和偏振片间插入一块λ４波片。旋转λ４波片使激光器处于关门状态，当突然在晶体上施加λ４电压后，电光晶体抵消λ４波片的作用，接通光路，产生短脉冲激光输出。加压式调Ｑ示意图激光电源调Ｑ模块输出镜全反镜YAG晶体棒脉冲氙灯偏振片电光晶体4……调制电压4损耗高不能振荡损耗低输出巨脉冲聚光腔染料调Ｑ（被动调Ｑ）工作原理：是利用染料的饱和吸收（光漂白）作用控制谐振腔的损耗。中心频率处染料吸收系数：01sIIsII0IS:饱和光强I:光强α0:小信号吸收系数吸收系数随光强变化的曲线将染料盒放在谐振腔中，泵浦开始时，染料吸收大，谐振腔损耗大，不起振。随着激光工作物质中反转粒子数的积累，放大的自发辐射增加，当光强与染料的饱和光强可比拟时，吸收系数显著减少。这一过程发展到一定程度时，增益等于损耗，激光器起振。随着激光强度的增加，染料的吸收系数继续下降，这又促使激光迅速增加，产生受激辐射不断增加的雪崩过程。当激光光强增加至可以与增益介质的饱和光强比拟时，增益系数显著下降，最终导致激光熄灭。染料调Ｑ示意图激光电源输出镜镀全反染料盒YAG晶体棒脉冲氙灯电光调Ｑ结构简单，使用寿命长，输出巨脉冲稳定，重复性好。但是此种Ｑ开关由外加信号控制，难以实现与激光增益变化的匹配。另外。电光晶体需要几千伏的高压脉冲，对其他电子线路易造成干扰。染料调Ｑ结构简单，使用方便，没有电的干扰，但是它是一种被动式Ｑ开关，产生调Ｑ脉冲的时刻有一定的随机性，不能人为的控制。另外，由于饱和吸收时的透过率也不是100%，故有一定的光学损耗，影响调Ｑ的效率。聚光腔实验仪器全反镜电光晶体偏振片聚光腔输出镜4镀全反染料盒输出镜调Ｑ模块染料调Ｑ激光器聚光腔电光调Ｑ激光器激光电源为YAG激光器提供高电压及其它控制电压电光晶体LiNbO3（铌酸锂）外加电场方向与光轴及光束方向相垂直本实验中电光晶体的电源采用的是加压式电源。实验内容及步骤1、谐振腔的调试在激光工作物质两端安放两个介质反射膜片构成固体激光器的谐振腔。要使激光器能正常工作，必须将两介质膜片及激光工作物质调到共轴。我们使用He-Ne激光束调整激光器。调整时先将He-Ne激光器准直，为方便一般附加两个反射镜M3、M4。在He-Ne激光器前放置一个小孔光阑(孔径1mm)，使光束通过光栏。调整M3、M4使He-Ne光束通过激光棒中心，近端端面反射光点能通过光阑,接着调整M2使其反射光点也通过光阑,最后调整M1使其反射光点通过光阑。这样棒和二介质膜反射镜M1、M2都达到了同轴。一般此时就能出光，稍作动态调整使其输出最佳。输出镜YAG晶体棒脉冲氙灯He-Ne激光器光阑M1M4M3M2He-Ne激光束调整激光器示意图He-Ne激光器M4M3小孔光阑2、实验及测试我们测试脉冲波形，脉冲宽度和能量，以检验调整质量。激光器输出性能与激光输出镜的反射率有关,即存在最佳反射率Rm。一般中小功率Nd:YAG激光器，不调Ｑ的静态激光器的输出镜反射率Ｒ∽50％，而调Ｑ的动态激光器的输出镜Ｒ20％。(1)加压式电光调Q①选用Ｒ∽4％的Ｋ9玻璃片作输出镜。先将偏振片插入谐振腔内，利用He-Ne激光进行准直，再依次插入晶体Ｑ开关和/4波片一一进行准直。启动泵浦源、旋转/4波片使激光器输出为零或最小，即处于封死状态。在适当的输入能量下，打开加压Ｑ开关，微调使激光输出最佳，像纸取光斑观察。然后测出三次能量平均值，即动态激光输出能量，用示波器测量脉宽（约10ns）。②抽出/4波片，换Ｒ∽50％的输出镜，调到激光输出最佳，测三次能量平均值，即静态输出激光能量。③数据处理动静比=动态输出激光能量静态输出激光能量调Ｑ激光峰值功率=调Ｑ输出激光能量调Ｑ激光脉宽静态激光峰值功率=静态输出激光能量静态激光脉宽(2)染料调Q①我们取动、静态激光输出镜反射率均为Ｒ＝30％。利用He-Ne激光准值，启动泵浦源，在适当的输入能量下，微调使激光输出最好，像纸取光斑观察，测出三次能量平均值，即动态输出激光能量，示波器测量脉宽（∽10ns）。②保持输入能量不变的情况下，将BDN染料盒换成1.06m的全反镜，调整输出最佳，像纸取光斑观察，然后测量三次取平均，即静态输出激光能量。③数据处理与电光调Q同。用于测量激光能量的激光功率能量计注意事项脉冲Nd:YAG激光器辐射的激光功率非常高，使用过程中稍有不慎，激光束就会损伤身体或物品，轻则烧坏衣物，烧伤皮肤，重则造成眼睛永久性失明；如果照射到某些危险物上甚至会引起火灾和爆炸。激光器泵浦闪光灯电源、触发电源和调Q电源都使用高压电，意外触及可造成人身伤害。因此，在实验中应注意以下安全事项：1、仪器启动后，不准向激光腔内窥视。2、绝对禁止直接或反射的激光射入眼内，有关人员应配戴激光防护镜。3、严禁学生实验时打开电源箱外壳，以防剩余电压伤人或损伤仪器。4、激光器工作时随时注意仪器的运转情况，特别是循环水的流动与否和电源放电声音是否正常。遇异常情况，请迅速关机；待查明异常情况原因并排除后再行开机工作。①分析固体脉冲激光器的驰豫振荡现象及其产生的原因。②激光器输出镜的反射率对激光器输出性能有什么影响？③为什么加压式电光调Q优于退压式电光调Q技术?④动静比说明什么？思考与讨论山西大学物理实验中心郭娟E-mail：[e-mail]