電光Q開關技術實驗課件電光調Q實驗結果與討論簡介

實驗內容與步驟實驗裝置及儀器

實驗目的實驗原理165432目錄簡介

固體激光器的應用主要集中在科研與開發、加工、醫療和軍用等四個方面。在科研與開發方面，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、作光譜研究和新材料開發用的超短脈沖激光器和可調諧激光器、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、測量人造地球衛星軌跡和月球表面用的高精度激光測距儀、遙感用的激光雷達等等。

一般固體脈沖激光器由于存在馳豫振蕩現象，輸出激光為一無規尖峰脈沖序列，其總的脈沖寬度持續幾百微秒甚至幾毫秒，峰值功率也只有幾十千瓦的水平，遠不能滿足以上應用要求，正是在這些要求的推動下，人們研究和發展了調Q技術。

激光問世不久，1961年就有人提出了調Q的概念，即設想采用一種方法把全部光輻射能壓縮到極窄的脈沖中發射；1962年，制成了第一臺調Q激光器，輸出峰值功率為600千瓦，脈沖寬度為10-7s量級；隨后的幾年發展得非常快，出現了多種調Q方法（如電光調Q、聲光調Q、可飽和吸收調Q等），輸出功率幾乎呈直線上升，脈寬壓縮也取得了很大進展。80年代，調Q技術產生脈寬為納秒（ns）量級，峰值功率為吉瓦（GW）量級的巨脈沖已并非困難。

1961年底，鄧錫銘幾乎與國外同時，獨立提出了高功率激光Q開關原理。他非常形象地解釋：把Q開關比喻為一個稍有漏水(自發輻射躍遷)的抽水馬桶，當水箱被灌(光泵注入能量)滿之后水箱底部的蓋快速揭開(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Ｑ技術很容易獲得峰值功率高于兆瓦、脈寬為數十個納秒的激光巨脈沖。

調Q技術的出現是激光發展史上的一個重大突破。它不僅大大推動了一些應用技術的發展且成為科學研究的有力工具。鄧錫銘在示波器上觀察的調Ｑ后的巨脈沖實驗目的1、理解電光調Q的基本原理；2、了解退壓式電光調Q的原理及方法；3、學會電光Q開關實驗裝置的調試；4、掌握相關技術參數的測試方法。實驗原理調Ｑ原理和方法

通過某種方法，在光泵激勵剛開始時，先使光腔具有高損耗δH,激光器由于處于高閾值而不能產生振蕩，于是激光上能級亞穩態上的粒子數可以積累到較高的水平。當其粒子數積累到相應于泵浦而言最大值時，使腔的損耗突然降低到δL，閾值也隨之突然降低。此時反轉粒子數大大超過閾值，受激輻射極為迅速地增強。于是在極短時間內，上能級貯存的大部分粒子的能量轉變為激光能量，在輸出端有一個強的激光巨脈沖輸出。

?n?nt’?ni?nt?n目前的調Ｑ技術聲光調Ｑ

轉鏡調Ｑ

染料調Ｑ

……電光調Ｑ電光調Ｑ（主動調Ｑ）

電光調Ｑ開關通常也稱為普克爾盒開關，它的基本原理是利用某些單軸晶體的線性電光效應，使通過晶體的光束的偏振狀態發生改變，從而達到接通或切斷腔內振蕩光路的開關作用。

線性電光開關基本上又可分為兩類：一類是利用KD*P(磷酸二氘鉀）型晶體的縱向線性電光效應，即光束方向及外加電場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，即光束與晶體光軸同向，而外加電場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電光開關，這種開關又分為退壓和加壓兩種工作方式。下圖為退壓式電光開關，電光晶體施加λ/４調制電壓，由棒透過起偏器的Ｐ線偏振光兩次通過電光晶體后，偏振面正好偏轉90°變成Ｓ光，被偏振片反射到腔外，激光器處于高損耗關門狀態，當突然去掉晶體上的調制電壓后，開關迅速打開，振蕩光路接通，從而產生強的短脈沖激光振蕩輸出。退壓式調Ｑ示意圖激光電源調Ｑ模塊輸出鏡全反鏡

YAG晶體棒脈沖氙燈偏振片

電光晶體調制電壓……損耗高不能振蕩損耗低輸出巨脈沖聚光腔實驗裝置及儀器聚光腔光闌全反鏡電光晶體輸出鏡準直光源偏振片可存儲示波器能量計脈沖光電探頭連續光電探頭短脈沖光電探頭實驗內容與步驟1、諧振腔的調試

用LD激光束調整激光器各光學元件的高低水平位置，使各光學元件的對稱中心基本位于同一直線上。再調整各光學元件的俯仰方位，使介質膜反射鏡、偏振器、電光晶體的通過面與激光工作物質端面相互平行（即粗調）。啟動電源，在不加晶體電壓情況下，反復調整兩塊諧振腔片（即細調），使靜態激光輸出光斑最圓、最強。一般稱不加調Q元件的激光輸出為靜態激光；而加調Q元件的激光輸出為動態激光或巨脈沖激光。實驗內容與步驟2、

關門實驗給電光晶體加上核定的電壓，大約3600V左右。調節KD*P晶體時，應首先旋轉KD*P晶體，找到波形最小的KD*P晶體位置，將KD*P晶體固定在調整架上。然后調節輸入電壓，從小到大，每隔20V時，調節KD*P晶體的水平和俯仰旋鈕，用脈沖探測器探測波形，直至示波器上的脈沖波形調沒，一直加大電壓直到電壓加到波形無法調沒為止。此即說明電光Q開關已處于光閉狀態（低Q值狀態）。注意：調整過程中探頭的距離不要太遠，示波器的伏/格不能太大。4、延時調節

由電光調Q基本原理可知，要獲得高效率調Q的關鍵之一是精確控制Q開關“打開”的延遲時間，即從氙燈點燃開始延遲一段時間，當工作物質上能級反轉的粒子數達到最大時，立即“打開”開關的效果最好。接通電光晶體的退壓電路，打動態激光，微調氙燈開始泵浦至退去電壓之間的延遲時間電位器，一面觀察激光強弱，一面微調延遲電位器旋鈕，直到激光輸出最強。實驗內容與步驟5、測量

調節好關門和延時后，再調節全反鏡，使光斑均勻圓整。改變脈沖泵浦能量，用能量計分別測量五組靜態輸出電壓（轉換為能量，每組測3~5個數據）、脈寬、峰值功率；動態輸出能量、脈寬、峰值功率，將靜態和動態數據分別列表。并利用公式分別計算出在一泵浦能量下的動態與靜態激光輸出能量之比實驗結果及討論1、靜態閾值電壓：440V探頭參數：8.4mV/mJ注入電壓（V）注入能量（J）輸出電（mV）平均輸出電壓（mV）輸出能量（mJ）標準差12345500530560590620表1靜態激光注入能量與輸出能量數據表實驗結果及討論2、動態閾值電壓：480V探頭參數：8.4mV/mJ注入電壓（V）注入能量（J）輸出電壓（mV）平均輸出電壓（mV）輸出能量（mJ）標準差12345500530560590620表2動態激光注入能量與輸出能量數據表注意：表1和2的數據可在同一個注入電壓下同時測量。實驗結果及討論注入電壓（V）脈寬（ns）平均脈寬（ns）標準差12345500530560590620表3動態激光注入電壓與脈寬關系實驗結果及討論注入電壓（V）注入能量（J）靜態激光能量（mJ）動態激光能量（mJ）動態脈寬度（ns）動態峰功率(MW)動靜比500530560590620表4實驗結果匯總輸出光斑：靜態動態圖1動、靜態能量輸出曲線圖2動靜比曲線實驗結果及討論實驗結論：從脈沖寬度、峰值功率、輸出光斑等方面比較動態和靜態結果，說明調Q技術的作用。思考問題1.

為什么調Q時、增大激光器的腔內損

耗的同時能使用上能級粒子反轉數

積累增加？試加以說明。2.試述改變退壓延遲時間t0和加在晶體

上的電壓值Vλ/4，為什么會影響調Q

激光器的輸出？注意事項

脈沖Nd:YAG激光器輻射的激光功率非常高，使用過程中稍有不慎，激光束就會損傷身體或物品，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物上甚至會引起火災和爆炸。激光器泵浦閃光燈電源、觸發電源和調Q電源都使用高壓電，意外觸及可造成人身傷害。因此，在實驗中應注意以下安全事項：

1、儀器啟動后，不準向激光腔內窺視。

2、絕對禁止直接或反射的激光射入眼內，有關人員應配戴激光防護鏡。

3、嚴禁學生實驗時打開電源箱外殼，以防剩余電壓傷人或損傷儀器。

4、