固体激光倍频、调Q实验.doc

声光调 Q 倍频 YAG 激光器实验声光调制器由石英晶体、铌酸锂 或重火石玻璃作为声光介质，通过压电晶体电声转换器将超声波耦合，在声光介质中产生超声波光栅，介质的折射率被周期性调制形成折射率体光栅在腔内采用该技术，可将连续的 1064nm 基频光变换成 10KHz 的高重复率脉冲激光，由于具有重复频率和峰值功率高的特点，可获得高平均功率的倍频绿光输出实验目的】（1）掌握声光调 Q 连续激光器及其倍频的工作原理； （2）学习声光调 Q 倍频激光器的调整方法； （3）了解声光调 Q 固体激光器的静态和动态特性，并掌握测试方法； （4）学习倍频激光器的调整方法 【实验原理】【实验原理】声光调 Q 倍频连续 YAG 激光器的工作原理 （1） 声光调 Q 基本原理： 图 1 声光调制器工作原理声光调制器是由石英晶体、铌酸锂、或重火石玻璃做为声光介质，通过电声换能器（压电晶体）将超声波耦合进去，在声光介质中产生超声波光栅超声波光栅将介质的折射率进行周期性调制，从而进一步形成折射率体光栅如图 1 所示光栅公式如下式 （1） 式（1）中， 是声光介质中的超声波波长， 为布拉格衍射角， 为入射光波波长，n 为声光介质的折射率。

当入射光以布拉格角入射时，出射光将被介质中的体光栅衍射到一级衍射最大方向上利用声光介质的这种性质，可以对激光谐振腔内的光束方向进行调制当加入声光调制信号时，光束偏转出腔外，不能在腔内形成振荡，即此时为高损耗腔在此期间泵浦灯注入给激活介质（激光晶体）的能量储存在激光上能级，形成高反转粒子数当去掉声光调制信号 时，光束不被偏转，在腔内往返，形成激光振荡由于前面积累的高反转粒子数远远超过激光阈值，所以瞬时形成脉冲激光输出，从而形成窄脉宽、高能量的激光脉冲声光调 Q 激光器工作在几千周到几十千周的调制频率下，所以可以获得高重复率、高平均功率的激光输出 （2）倍频器件工作原理： 图 2 倍频晶体折射率椭球及通光方向示意图由于晶体中存在色散现象，所以在倍频晶体中的通光方向上，基频光与倍频光所经历的折射率 与 是不同的图 3 给出了一个单轴晶体的色散及 1064nm 倍频匹配点的折射率关系曲线图 3 中的实线代表了寻常光的折射率，点划线代表了非常光的折射率，中间的点线则代表了非常光在改变入射光角度时得到的折射率由图中可以看出，当改变晶体中入射光的角度，中间的非常光折射率曲线随之变化，在如图 3 的位置上，可以实现 1064nm 的倍频。

即在特定的通光方向上，532nm 的倍频 光与 1064nm 的基频光折射率可以实现相等，实现倍频的相位匹配对于双轴晶体其相位匹配的计算较为复杂，这里不详细论述其相位匹配原理都是相同的 图 3 单轴晶体色散曲线及倍频原理示意图 （3）倍频效率： 设 w 为基频光，2w 为倍频光，则由理论计算可以得到倍频的效率为（2） 为基频光光强， 为倍频光光强，L 为晶体长度， 为晶体倍频有效非线性系数， 为基频光折射率， 为倍频光折射率， 为三波互作用时的波矢量失配由公式给出的倍频效率是一个 Sinc 平方函数， 当 时效率达到最大值，失配量在 的整数倍时达到最小值图 4 倍频效率的 sinc 平方函数图 【实验装置】实验装置如图 5 所示这是一台内腔倍频、连续氪灯（单灯）泵浦、声光调 Q 的 YAG 激光器不加倍频元件可以输出 1064nm 波长的近红外高功率激光当腔内放置倍频晶体时，如采用倍频效率较高的 KTP（磷酸二氢钾）晶体，就可以产生 532nm 波长的倍频绿光输出图 5 声光调 Q 连续 YAG 倍频激光器示意图由于倍频效率与基频激光的峰值功率平方成正比，所以为了有效地产生高效率的倍频输出，在 YAG 腔内采用了声光调 Q 装置，其作用可以将连续振荡的 1064nm 基频光变换成 10KHz 左右的高重复频率脉冲激光，脉冲宽度在 150nS 左右。

由于具有重复频率和峰值功率高的特点，所以可以获得高平均功率的倍频绿光输出实验装置中采用 5mW 的氦氖激光器做为准直光源谐振腔后面采用的全反镜为 1064nm 高反倍频输出镜为 1064nm 高反和 532nm 高透双色镜1064nm 基频光在腔内形成振荡且不直接输出到腔外在腔内放置KTP 晶体做为倍频器件，将 1064nm 基频光转换为 532nm 倍频光，并通过倍频输出镜获得输出本实验中，在腔内还放置了一块谐波反射镜，上面镀有 1064nm 高透、532nm 高反，使获得的后向倍频光再次反射回倍频输出镜处并得到输出，从而进一步提高了倍频输出效率实验内容】（1）仔细反复调整激光器中反射镜、声光 Q 开关、KTP 倍频晶体，使之降低阈值达到最佳工作状态 （2）观察声光调 Q 连续 YAG 倍频激光器的工作特点 （3）比较有调 Q 作用和无调 Q 作用时倍频输出明显的差别 （4）测量倍频激光器绿光输出的脉冲宽度和波形 （5）观察不同声光调制频率下绿光输出功率的变化 （6）转动倍频晶体角度观察倍频输出功率变化 *（7）估算倍频激光器的倍频效率实验步骤】（1）用氦氖激光器调整光路，使所有反射面都与光轴垂直，达到谐振腔的腔镜平行。

重点是光路中的激光棒端面、声光 Q 开关端面、全反镜和倍频输出镜这是保证有效产生高功率基频光振荡的首要条件 （2）通冷却水后，小心设定连续激光电源的最小工作电流，开启电源使连续氪灯工作在最小孤光放电状态 （3）打开激光功率计，并调零，设定探测波长为 532nm 档开启声光调 Q 驱动电源，调整声光调制功率一般应结合激光功率进行调整，当激光功率较小时调制功率亦小，调制功率不宜设定过高，以达到最高效率为准先将声光调制频率设定为 7KHz 左右，进行观察，然后再改变声光调制频率从 7KHz~20KHz，观察绿光输出功率的变化 （4）对实验内容（3）进行观察和熟悉 （5）用分辨率小于 100nS 的示波器和绿光响应的高速光电二级管探测观察声光调 Q 倍频绿光输出的波形可将激光调整到较小，或将绿光激光打到物体的反射面上探测其反射光即可不可直接将探测器对准绿光进行探测，否则会造成探测器的损坏6）绘制不同声光调制频率下的绿光输出功率曲线，注意标明激光工作条 件（激光电源驱动电流、声光调制器驱动电流） （7）KTP 晶体属于双轴晶体，实验中采用 II 类相位匹配，其1064nm 的倍频最佳相位匹配角为 稍微转动晶体的方位角 记录输出功率随晶体角度变化的曲线。

理论计算应为一 Sinc 平方曲线用氦氖激光器垂直入射晶体表面，在一定距离上观察晶体表面反射光点的位置，以计算出晶体与光轴的夹角8）测量倍频效率先将倍频晶体和谐波反射镜取出，用一波长在 1064nm 处反射率为 90%的镜片取代倍频输出镜，以形成一1064nm 连续激光谐振腔，先测量只有 1064nm 激光输出的功率将晶体、谐波反射镜、倍频输出镜放回导轨上，形成内腔倍频谐振腔，再测量倍频输出的绿光功率用绿光功率除以基频光功率，以估算出倍频效率注意：此时测量的基频光功率为估算值，实际还应考虑电源到激光的效率重要提示： （1）连续激光器的电源功率最大输出在千瓦以上，由于固体激光器效率只有百分之几，大部分都转换为热量，所以一定要先开启冷却水然后方可进行操作，否则晶体和氪灯会发生损坏 （2）由于 1064nm 基频光都在腔内振荡没有输出，所以腔内功率密度很高，很容易打坏光学元件，所以一定要保证通光光路中没有切光，特别是 KTP 晶体要对正通光中心 （3）激光脉宽探测器是价值较高的高速响应及高灵敏度光电二极管，不可直接将激光输出打在上面只能探测强光打在物体上的散射光讨论】倍频激光器输出耦合镜为 1064nm 全反， 这是否与激光原理中最佳偶合输出的概念矛盾？。