1、電光Q開關(guān)技術(shù)一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、理解電光調(diào)Q的基本原理；2、了解退壓式電光調(diào)Q的原理及方法；3、學(xué)會電光Q開關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置的調(diào)試；4、掌握相關(guān)技術(shù)參數(shù)的測試方法。二實(shí)驗(yàn)原理：調(diào)Q技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，是激光發(fā)展史上的一個重要突破。一般的固體脈沖激光 器輸出的光脈沖，其脈沖持續(xù)在幾百Rs甚至幾ms，其峰值功率也只有kW級水平， 因此，壓縮脈寬，增大峰值功率一直是激光技術(shù)所需解決的重要課題。Q技術(shù)就是為 了適應(yīng)這種要求而發(fā)展起來的。1.調(diào)Q基本概念用品質(zhì)因數(shù)Q值來衡量激光器光學(xué)諧振腔的質(zhì)量優(yōu)劣，是對腔內(nèi)損耗的一個量 度。調(diào)Q技術(shù)中，品質(zhì)因數(shù)Q定義為腔內(nèi)貯存的能量與每秒鐘損耗的能量之比，可 表示為：c勺腔內(nèi)

2、貯存的激光能量Q = 2兀V （ 1）0母秒鐘損耗的激光能量式中V 0為激光的中心頻率。如用E表示腔內(nèi)貯存的激光能量，Y為光在腔內(nèi)走一個單程能量的損耗率。那么 光在這一單程中對應(yīng)的損耗能量為住。用L表示腔長;n為折射率;c為光速。則光在腔內(nèi)走一個單程所需要時(shí)間為nL/c。 由此光在腔內(nèi)每秒鐘損耗的能量為-L-這樣，q值可表示為(2)2(2)yEc / nL人 y0式中X0=c /v 0為真空中激光波長。可見Q值與損耗率總是成反比變化的，即損耗大Q 值就低；損耗小Q值就高。固體激光器由于存在弛豫振蕩現(xiàn)象，產(chǎn)生了功率在閾值附近起伏的尖峰脈沖序 列，從而阻礙了激光脈沖峰值功率的提高。如果我們設(shè)法在泵

3、浦開始時(shí)使諧振腔內(nèi)的 損耗增大，即提高振蕩閾值，振蕩不能形成，使激光工作物質(zhì)上能級的粒子數(shù)大量積 累。當(dāng)積累到最大值（飽和值時(shí)），突然使腔內(nèi)損耗變小，Q值突增。這時(shí)，腔內(nèi)會 象雪崩一樣以極快的速度建立起極強(qiáng)的振蕩，在短時(shí)間內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大量被消耗，轉(zhuǎn) 變?yōu)榍粌?nèi)的光能量，并在透反鏡端耦合輸出一個極強(qiáng)的激光脈沖。在這個過程中，弛 豫振蕩一般是不會發(fā)生的，但是，如果調(diào)Q器件設(shè)計(jì)及調(diào)整得不好也會導(dǎo)致多脈沖出 現(xiàn)。所以，輸出光脈沖脈寬窄，峰值功率高。通常把這種光脈沖稱為巨脈沖。調(diào)節(jié)腔內(nèi)的損耗實(shí)際上是調(diào)節(jié)Q值，調(diào)Q技術(shù)即由此而得名。也成為Q突變技 術(shù)或Q開關(guān)技術(shù)。諧振腔的損耗y 一般包括有：y=a +a +

4、a +a +a（3）其中a 1為反射損耗；a 2為吸收損耗；a 3為衍射損耗：a 4為散射損耗；a 5為輸出損 耗。用不同的方法去控制不同的損耗，就形成了不同的Q技術(shù)。如控制反射損耗a1 的有轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q技術(shù)，電光調(diào)Q技術(shù)；控制吸收損耗a 2的有可飽和染料調(diào)Q技術(shù)；控 制衍射損耗a 3的有聲光調(diào)Q技術(shù)；控制輸出損耗a 5的有透射式調(diào)Q技術(shù)。圖1為脈沖泵浦的調(diào)Q激光器產(chǎn)生激光巨脈沖的時(shí)間過程圖1.激光巨脈沖產(chǎn)生的時(shí)間關(guān)系在t=0時(shí)閃光燈脈沖接近終了，腔內(nèi)損耗y此時(shí)有一個突變（即打開Q開光光 閘），腔內(nèi)增益大于高于腔內(nèi)損耗，而當(dāng)延遲到t = t時(shí)，kN ANh，即會發(fā)射一個高功率脈沖。本實(shí)驗(yàn)以電光Q開

5、關(guān)激光器的原理、調(diào)整、特性測試為主要內(nèi)容。利用晶體的電 光效應(yīng)制成的Q開關(guān)，具有開關(guān)速度快；所獲得激光脈沖峰值功率高，可達(dá)幾MW 至GW；脈沖寬度窄，一般可達(dá)幾ns至幾十ns；器件的效率高，可達(dá)動態(tài)效率1% ； 器件輸出功率穩(wěn)定性較好；產(chǎn)生激光時(shí)間控制精度高；便于與其它儀器聯(lián)動；器件可 以在高重復(fù)頻率下工作等優(yōu)點(diǎn)。所以這是一種以獲廣泛應(yīng)用的Q開關(guān)。2.縱向加壓KD*P Q開關(guān)原理（1）KD*P晶體的縱向電光效應(yīng)KD*P晶體屬于四方晶系42m晶類，光軸C與主軸Z重合。未加電場時(shí)，在主軸 坐標(biāo)系中，其折射率橢球方程為：H + 三=1（4）n 2 n 2其中，n0、ne分別為其尋常和異常光的折射率。

6、加電場后，由于晶體對稱性的影響， 42m晶類只有7赤Y41兩個獨(dú)立的線性電光系數(shù)。y63是電場方向平行于光軸的電光系 數(shù)，人41是電場方向垂直于光軸的電光系數(shù)。KD*P晶體加外電場后的折射率橢球方程 是： TOC o 1-5 h z x 2 + V 2z 2，一 一、 _ 一（5）（6）12 y (E yz + E xz) + 2（5）（6）n 2 n 241 Xy63 Z0eX 2 + y 2 z 2L X 2 + y 2 z 2L + Ly 63EzX = 10e經(jīng)坐標(biāo)變換，可求出此時(shí)在三個感應(yīng)主軸上的主折射率:x，= n 2 n 3 y E=n + 2 n 3 y E（7（7）y上式表明

7、，在Ez作用下KD*P變?yōu)殡p軸晶體，折射率橢球的xy截面有圓變?yōu)闄E圓， 橢圓的長短軸方向x 、y相對于原光軸x、y轉(zhuǎn)了 45。，轉(zhuǎn)角大小與外加電場大小無關(guān)， 長、短半軸的長度即ny,和nx，。由上式可看出它們的大小與Ez成線性關(guān)系，電場反向 時(shí)長短軸互換，見圖2。圖2. KD*Py 63縱向效應(yīng)當(dāng)光沿KD*P光軸z方向傳播時(shí)，在感應(yīng)主游x、y兩方向偏振的光波分量，由 于此時(shí)晶體在這兩者方向上的折射率不同，經(jīng)過長度為Z的晶體后產(chǎn)生位相差：- 2冗2冗5 =三(n -n )1 =令丫/(8)式中V = E 1為加在晶體z向兩端的直流電壓。使光波兩個分量產(chǎn)生位相差,2所需要加的電壓，稱為“”電壓”，

8、以匕表示，夜2即V =-(9)%4n3 丫63KD*P晶體的光電系數(shù)Y =23.6 x 10-12 m / V對于人=1.0um、KD*P晶體的V =4000V 63* 2左右。(2)帶啟偏器的KD*P電光Q開關(guān)原理 帶起偏振器的KD*P電光Q開關(guān)，是一種 發(fā)展較早、應(yīng)用較廣泛的電光晶體調(diào)Q裝置，其特點(diǎn)是利用一個偏振器兼作起偏和檢 偏，偏振器可采用方解石格蘭一傅克棱鏡，也可用介質(zhì)膜偏振片。其裝置如圖3所示。 KD*P晶體具有縱向電光系數(shù)大，抗破壞閾值高的特點(diǎn)，但容易潮解，故需要放在密 封盒內(nèi)使用。通常采用縱向運(yùn)用方式，即z向加壓，z向通光。圖3,帶起偏器的調(diào)Q激光器裝置原理圖 帶起偏器的KD*

9、P電光Q開關(guān)工作過程如下：YAG棒在氙燈的激勵下產(chǎn)生無規(guī)則偏振光，通過偏振器后成為線偏振光，通過偏振器 后成為線偏振光，若起偏方向與KD*P晶體的晶軸x(或y)方向一致，并在KD*P上 施加一個V的外加電場。由于電光效應(yīng)產(chǎn)生的電感應(yīng)主軸x和乂與入射偏振方向成 450角。這時(shí)調(diào)制晶體起到了一個.%波片的作用，顯然，線偏振光通過晶體后產(chǎn)生了 ?2的位相差，可見往返一次產(chǎn)生的總位相差為兀，線偏振光經(jīng)這一次往返后偏振面 旋轉(zhuǎn)了 900，情況下，由介質(zhì)偏振器和KD*P調(diào)制晶體組成的電光開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)， 諧振腔的Q值很低，不能形成激光振蕩。雖然這時(shí)整個器件處在低Q值狀態(tài)，但由于氙燈一直在對YAG棒進(jìn)行抽

10、運(yùn)，工 作物質(zhì)中亞穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)便得到足夠的積累，當(dāng)粒子反轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到最大時(shí)，突然去掉調(diào)制 晶體上的1/4波長電壓，即電光開關(guān)迅速被打開，沿諧振腔軸線方向傳播的激光可自 由通過調(diào)制晶體，而其偏振狀態(tài)不發(fā)生任何變化，這時(shí)諧振腔處于Q值狀態(tài)，形成雪 崩式激光發(fā)射。三.實(shí)驗(yàn)裝置：LD小札光侗口開X| 偏扳片nJ1-TNd： YAtl輸出諼光LD小札光侗口開X| 偏扳片nJ1-TNd： YAtl輸出諼光輸出ft短就沖光電探1漫母堀|探頭4J,遷址光電挾火|:圖4.電光調(diào)Q實(shí)驗(yàn)裝置圖實(shí)驗(yàn)儀器：示波器；熱釋電能量探頭；連續(xù)光電探頭；短脈沖光電探頭。五,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟：(1)退壓式用LD激光束調(diào)整激光器各光學(xué)元件的

11、高低水平位置，使各光學(xué)元件的對稱中心 基本位于同一直線上。再調(diào)整各光學(xué)元件的俯仰方位，使介質(zhì)膜反射鏡、偏振器、 電光晶體的通過面與激光工作物質(zhì)端面相互平行。啟動電源，在不加事4晶體電壓情況下，反復(fù)調(diào)整兩塊諧振腔片，使靜態(tài)激光輸出 最強(qiáng)。一般稱不加調(diào)Q元件的激光輸出為靜態(tài)激光；而加調(diào)Q元件的激光輸出為動態(tài)激光或巨脈沖激光。關(guān)門實(shí)驗(yàn)，給電光晶體加上核定的七旨電壓，轉(zhuǎn)動KD*P晶體，充電并打激光，反 復(fù)微調(diào)電光晶體，直到其x、y軸與偏振器的起偏方向平行。同時(shí)適當(dāng)微調(diào)V電入4壓，直到激光器完全不能振蕩為止。此即說明電光Q開關(guān)已處于光閉狀態(tài)（低Q 值狀態(tài)）。接通電光晶體的退壓電路，打動態(tài)激光，微調(diào)氙燈開

12、始泵浦至退去V電壓之間的入4延遲時(shí)間電位器，一面觀察激光強(qiáng)弱，一面微調(diào)延遲電位器旋鈕，直到激光輸出 最強(qiáng)。改變脈沖泵浦能量，用能量計(jì)分別測量幾組靜、動態(tài)輸出能量。并利用公 式分別計(jì)算出在一泵浦能量下的動態(tài)與靜態(tài)激光輸出能量之比門,門稱為動靜比。_動態(tài)激光能量 靜態(tài)激光能量觀測或照相記錄激光波形。用強(qiáng)流管或光電二極管接收激光，并100MHz以上的寬 帶示波器（因動態(tài)激光脈沖寬度一般為幾到幾十ns）觀察激光波形。根據(jù)下式計(jì)算 激光脈沖的峰值功率P0單脈沖能量E脈沖半功率點(diǎn)間寬度坦（2）加壓式諧振腔的調(diào)試同退壓式。加上入/4波片，反復(fù)調(diào)整兩塊諧振腔片，使靜態(tài)激光 輸出最強(qiáng)。關(guān)門實(shí)驗(yàn)：轉(zhuǎn)動入/4波片，直到激光器完全不能振蕩為止。此即