1、實(shí)驗(yàn)八脈沖式燈泵浦YAG激光器被動(dòng)調(diào)Q實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）掌握被動(dòng)調(diào)Q YAG激光器的工作原理與調(diào)試方法。（2）測(cè)量脈沖與連續(xù)泵浦YAG激光器的靜態(tài)輸出特性。（3）分析被動(dòng)調(diào)Q率被動(dòng)調(diào)Q YAG激光器的動(dòng)態(tài)輸出特性。（4）在被動(dòng)調(diào)Q理論分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，針對(duì)相應(yīng)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件和應(yīng)用 需求，設(shè)計(jì)被動(dòng)調(diào)Q YAG激光器的光學(xué)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)原理1.固體Nd:YAG激光器的工作原理。（1） Nd:YAG晶體的性質(zhì)表8-1 Nd:YAG激光晶體的主要性質(zhì)化學(xué)成分Nd:Y3Al5O12Nd重量百分比0.925%Nd原子數(shù)百分比1%Nd原子數(shù)密度1.38X 10+20/cm3折射率1.821064nm散射損

2、耗0.003/cm晶體結(jié)構(gòu)立方晶系熱膨脹系數(shù)7.8X10-6/k111,0-250C熱傳導(dǎo)率14w/m/k20 C ,10.5w/m/k100 C受激發(fā)射截面2.8-8.8 X 10-19cm24F3/2激光上能級(jí)壽命230 仇 s4I11/2激光下能級(jí)壽命30ns吸收譜線帶寬1nm808nmNd3+：YAG是以三階釹（Nd3+）離子部分取代Y3Al45O12晶體中Y3+離子的激光工作 物質(zhì)，稱為摻釹釔鋁石榴石（簡(jiǎn)稱Nd3+：YAG）。它以Nd3+離子作為激活粒子。圖8-1給 出了 Nd3+：YAG晶體中Nd3+離子的與激光產(chǎn)生過(guò)程有關(guān)的能級(jí)圖。處于基態(tài)4I9/2的釹離 子吸收光泵發(fā)射的相應(yīng)波

3、長(zhǎng)的光子能量后躍遷到4I5/2, 2H9/2和4F7/2, 4S3/2能級(jí)（吸收帶 的中心波長(zhǎng)是810nm和750nm，帶寬為30nm），然后幾乎全部通過(guò)無(wú)輻射躍遷迅速降 落到4F3/2能級(jí)。4F3/2能級(jí)是一個(gè)壽命為0.23ms的亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。處于4F3/2能級(jí)的Nd3+離 子可以向多個(gè)較低能級(jí)躍遷并產(chǎn)生輻射，其中幾率最大的是4F3/2至4I11/2的躍遷（波長(zhǎng) 為 1064nm）。圖8-1 Nd3+:YAG激光的激發(fā)機(jī)理（2）靜態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)特性分析（a）脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)一馳豫振蕩（尖峰效應(yīng)）暫態(tài)過(guò)程。（b）連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)一閾值條件（增益飽和）穩(wěn)態(tài)過(guò)程。按“激光原理與技術(shù)”中有關(guān)章節(jié)的分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)得出：僅僅依靠

4、增加泵浦能 量與功率，不能獲得窄脈寬，高峰值功率的激光脈沖的結(jié)論。2. Cr:YAG飽和吸收被動(dòng)調(diào)Q原理自飽和被動(dòng)式調(diào)Q激光器由于器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)激光器無(wú)電磁干擾，應(yīng)用十分廣泛， 但由于通常的染料調(diào)Q介質(zhì)，導(dǎo)熱率極低，使其應(yīng)用范圍受到局限，只能用于低重復(fù)率 的脈沖調(diào)Q激光器中。近年來(lái)，由于激光晶體技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)已生產(chǎn)出可用于高重復(fù) 率調(diào)Q的多摻Y(jié)AG晶片，制成了被動(dòng)式的Q開關(guān)器件，兼?zhèn)渎暪夂腿玖险{(diào)Q的長(zhǎng)處， 在激光醫(yī)療、激光打標(biāo)和非線性光學(xué)等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。在YAG晶體內(nèi)，除了 Nd+3之外，某些分凝系數(shù)較大的金屬氧化物也能以原子或離 子的形式長(zhǎng)入晶體之中，這些異價(jià)離子將在其近鄰產(chǎn)生具有

5、反號(hào)電荷的離子空位或點(diǎn)陣 空位，當(dāng)一個(gè)自由電子或空穴被俘獲時(shí)，就形成了吸收光的色心（Color Center）o多摻 雜的YAG晶片在0.9-1.2U m波長(zhǎng)范圍內(nèi)有很強(qiáng)的吸收，可將該晶片置于Nd:YAG激光 諧振腔內(nèi)，其透過(guò)率將隨腔中振蕩激光（1.06p m波長(zhǎng)）的強(qiáng)度變化而變化，并改變著 諧振腔的Q值，因此起著被動(dòng)式的Q開關(guān)作用，使激光器產(chǎn)生巨脈沖。多摻雜的YAG晶片是一種非線性吸收介質(zhì)，在強(qiáng)光作用下由于吸收飽和而對(duì)激光呈現(xiàn)透明的特征，將該晶片置于諧振腔內(nèi)，開始時(shí)，由于吸收工作物質(zhì)發(fā)出的較弱的熒 光，吸收很強(qiáng)，透過(guò)率很低，相當(dāng)于在腔內(nèi)加入很大的損耗，Q值很低，腔內(nèi)不能形成 激光振蕩。隨著光

6、泵的繼續(xù)作用，腔內(nèi)工作物質(zhì)的熒光變強(qiáng)（形成所謂超輻射），晶片 的透過(guò)率逐漸增大，達(dá)到一定數(shù)值時(shí)（與晶片的摻雜濃度和厚度有關(guān)），晶片的吸收達(dá) 到飽和值，光可全部通過(guò)，即晶片的通光面突然被“漂白”而變得透明了，這時(shí)腔內(nèi)的 Q值猛增，損耗急劇降低，產(chǎn)生激光振蕩，形成巨脈沖輸出。1圖8-2二能級(jí)系統(tǒng)關(guān)于飽和吸收原理，可用能級(jí)躍遷的量子理論予以解釋。當(dāng)光子能量為hv的光束 入射到晶片時(shí)，將引起基態(tài)粒子的受激躍進(jìn)遷，此時(shí)，晶片呈吸收狀態(tài)，其吸收率A與 光子頻率v密切相關(guān)。對(duì)于多摻雜的YAG晶片，其吸收波長(zhǎng)范圍在0.91.2p m之間， 因此，對(duì)Nd:YAG激光波長(zhǎng)（1.06p m）有共振吸收作用。此外，吸

7、收率A還與入射光 強(qiáng)I有關(guān)。設(shè)粒子總數(shù)為N=n1+n2（n1與n2分別代表基態(tài)鳥與激發(fā)態(tài)E2能級(jí)上的粒子 數(shù)），隨著入射光強(qiáng)的增大，基態(tài)粒子躍遷到高能態(tài)的數(shù)目增多，與此同時(shí)，晶片的吸 收率A（v，1）就會(huì)下降，而其透過(guò)率則為T（V，I）=1-A（v，I），如果入射光束 的強(qiáng)度繼續(xù)增加，吸收率就進(jìn)一步減小，直到n1= n2時(shí)，低能態(tài)到高能態(tài)的受激躍遷與 高能態(tài)到低能態(tài)的自發(fā)躍遷達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡亦即晶片達(dá)到了飽和吸收狀態(tài)，這時(shí)，晶片 的吸收率AQ0，而透過(guò)率TQ100%。采用二能級(jí)系統(tǒng)的速率方程方法對(duì)自飽和晶片的吸收特性進(jìn)行分析后，可得出在強(qiáng) 光作用下其受激吸收截面。（v ）在上下能級(jí)粒子數(shù)相等時(shí)（

8、權(quán)重一樣）近似為零，而透 過(guò)率T約為100%，此時(shí)達(dá)到了飽和吸收狀態(tài)。激光介質(zhì)中大量的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)轉(zhuǎn)換成激 光巨脈沖輸出，此后，由于腔內(nèi)光子數(shù)急劇減少和飽和吸收體上能級(jí)壽命較短引起飽和 吸收體的上能級(jí)粒子數(shù)下降，。（v ）將會(huì)增大，導(dǎo)致腔內(nèi)透過(guò)率TQ0，諧振腔處于低Q 值狀態(tài)，而激光介質(zhì)在泵浦的作用下進(jìn)行著反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的積累，當(dāng)。（v ）再為零時(shí)，又 有一個(gè)激光脈沖輸出，此即自飽和開關(guān)的一個(gè)動(dòng)作周期，多摻雜的YAG晶體具有良好 的導(dǎo)熱性，因此，不僅可用脈沖泵浦還能用于連續(xù)泵浦的Nd:YAG激光器。實(shí)驗(yàn)中采用Cr:YAG調(diào)Q品體，它的性質(zhì)如表8-2所示。隨著激光技術(shù)的發(fā)展， Cr4+：YAG被動(dòng)調(diào)Q

9、開關(guān)因其操作和生產(chǎn)的簡(jiǎn)易性，成本低，尺寸小和重量輕等特點(diǎn)。 它作為Q開關(guān)廣泛應(yīng)用于二極管泵浦的Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YVO4及燈泵浦的其他 摻Nd或Yb的波長(zhǎng)0.8-1.2um的激光器中。因其化學(xué)穩(wěn)定性、使用壽命長(zhǎng)、抗紫外線、 良好的熱傳導(dǎo)性和高的損傷閥值(500MW/cm2)，使它將取代普通Q開關(guān)品體(LiF和 染料品體)成為新的被動(dòng)調(diào)Q激光晶體。圖8-3 Cr:YAG透過(guò)率與光功率密度關(guān)系圖由圖8-3 Cr:YAG的透過(guò)率在激光輸入能量增加時(shí)呈現(xiàn)明顯的可飽和吸收性，與染 料調(diào)Q原理類似，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)調(diào)Q開關(guān)功能。由于Cr4+：YAG的飽和光強(qiáng)較小，所以當(dāng)腔內(nèi) 凈增益較大時(shí),Q開關(guān)很

10、容易多次打開，在一次閃光燈的泵浦里，容易出現(xiàn)多個(gè)調(diào)Q脈沖。 這對(duì)提高調(diào)Q重復(fù)率很有利。但是如果需要獲得單脈沖，可增加輸出耦合，也可減小 Cr4+YAG的初始透過(guò)率。被動(dòng)調(diào)Q激光器是在脈沖激光器的諧振腔中插入一個(gè)被動(dòng)調(diào)Q品體構(gòu)成。脈沖式燈 泵浦YAG激光器被動(dòng)調(diào)Q實(shí)驗(yàn)采用圖8-4所示的實(shí)驗(yàn)裝置圖，改變輸出鏡透過(guò)率，得到 輸入電壓和輸出能量的關(guān)系曲線圖。驗(yàn)證最佳透過(guò)率理論和輸出特性曲線，并且用光電 探測(cè)器和示波器觀察調(diào)Q輸出脈沖，理解被動(dòng)調(diào)Q多個(gè)脈沖出現(xiàn)的原因。表8-2 Cr:YAG被動(dòng)調(diào)Q晶體的主要性質(zhì)化學(xué)成分Cr:Y3Al5O12折射率1.821064nm晶體結(jié)構(gòu)立方品系損傷閾值500Mw/c

11、m2飽和光強(qiáng)40kw/cm2上能級(jí)壽命3.412 s受激吸收截面8.7 X 10-19cm2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容Nd:YAG激光器靜態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)特性參數(shù)采用不同透過(guò)率的輸出鏡測(cè)量所對(duì)應(yīng)的脈沖Nd:YAG激光器的閾值和斜率效 率，實(shí)驗(yàn)確定最佳靜態(tài)透過(guò)率Ts。對(duì)于脈沖Nd:YAG激光器：門= 氣(能量斜率效率)氣一氣其中Eh為閾值泵浦能量。采用最佳透過(guò)率膜片作為輸出鏡，測(cè)量脈沖Nd:YAG激光的單脈沖輸出能量 E和泵浦能量e之間的關(guān)系，畫出相應(yīng)的曲線，通過(guò)示波器觀察Nd:YAG激光器的靜 態(tài)輸出波形，記錄其形狀和脈沖寬度，改變泵浦能量，觀測(cè)輸出波形變化，得出相應(yīng)的 實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Cr:YAG被動(dòng)調(diào)Q Nd:YAG激光器

12、的動(dòng)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)特性將測(cè)試過(guò)的Cr:YAG調(diào)Q品體插入激光諧振腔內(nèi)，用He-Ne激光準(zhǔn)直調(diào)節(jié)其 平行度，在其散熱、冷卻條件得到保證的狀態(tài)下，開啟激光器，反復(fù)調(diào)節(jié)，降低閾值。在某個(gè)固定的泵浦頻率下，對(duì)應(yīng)于透過(guò)率Tm確定的輸出鏡，采用不同初始 透過(guò)率To的Cr:YAG調(diào)Q晶體進(jìn)行被動(dòng)調(diào)Q，利用激光能量計(jì)測(cè)量調(diào)Q激光輸出能量 鼠：采用光電探測(cè)器和示波器觀察調(diào)Q脈沖波形，測(cè)量Q脈沖的寬度，注意“多 脈沖”現(xiàn)象的“臺(tái)階”效應(yīng)所對(duì)應(yīng)的To與Ein。對(duì)于出現(xiàn)了 “臺(tái)階”效應(yīng)的To，畫出 Eout與E.n的關(guān)系曲線，并給出相應(yīng)的分析與解釋。更換不同的激光輸出鏡，即相當(dāng)于改變透過(guò)率TM，重復(fù)(2)、(3)操作，在 實(shí)

13、驗(yàn)中確定單脈沖能量大、脈寬窄、效率高的條件，達(dá)到設(shè)計(jì)相對(duì)最佳的光學(xué)參數(shù)Tout 與To的目的。實(shí)驗(yàn)裝置圖8-4脈沖式燈泵浦YAG激光器被動(dòng)調(diào)Q實(shí)驗(yàn)裝置圖脈沖式燈泵浦YAG激光器被動(dòng)調(diào)Q實(shí)驗(yàn)采用如圖8-4的實(shí)驗(yàn)裝置，包括：全反鏡、 泵浦燈、Nd:YAG棒、被動(dòng)調(diào)Q品體、輸出鏡和能量計(jì)。實(shí)驗(yàn)步驟開啟循環(huán)冷卻水箱。開啟激光電源。調(diào)整激光諧振腔直至有激光輸出，測(cè)量輸出能量與泵浦電壓之間的關(guān)系。更換輸出鏡透過(guò)率，重復(fù)步驟(3)。放入被動(dòng)調(diào)Q晶體，改變輸入泵浦電壓，用激光能量計(jì)測(cè)量激光輸出能量。得到一 組數(shù)據(jù)。改變輸出鏡的透過(guò)率兩次，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟(5)，得到另外兩組數(shù)據(jù)。通過(guò)探測(cè)器和示波器觀察調(diào)Q脈沖的波形、頻率和脈寬。了解被動(dòng)式調(diào)Q與主動(dòng)式 調(diào)Q的區(qū)別。關(guān)閉激光電源。(9)關(guān)閉冷卻循環(huán)水箱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)，分別畫出輸入泵浦電壓與輸出能量關(guān)系曲線圖，并且得出最佳輸 出鏡透過(guò)率，并與理論比較，分析偏差產(chǎn)生的原因。比較主被動(dòng)式調(diào)Q脈沖