1、實驗十二聲光調Q倍頻YAG激光器實驗一、實驗目的(1掌握聲光調Q連續激光器及其倍頻的工作原理;(2學習聲光調Q倍頻激光器的調整方法;(3了解聲光調Q固體激光器的靜態和動態特性,并掌握測試方法;(4學習倍頻激光器的調整方法。二、實驗原理聲光調Q倍頻連續YAG激光器的工作原理(1聲光調Q基本原理: 圖12-1 聲光調制器工作原理聲光調制器是由石英晶體、鈮酸鋰、或重火石玻璃做為聲光介質,通過電聲換能器(壓電晶體將超聲波耦合進去,在聲光介質中產生超聲波光柵。超聲波光柵將介質的折射率進行周期性調制,從而進一步形成折射率體光柵。如圖12-1所示。光柵公式如下式2sin S B n=(1式(1中,s 為聲光

2、介質中的超聲波波長,B 為布拉格衍射角,為入射光波波長,n 為聲光介質的折射率。當入射光以布拉格角入射時,出射光將被介質中的體光柵衍射到一級衍射最大方向上。利用聲光介質的這種性質,可以對激光諧振腔內的光束方向進行調制。當加入聲光調制信號時,光束偏轉出腔外,不能在腔內形成振蕩,即此時為高損耗腔。在此期間泵浦燈注入給激活介質(激光晶體的能量儲存在激光上能級,形成高反轉粒子數。當去掉聲光調制信號時,光束不被偏轉,在腔內往返,形成激光振蕩。由于前面積累的高反轉粒子數遠遠超過激光閾值,所以瞬時形成脈沖激光輸出,從而形成窄脈寬、高能量的激光脈沖。聲光調Q 激光器工作在幾千周到幾十千周的調制頻率下,所以可以

3、獲得高重復率、高平均功率的激光輸出。(2倍頻器件工作原理: 圖12-2 倍頻晶體折射率橢球及通光方向示意圖由于晶體中存在色散現象,所以在倍頻晶體中的通光方向上,基頻光與倍頻光所經歷的折射率n 與2n 是不同的。圖12-3給出了一個單軸晶體的色散及1064nm 倍頻匹配點的折射率關系曲線。 R e f r a g t i v e I n d e x (m m圖12-3 單軸晶體色散曲線及倍頻原理示意圖圖12-3中的實線代表了尋常光的折射率,點劃線代表了非常光的折射率,中間的點線則代表了非常光在改變入射光角度時得到的折射率。由圖中可以看出,當改變晶體中入射光的角度,中間的非常光折射率曲線隨之變化,

4、在如圖的位置上,可以實現1064nm 的倍頻。即在特定的通光方向上,532nm 的倍頻光與1064nm 的基頻光折射率可以實現相等,實現倍頻的相位匹配。對于雙軸晶體其相位匹配的計算較為復雜,這里不詳細論述。其相位匹配原理都是相同的。(3倍頻效率:設為基頻光,2為倍頻光,則由理論計算可以得到倍頻的效率為2222222220sin 822effSHG kL L d I I kL I n n c =(2 式(2中I 為基頻光光強,2I 為倍頻光光強,L 為晶體長度,eff d 為晶體倍頻有效非線性系數,n 為基頻光折射率,2n 為倍頻光折射率,123k k k k =+-為三波互作用時的波矢量失配。

5、由公式給出的倍頻效率是一個Sinc 平方函數,當k =0時效率達到最大值,失配量在的整數倍時達到最小值。-9.42-6.28-3.140.00 3.14 6.289.420.00.20.40.60.81.0s i n c (k L /22kL/2圖12-4 倍頻效率的sinc 平方函數圖三、實驗裝置實驗裝置如圖12-5所示。這是一臺內腔倍頻、連續氪燈(單燈泵浦、聲光調Q 的YAG 激光器。不加倍頻元件可以輸出1064nm 波長的近紅外高功率激光。當腔內放置倍頻晶體時,如采用倍頻效率較高的KTP (磷酸二氫鉀晶體,就可以產生532nm 波長的倍頻綠光輸出。 圖12-5 聲光調Q連續YAG倍頻激光

6、器示意圖由于倍頻效率與基頻激光的峰值功率平方成正比,所以為了有效地產生高效率的倍頻輸出,在YAG腔內采用了聲光調Q裝置,其作用可以將連續振蕩的1064nm基頻光變換成10KHz左右的高重復頻率脈沖激光,脈沖寬度在150nS 左右。由于具有重復頻率和峰值功率高的特點,所以可以獲得高平均功率的倍頻綠光輸出。實驗裝置中采用5mW的氦氖激光器做為準直光源。諧振腔后面采用的全反鏡為1064nm高反。倍頻輸出鏡為1064nm高反和532nm高透雙色鏡。1064nm 基頻光在腔內形成振蕩且不直接輸出到腔外。在腔內放置KTP晶體做為倍頻器件,將1064nm基頻光轉換為532nm倍頻光,并通過倍頻輸出鏡獲得輸出

7、。本實驗中,在腔內還放置了一塊諧波反射鏡,上面鍍有1064nm高透、532nm高反,使獲得的后向倍頻光再次反射回倍頻輸出鏡處并得到輸出,從而進一步提高了倍頻輸出效率。四、實驗內容（1）仔細反復調整激光器中反射鏡、聲光 Q 開關、KTP 倍頻晶體，使之 降低閾值達到最佳工作狀態。 （2）觀察聲光調 Q 連續 YAG 倍頻激光器的工作特點。 （3）比較有調 Q 作用和無調 Q 作用時倍頻輸出明顯的差別。 （4）測量倍頻激光器綠光輸出的脈沖寬度和波形。 （5）觀察不同聲光調制頻率下綠光輸出功率的變化。 （6）轉動倍頻晶體角度觀察倍頻輸出功率變化。 *（7）估算倍頻激光器的倍頻效率。 五、實驗步驟 （

8、1）用氦氖激光器調整光路，使所有反射面都與光軸垂直，達到諧振腔的 腔鏡平行。重點是光路中的激光棒端面、聲光 Q 開關端面、全反鏡和倍頻輸出 鏡。這是保證有效產生高功率基頻光振蕩的首要條件。 （2）通冷卻水后，小心設定連續激光電源的最小工作電流，開啟電源使連 續氪燈工作在最小孤光放電狀態。 （3）打開激光功率計，并調零，設定探測波長為 532nm 檔。開啟聲光調 Q 驅動電源，調整聲光調制功率。一般應結合激光功率進行調整，當激光功率 較小時調制功率亦小，調制功率不宜設定過高，以達到最高效率為準。先將聲 光調制 頻率設 定為 7KHz 左右， 進行 觀察 ，然后 再改變 聲光 調 制頻率從 7KH

9、z20KHz，觀察綠光輸出功率的變化。 （4）對實驗內容（3）進行觀察和熟悉。 （5）用分辨率小于 100nS 的示波器和綠光響應的高速光電二級管探測觀 察聲光調 Q 倍頻綠光輸出的波形。可將激光調整到較小，或將綠光激光打到物 體的反射面上探測其反射光即可。不可直接將探測器對準綠光進行探測，否則 會造成探測器的損壞。 （6） 繪制不同聲光調制頻率下的綠光輸出功率曲線， 注意標明激光工作條 件（激光電源驅動電流、聲光調制器驅動電流） 。 （7）KTP 晶體屬于雙軸晶體，實驗中采用 II 類相位匹配，其 1064nm 的 倍頻最佳相位匹配角為 = 90o ， = 23.2o 。稍微轉動晶體的方位角

10、 ，記錄輸 出功率隨晶體角度變化的曲線。理論計算應為一 Sinc 平方曲線。用氦氖激光器 垂直入射晶體表面，在一定距離上觀察晶體表面反射光點的位置，以計算出晶 體與光軸的夾角。 * （8） 測量倍頻效率。 先將倍頻晶體和諧波反射鏡取出， 用一波長在 1064nm 處反射率為 90%的鏡片取代倍頻輸出鏡，以形成一 1064nm 連續激光諧振腔， 先測量只有 1064nm 激光輸出的功率。將晶體、諧波反射鏡、倍頻輸出鏡放回 導軌上，形成內腔倍頻諧振腔，再測量倍頻輸出的綠光功率。用綠光功率除以 基頻光功率，以估算出倍頻效率。注意：此時測量的基頻光功率為估算值，實 際還應考慮電源到激光的效率。 重要提

11、示： 重要提示 1） 連續激光器的電源功率最大輸出在千瓦以上， 由于固體激光器效率只有 百分之幾， 大部分都轉換為熱量， 所以一定要先開啟冷卻水然后方可進行操作， 否則晶體和氪燈會發生損壞。 2）由于 1064nm 基頻光都在腔內振蕩沒有輸出，所以腔內功率密度很高， 很容易打壞光學元件，所以一定要保證通光光路中沒有切光，特別是 KTP 晶體 要對正通光中心。 3） 激光脈寬探測器是價值較高的高速響應及高靈敏度光電二極管， 不可直 接將激光輸出打在上面。只能探測強光打在物體上的散射光。 六、實驗報告 1）描述聲光調 Q 內腔倍頻 YAG 激光器的工作原理。 2）有聲光調 Q 與無聲光調 Q 作用時的綠光輸出現象和記錄。 3）脈寬