YAG激光器自由运转调Q和倍频实验

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1、高年级物理实验2009年版本Nd:YAG激光器自由运转及调Q实验【实验目的】1.了解固体激光器的结构及工作原理（自由运转和染料调Q），掌握其调整方法；2.了解固体激光器的主要参数的测试技术；3.观察调Q脉冲经过KTP晶体实现倍频现象，了解倍频中相位匹配特性。【实验原理】一、自由振荡1.固体激光器组成固体激光器主要由工作物质，泵浦光源和光学谐振腔三大部分组成。常用的工作物质有红宝石，掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG），钛宝石等晶体和钕玻璃等。谐振腔常用两个平面或球面反射镜。泵浦光源常用氙灯、氪灯、高压汞灯，碘钨灯。在本实验中，激光器的主要元件为：①工作物质：掺钕钇铝

2、石榴石（Nd：YAG）；②光学谐振腔：双氙灯，双椭圆聚光腔，重复脉冲电源；③谐振腔镜：双色镜，部分反射镜。2.自由振荡固体激光器的输出特性自由振荡激光器输出激光脉冲的特点是具有尖峰结构，即由许多振幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成。每个尖峰的宽度约为0.1～1μs，间隔为数微秒，脉冲序列的时间长度大致等于闪光灯泵浦持续的时间。这种现象称为激光器的弛豫振荡。产生弛豫振荡的主要原因是：当激光器的工作物质被泵浦，上能级的粒子反转数超过阈值条件时，即产生激光振荡，使腔内光子密度增加而发射激光。随着激光的发射，上能级粒子数被大量消耗，导致粒子反转数降低，当低于阈值水

3、平时，激光振荡就停止，这时，由于光泵的继续抽运，上能级粒子反转数重新积累，当超过阈值时，又产生第二个脉冲，如此不断重复上述过程，直到泵浦结束。可见每个脉冲都是在阈值附近产生的，因此脉冲的峰值功率水平较低，从这个作用过程可以看出，增加泵浦功率也是无助于峰值功率的提高，而只会使小尖峰的个高年级物理实验2009年版本数增加。二、调Q的概念在激光技术中，用品质因数Q来描述与谐振腔损耗有关的特性。Q值定义为腔内存储的激光能量Qv=2π0每秒损耗的能量用W表示腔内存储的能量，δ表示腔的单程损耗，且设谐振腔长度为L，工作介质折射率n，光速c，则Q值可表示为Wn2πLQv==

4、2π0δWcnL/δλ0式中λ0为真空激光波长。由上式可见，Q值与谐振腔损耗成反比：损耗大，则Q值高，不易起振。三．被动染料调Q被动调Q是利用染料的可饱和吸收特性来完成调Q运转的。1.可饱和吸收特性能量为hv的光子入射到有机染料内，将引起燃料分子的受激吸收跃迁，染料呈吸收状态，随着入射光强的增强，从基态E跃迁到高能态E（见图1a）。12随着高能态染料分子增多，此时燃料的吸收率将逐渐降低。直至跃迁处于动态平衡，吸收等于零，吸收达到饱和，染料变为透明（见图1b）。染料的这种特性叫饱和吸收特性，吸收饱和时对应的光强为I为饱和光强。s图1(a)高年级物理实验2009年

5、版本图1(b)2.染料调Q原理将具有饱和吸收特性的染料（溶液或固态片）置于谐振腔内。最初，腔内自发荧光很弱，但染料吸收系数很大，光的透过率很低，腔处于低Q值状态，不能形成激光振荡。随着光泵的继续作用，粒子反转数积累，腔内荧光逐渐增强，染料吸收系数逐渐减小，透过率逐渐增大。当光强增为饱和光强I时，染料吸收达s到饱和而变得透明，此时腔的Q值猛增，产生激光振荡，输出调Q激光。因为光泵是脉冲式的，故腔内光场迅速减弱（I→0），染料又恢复了吸收特性，接着重复上面的过程。四．脉冲倍频实验1.KTP晶体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

6、历的折射率n与n是不同的。图2给出了一个单轴晶体的色散及1064nmω2ω倍频匹配点的折射率关系曲线。图2中的实线代表了寻常光的折射率，点划线代表了非寻常光的折射率，中间的点线则代表了非寻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。高年级物理实验2009年版本1.641.62no1.60n(θ)1.58en1.56e1.541.52Refragtive

7、Index1.501.481.461.440.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0λ(μm)图2单轴晶体色散曲线及倍频原理示意图2.倍频效率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oo相位匹配角为θ=90，φ=23.2。稍微转动晶体的方位角φ，倍频光功率随晶体角度变化。倍频效率：设ω为基频光，2ω为倍频光，则由理论计算可以得到倍频的效率为2⎡⎛⎞Δ⎤kLI8π22Ld2⎢sin⎜⎟2⎥2ωeff⎝⎠η==I⎢⎥SHGIn222ncω⎢ΔkL⎥λεωω20ωω⎢⎣2⎥⎦上式中I为基频光光强，I为倍频光光强，L

8、为晶体长度，d为晶体倍频有ω2ωeff