1、實驗八脈沖式燈泵浦YAG激光器被動調Q實驗實驗目的（1）掌握被動調Q YAG激光器的工作原理與調試方法。（2）測量脈沖與連續泵浦YAG激光器的靜態輸出特性。（3）分析被動調Q率被動調Q YAG激光器的動態輸出特性。（4）在被動調Q理論分析的基礎上，通過實驗研究，針對相應的運轉條件和應用 需求，設計被動調Q YAG激光器的光學參數。實驗原理1.固體Nd:YAG激光器的工作原理。（1） Nd:YAG晶體的性質表8-1 Nd:YAG激光晶體的主要性質化學成分Nd:Y3Al5O12Nd重量百分比0.925%Nd原子數百分比1%Nd原子數密度1.38X 10+20/cm3折射率1.821064nm散射損

2、耗0.003/cm晶體結構立方晶系熱膨脹系數7.8X10-6/k111,0-250C熱傳導率14w/m/k20 C ,10.5w/m/k100 C受激發射截面2.8-8.8 X 10-19cm24F3/2激光上能級壽命230 仇 s4I11/2激光下能級壽命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，稱為摻釹釔鋁石榴石（簡稱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+離子的與激光產生過程有關的能級圖。處于基態4I9/2的釹離 子吸收光泵發射的相應波

3、長的光子能量后躍遷到4I5/2, 2H9/2和4F7/2, 4S3/2能級（吸收帶 的中心波長是810nm和750nm，帶寬為30nm），然后幾乎全部通過無輻射躍遷迅速降 落到4F3/2能級。4F3/2能級是一個壽命為0.23ms的亞穩態能級。處于4F3/2能級的Nd3+離 子可以向多個較低能級躍遷并產生輻射，其中幾率最大的是4F3/2至4I11/2的躍遷（波長 為 1064nm）。圖8-1 Nd3+:YAG激光的激發機理（2）靜態運轉特性分析（a）脈沖運轉一馳豫振蕩（尖峰效應）暫態過程。（b）連續運轉一閾值條件（增益飽和）穩態過程。按“激光原理與技術”中有關章節的分析，結合實驗得出：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論。2. Cr:YAG飽和吸收被動調Q原理自飽和被動式調Q激光器由于器件結構簡單，對激光器無電磁干擾，應用十分廣泛， 但由于通常的染料調Q介質，導熱率極低，使其應用范圍受到局限，只能用于低重復率 的脈沖調Q激光器中。近年來，由于激光晶體技術的進步，我國已生產出可用于高重復 率調Q的多摻YAG晶片，制成了被動式的Q開關器件，兼備聲光和染料調Q的長處， 在激光醫療、激光打標和非線性光學等領域獲得廣泛的應用。在YAG晶體內，除了 Nd+3之外，某些分凝系數較大的金屬氧化物也能以原子或離 子的形式長入晶體之中，這些異價離子將在其近鄰產生具有

5、反號電荷的離子空位或點陣 空位，當一個自由電子或空穴被俘獲時，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波長范圍內有很強的吸收，可將該晶片置于Nd:YAG激光 諧振腔內，其透過率將隨腔中振蕩激光（1.06p m波長）的強度變化而變化，并改變著 諧振腔的Q值，因此起著被動式的Q開關作用，使激光器產生巨脈沖。多摻雜的YAG晶片是一種非線性吸收介質，在強光作用下由于吸收飽和而對激光呈現透明的特征，將該晶片置于諧振腔內，開始時，由于吸收工作物質發出的較弱的熒 光，吸收很強，透過率很低，相當于在腔內加入很大的損耗，Q值很低，腔內不能形成 激光振蕩。隨著光

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

7、收率A還與入射光 強I有關。設粒子總數為N=n1+n2（n1與n2分別代表基態鳥與激發態E2能級上的粒子 數），隨著入射光強的增大，基態粒子躍遷到高能態的數目增多，與此同時，晶片的吸 收率A（v，1）就會下降，而其透過率則為T（V，I）=1-A（v，I），如果入射光束 的強度繼續增加，吸收率就進一步減小，直到n1= n2時，低能態到高能態的受激躍遷與 高能態到低能態的自發躍遷達到了動態平衡亦即晶片達到了飽和吸收狀態，這時，晶片 的吸收率AQ0，而透過率TQ100%。采用二能級系統的速率方程方法對自飽和晶片的吸收特性進行分析后，可得出在強 光作用下其受激吸收截面。（v ）在上下能級粒子數相等時（

8、權重一樣）近似為零，而透 過率T約為100%，此時達到了飽和吸收狀態。激光介質中大量的反轉粒子數轉換成激 光巨脈沖輸出，此后，由于腔內光子數急劇減少和飽和吸收體上能級壽命較短引起飽和 吸收體的上能級粒子數下降，。（v ）將會增大，導致腔內透過率TQ0，諧振腔處于低Q 值狀態，而激光介質在泵浦的作用下進行著反轉粒子數的積累，當。（v ）再為零時，又 有一個激光脈沖輸出，此即自飽和開關的一個動作周期，多摻雜的YAG晶體具有良好 的導熱性，因此，不僅可用脈沖泵浦還能用于連續泵浦的Nd:YAG激光器。實驗中采用Cr:YAG調Q品體，它的性質如表8-2所示。隨著激光技術的發展， Cr4+：YAG被動調Q

9、開關因其操作和生產的簡易性，成本低，尺寸小和重量輕等特點。 它作為Q開關廣泛應用于二極管泵浦的Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YVO4及燈泵浦的其他 摻Nd或Yb的波長0.8-1.2um的激光器中。因其化學穩定性、使用壽命長、抗紫外線、 良好的熱傳導性和高的損傷閥值(500MW/cm2)，使它將取代普通Q開關品體(LiF和 染料品體)成為新的被動調Q激光晶體。圖8-3 Cr:YAG透過率與光功率密度關系圖由圖8-3 Cr:YAG的透過率在激光輸入能量增加時呈現明顯的可飽和吸收性，與染 料調Q原理類似，實現被動調Q開關功能。由于Cr4+：YAG的飽和光強較小，所以當腔內 凈增益較大時,Q開關很

10、容易多次打開，在一次閃光燈的泵浦里，容易出現多個調Q脈沖。 這對提高調Q重復率很有利。但是如果需要獲得單脈沖，可增加輸出耦合，也可減小 Cr4+YAG的初始透過率。被動調Q激光器是在脈沖激光器的諧振腔中插入一個被動調Q品體構成。脈沖式燈 泵浦YAG激光器被動調Q實驗采用圖8-4所示的實驗裝置圖，改變輸出鏡透過率，得到 輸入電壓和輸出能量的關系曲線圖。驗證最佳透過率理論和輸出特性曲線，并且用光電 探測器和示波器觀察調Q輸出脈沖，理解被動調Q多個脈沖出現的原因。表8-2 Cr:YAG被動調Q晶體的主要性質化學成分Cr:Y3Al5O12折射率1.821064nm晶體結構立方品系損傷閾值500Mw/c

11、m2飽和光強40kw/cm2上能級壽命3.412 s受激吸收截面8.7 X 10-19cm2實驗內容Nd:YAG激光器靜態運轉特性參數采用不同透過率的輸出鏡測量所對應的脈沖Nd:YAG激光器的閾值和斜率效 率，實驗確定最佳靜態透過率Ts。對于脈沖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。采用最佳透過率膜片作為輸出鏡，測量脈沖Nd:YAG激光的單脈沖輸出能量 E和泵浦能量e之間的關系，畫出相應的曲線，通過示波器觀察Nd:YAG激光器的靜 態輸出波形，記錄其形狀和脈沖寬度，改變泵浦能量，觀測輸出波形變化，得出相應的 實驗結果。Cr:YAG被動調Q Nd:YAG激光器

12、的動態運轉特性將測試過的Cr:YAG調Q品體插入激光諧振腔內，用He-Ne激光準直調節其 平行度，在其散熱、冷卻條件得到保證的狀態下，開啟激光器，反復調節，降低閾值。在某個固定的泵浦頻率下，對應于透過率Tm確定的輸出鏡，采用不同初始 透過率To的Cr:YAG調Q晶體進行被動調Q，利用激光能量計測量調Q激光輸出能量 鼠：采用光電探測器和示波器觀察調Q脈沖波形，測量Q脈沖的寬度，注意“多 脈沖”現象的“臺階”效應所對應的To與Ein。對于出現了 “臺階”效應的To，畫出 Eout與E.n的關系曲線，并給出相應的分析與解釋。更換不同的激光輸出鏡，即相當于改變透過率TM，重復(2)、(3)操作，在 實

13、驗中確定單脈沖能量大、脈寬窄、效率高的條件，達到設計相對最佳的光學參數Tout 與To的目的。實驗裝置圖8-4脈沖式燈泵浦YAG激光器被動調Q實驗裝置圖脈沖式燈泵浦YAG激光器被動調Q實驗采用如圖8-4的實驗裝置，包括：全反鏡、 泵浦燈、Nd:YAG棒、被動調Q品體、輸出鏡和能量計。實驗步驟開啟循環冷卻水箱。開啟激光電源。調整激光諧振腔直至有激光輸出，測量輸出能量與泵浦電壓之間的關系。更換輸出鏡透過率，重復步驟(3)。放入被動調Q晶體，改變輸入泵浦電壓，用激光能量計測量激光輸出能量。得到一 組數據。改變輸出鏡的透過率兩次，重復實驗步驟(5)，得到另外兩組數據。通過探測器和示波器觀察調Q脈沖的波形、頻率和脈寬。了解被動式調Q與主動式 調Q的區別。關閉激光電源。(9)關閉冷卻循環水箱。實驗結果處理根據測得的數據，分別畫出輸入泵浦電壓與輸出能量關系曲線圖，并且得出最佳輸 出鏡透過率，并與理論比較，分析偏差產生的原因。比較主被動式調Q脈沖