YAG激光器声光调Q及其参数测量

电子科学与技术101班  唐衣可俊 2010031039

一、实验原理

    声光调Q是利用光的衍射效应实现调Q的。利用光的衍射现象，使光束偏离，达到声光调Q的目的。

一束光通过由声控的相位光栅时，就会发生衍射，这就是声光效应。在激光器的光学谐振腔中，放入一个声光调制器，当有超声场作用在调制器上时，由于声光效应，激光束就会发生衍射，偏离谐振腔，从而使激光停止振荡。当超声波消失后，损耗消失，形成振荡，产生巨脉冲输出，完成超声调Q作用。

    图4－1  布拉格衍射

在激光器中采用声光调Q技术，主要是利用布拉格衍射型。因为当超声波的功率足够时，这种衍射可使入射光全部转移到＋1或­－1级上，且有较高的转换效率。布拉格衍射现象见图4-1。在采取布拉格衍射时，入射角称为布拉格角，其满足下式：

                   （4-2）

式中：为光在介质中的波长,为声波波长，声波波数，为入射光波波数。

声光调Q中的调制元件是一个由布拉格衍射型的声光调制器，图4-2是调制盒的结构示意图。调制盒共有四部分组成，第一部分是高频驱动源；第二部分是超声波换能器，在这里将电信号变为超声波；第三部分是声光介质，声场与光场在这里发生相互作用；第四部分是吸声器。

     

图4－2  声光调Q盒结构示意图

超声波的产生有多种方法，如机械振动、气流振动、液体高逆流动以及电振动等。而激光器用的超声波发生器大都采用高频电信号发生器，也很容易人工控制、产生或消失，而且具有很短的滞后时间，这是调Q所必须的。

 图4－4  声光调Q装置图

图4-4是声光调Q装置图。在连续YAG激光器的光学谐振腔内放有声光调制盒和光阑，光阑的通光孔径为2～3mm可调，其作用是限制多模，且使光束全部通过声光作用区。光学谐振腔一端为全反镜，另一端是透过率T为5%的左右的输出镜。低透过率是为了使激光器有低的阈值。激光晶体选用为5×70mm的YAG 晶体。要求激光晶体有低的阈值，高的转换效率，晶体棒的两端要修磨成几个负光圈，减少热效应引起的输出功率下降。谐振腔采用单椭圆镀金金属腔。泵浦灯采用为5×60mm的高压氪灯。

声光换能器用厚为的石英片，为声波频率。在本实验中，采用超声频率为40MHz，因而厚度C=0.075mm。整个换能器尺寸为50×5×0.075mm³。声光介质选用石英，其特征长度选为18.3，由布拉格条件，则选L=48mm。H选为5mm,布拉格角，声光介质结构及尺寸见图4-5所示。

图4－5  声光介质结构几尺寸图

超声源采用输出功率约为20W，频率为40MHz，而调制频率为1-5kHZ内变化的电子管高频信号发生器。He-Ne激光器及供电电源是用来调整YAG激光器的光路。He-Ne激光器输出功率1mW，且用小孔限制其光斑。

二、实验步骤

1.        触发激光器

（１）打开冷却水开关。

（２）打开激光电源总开关。

（３）调节电流到8Ａ。

2.        将功率计上电调零，测量调Q前输出功率。

3.        再用功率计测量调Q后输出功率20次，取平均值。

4.        将调Q 后波形传入示波器显示，并绘出。

5.        将电流固定在8A，改变超声波频率，从0.2-5KHz，每隔0.3KHz采样，极值附近隔0.1KHz采样,记录测量结果。

6.        将频率固定在3KHz，改变电流，从7-10A，间隔0.1A采样，记录测量结果。

处理实验数据，分析总结。

三、数据记录

四、实验总结

    此次实验，对声光调Q有了更深入的了解。

    我们组的实验比较顺利，产生的激光功率十分适当，但是实验中仍存在许多问题。

    YAG激光器产生的激光功率并不十分稳定，纵使不改变电流和频率参量，激光功率也在不断改变。由此引发的问题是，我们在测试功率计数据时，如果在发现极值后再返回去减少参量该变间隔来记录数据。新数据会与原数据有较大偏移。我们的做法是，先以固定的参量改变量记录功率计的数据，寻出其极值大致位置，然后再记录一次，在第一次所得极值附近缩短参量改变量，以获得较准确的极值。另外，由于准备工作并不十分充分，对于调Q的很多部分不甚了解，调节参数的仪器仅露出几个电流，频率调节按键和开关。这样虽简化了操作，但却不利于理解。假设设备出现故障，或许我们便无法解决而无法进行试验。

    我们在这次试验后，对激光器的设备情况也有了进一步的了解。比如，一般讲解激光器的资料中就没有提到他需要一个大的冷却水箱，也不知道它需要那么大一个电源控制仪，激光器的设备显得笨重。同时也知道了激光器的效率其实很低，很费能量。

 

第二篇：声光调Q倍频YAG激光器实验

实验十二  声光调Q倍频YAG激光器实验

一、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。

二、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12-1  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12-1所示。光栅公式如下式

                      （1）

式（1）中，为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，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12-2  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12-3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12-3  单轴晶体色散曲线及倍频原理示意图

图12-3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。

（3）倍频效率：

设为基频光，为倍频光，则由理论计算可以得到倍频的效率为

            （2）

式（2）中为基频光光强，为倍频光光强，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=0时效率达到最大值，失配量在的整数倍时达到最小值。

图12-4  倍频效率的sinc平方函数图

三、实验装置

实验装置如图12-5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12-5  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。

四、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。

五、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。

六、实验报告

1）描述声光调Q内腔倍频YAG激光器的工作原理。

2）有声光调Q与无声光调Q作用时的绿光输出现象和记录。

3）脉宽形状及脉宽记录，以及不同声光调制频率下的脉宽记录。

4）不同声光调制频率下绿光输出功率与频率的关系曲线。

5）改变角，测得的绿光输出功率与角度的关系曲线。

6）在有条件的情况下，完成实验内容*（7），并提交绿光输出功率与角度的关系曲线。

七、思考题

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？