实验四 连续半导体泵浦固体激光器静态输出特性和声光调Q实验

实验四连续半导体泵浦固体激光器静态输出特性

和声光调Q实验

实验目的

1.了解固体激光器的输出特性和阈值特性，掌握激光器输出特性斜率效率的计

算；

2.掌握激光器设计中最佳透过率的概念，巩固最佳透过率选取原则；

3.掌握声光调Q的基本原理和布拉格衍射的特征及布拉格衍射角的概念，了解

激光器在连续和调Q脉冲工作状态下的激光功率输出特性，

4.了解不同调Q频率下，激光功率变化的原因，巩固最佳调Q频率选取的原则。

实验原理

1. 固体Nd:YAG激光器工作原理

固体激光器通常由三个基本部分组成，即固体激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔。

激光工作物质是激光器的心脏，产生激光的是激活离子，激光器的输出特性在很大程度上由激活离子的能级结构决定。目前，常用的固体激光工作物质有红宝石晶体、钕玻璃和掺钕钇铝石榴石（即Nd3+:YAG）晶体。由于Nd3+:YAG晶体具有荧光谱线窄、量子效率高等特点，它的增益高、阈值低、激光输出效率高，故在中小功率的脉冲器件中，以及在高重复率的脉冲激光器中得到广泛应用。本实验中即采用Nd3+:YAG作为激光工作物质，该工作物质的激活离子为Nd3+，属四能级系统，发射激光波长为1.06μm，工作于连续方式。Nd3+:YAG产生受激辐射的能级如图4-1所示。激活粒子（Nd3+:离子）在这些能级之间的跃迁特性为：在光泵浦作用下，处于基态能级E1上的粒子被激发到高能级E4上，由于E4能级寿命很短，处在该能级上的粒子很快以无辐射跃迁方式迅速转移到较低的激发态能级E3上，E3为亚稳态，在E3能级上的粒子有较长的寿命（10-3~10-4s），因而易于实现粒子数积累。当粒子数由E3向E2跃迁时，产生激光辐射，粒子到达能级E2后，再以无辐射跃迁迅速地返回到基态E1。基于这种状态以及由于热平衡情况，使得粒子不易在E2能级上积聚，因此，在外界激励下，E3和E2之间较易形成粒子数反转，从而实现受激辐射。

图4-1 四能级系统结构示意图

在集居数反转状态的物质称为激活介质。当光通过此介质时，得到放大。这种放大作用的大小通常用增益系数G 来描述，它表示光通过单位长度激活介质后光强增长的百分数。G 是光强的函数，同时也是反转集居数Δn 的函数。当光在激活介质中传播时，随着光强增强，单位体积内的反转集居数Δn 减少，G 也随之减小，这称为增益饱和效应，当光强很小时，增益系数用G 0来表示，称为小信号增益系数，它与光强无关。激光器能够产生自激振荡的条件可由下式表达：

m I 0

s I =(G -α)α≥0 也即G 0≥α （4.1） 式中I m 为腔内光强，仅与放大器本身参数有关：I s 为饱和光强（为描述增益饱和效应引入的参量）；α为包括激光介质损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数。这里激光介质的损耗有吸收、散射损耗；谐振腔的损耗有反射镜的透射、吸收、衍射损耗及谐振腔失调引起的偏折损耗等。当光腔内折射率均一时，（4.1）还可表示为：l G 0≥αL 式中l 为工作物质长度，L 为谐振腔长度，若光泵激励足够强，使得l G 0=αL 时，激光器开始振荡，为此时应的输入光泵的能量称为激光器的阈值输入能量E t ，相应反转集居数为阈值反转集居数Δn t 。当l G 0>αL ，腔内光强增加，且正比于(l G 0≥αL)，此时激光输出能量将随之增加，由此可见，激光器的增益特性和损耗特性将直接影响该系统的输入输出特性。对一台激光器系统，存在一个最佳透过率T m ，当T=T m 时，对于相同的输入能量输出能量最大。 通常的激光器谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵浦使反转粒子数达到或略超过阈

值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很大的反转粒子数，只能被限制在阈值反转数附近，这是普通激光器峰值功率不能提高的原因。

2. 声光调Q 的原理

既然激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，那么，要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变激光器的阈值来实现，具体的说，就是当激光器开始泵浦初期，设法将激光器的振荡阈值调得很高，激光器谐振腔的损耗大于增益，Q 值很低，抑制激光振荡的产生，这样激光上能级的反转粒子数便可积累得很多。当反转粒子数积累到最大时，再突然把阈值调到很低，Q 值很高，此时，积累在上能级的大量粒子便雪崩式的跃迁到低能级，于是在极短的时间内将能量释放出来，就获得峰值功率极高的巨脉冲激光输出。

调Q 技术正是利用了上述原理，通过某种方式使激光谐振腔的Q 值产生突变，使受激辐射在很短的时间建立并达到最大值，获得峰值功率高于兆瓦，脉宽为几十纳秒的激光巨脉冲。常用调Q 方法有转镜调Q 、电光调Q 、声光调Q 和被动调Q 。

对于连续泵浦的固体激光器通常采用声光调Q 的形式。

声光调Q 激光器是利用声光相互作用原理，采用声光调制器件进行调Q 的激光器。

声波是一种弹性波（纵向应力波），当它在介质中传播时，使介质产生相应的弹性形变，引起介质的密度成疏密相间的交替变化，因此介质的折射率也随着发生周期性的变化，等于在介质中形成一个光学的“相位光栅”，该光栅的光栅常数等于声波的波长。当光波通过此介质的时候，会产生光的衍射，衍射光的强度、频率、方向都会随着超声场的变化而变化。

声光Q 开关器件的结构由声光介质、电声换能器、吸声材料和驱动电源组成。其原理示意图如图4-2所示由声光晶体和调Q 驱动电源组成装置。声光介质主要采用熔融石英、玻璃、钼酸铅等。换能器常采用石英、铌酸锂等晶体制成。吸声材料常用铅橡胶或玻璃棉等。按着声波频率的高低以及声光作用区长度的不同，声光相互作用可以分为Raman-Nath 衍射和Bragg 衍射两种类型。当光波入射方向与声波阵面夹角为布拉格角sin 2B S S

f n λθυ=时，产生Brag

g 衍射。这时衍射光

为0级和1级（或－1级）衍射光。当调制功率达到一定水平以后，入射光的能量可以被完全转移到1级（或－1级）衍射光中去。

把声光Q开关器件插入谐振腔内，当声光电源产生的高频振荡信号加在声光调Q器件的换能器上时，使声光介质折射率发生变化，形成等效的“相位光栅”，

角的偏当光束通过声光介质时，便产生布拉格衍射。衍射光相对于0级光有2

B

离(如当超声频率在20～50MHz范围时，石英对1．06μm的光波的衍射角为0.3～0.5o)，这一角度完全可以使光波偏离出腔外，使谐振腔处于高损耗低Q值状态，不能产生振荡，或者说Q开关将激光“关断”。当高频信号的作用突然停止，则声光介质中的超声场消失，于是谐振腔又突变为高Q值状态，相当于Q开关“打开”。Q值交替变化一次，就使激光器输出一个调Q脉冲。

图4-2 声光开关处于关断状态时工作原理示意图

为了使工作物质所存储的能量在很短的时间内以单一脉冲发射，Q开关必须在短于激光脉冲建立的时间内完成由低Q值到高Q的转变(阶跃式变化)。对于声光Q开关，断开的时间主要由声波通过光束的渡越时间决定(电子开关时间不是主要的)，以熔融石英为例，声波通过1mm的长度需要时间约为200ns(声速为5mm/s)，这一时间对于某些高增益的脉冲激光器来说显得太长。因此，声光Q 开关一般用于增益较低的连续激光器，而且声光Q开关所需要的驱动调制电压很低(小于200V)。故容易实现对连续激光器调Q以获得高重复频率的脉冲输出，一股重复率可达1～20KHz。但由于声光Q开关对高能量激光器的开关能力比较差，故不宜用于高增益调Q激光器。

声光Q开关用于连续激光器时，需要用脉冲调制器产生频率为f的矩形脉冲来调制高频振荡器的信号，因此声光介质中超声场出现的频率为脉冲调制信号的频率，于是激光器输出重复率为f的调Q脉冲序列。为了能使工作物质激光上能级积累足够多的粒子，并且避免过多的自发辐射损耗，以便激光器在保证一定的

峰值功率下得到最大的反转粒子数利用率，相邻两个脉冲的时间间隔1/f大致要与激光工作物质的上能级寿命相等，对于Nd:YAG激光器，其上能级寿命约为230μs，因此，选取调Q重复率f在4～5kHz为宜。在这种情况下，反转粒子数的利用率最高。重复频率过高或过低都会影响调Q效果。

实验内容

1.不加入声光调Q器件测量连续Nd:YAG激光器不同透过率下静态输出特性和阈值电流，得到最佳透过率参数。

2.了解声光调Q的基本原理，观察红光的纳曼-奈斯衍射现象。加入声光调Q器件测量连续Nd:YAG激光器调Q和连续工作状态下输出特性，计算斜率效率和动静比。

3. 不同泵浦电流和调Q频率下声光调Q输出特性实验。测量声光不同调Q频率下的激光输出功率的特性并绘出曲线。

实验装置

图4-3 不包含调Q器件Nd:YAG激光输出特性实验装置图

图4-4 包含调Q器件Nd:YAG激光输出特性实验装置图

连续半导体泵浦固体激光器静态输出特性和声光调Q实验采用图4-3和图4-4所示的实验装置，进行连续半导体泵浦固体激光器静态输出特性和声光调Q 实验。包括：半导体泵浦模块、全反镜、输出镜、声光调Q开关、功率计。

实验步骤

连续半导体泵浦固体激光器静态输出特性和声光调Q实验步骤如下：1．开启循环冷却水箱。

2．开启激光电源。

3．采用图4-3实验装置图，按照实验一的步骤1-5调整激光谐振腔，可以观察到激光输出。

4．改变激光泵浦输入电流，分别测量输出功率，得到一组输出功率随输入电流变化曲线。

5．更换输出镜透过率，重复实验步骤3和4，得到另一组输出功率随输入电流变化曲线。与前一组比较，得到输出镜最佳透过率。

6．降低激光输入电流，直至无激光输出，加入声光调Q开关，采用图4-4实验装置图，按照实验一的步骤1-5调整激光谐振腔，可以观察到激光输出。7．开启半导体准直激光，打开声光调Q电源，观察纳曼—奈斯衍射现象。8．关闭声光调Q电源，改变激光泵浦输入电流，分别测量输出功率，得到一组输出功率随输入电流变化的静态曲线。此时输入电流最大不超过15A。9．打开声光调Q电源，固定声光调Q频率，改变激光泵浦输入电流，得到一组输出功率随输入电流变化的动态曲线。

10.改变声光调Q频率，重复实验步骤9，得到几组输出功率随输入电流变化的

动态曲线。

11. 关闭激光电源。

12. 关闭声光调Q电源。

13. 关闭循环冷却水箱。

实验结果处理：通过实验可以观察到明显的纳曼—奈斯衍射现象，绘制出静态工作和调Q工作状态下，激光输出功率与输入电流关系曲线图，计算斜率效率和动静比。比较不同调Q频率下激光输出特性曲线，给出实验结论和分析，理解

最佳的调Q频率的含义。

实验教学建议：学生可以分成4人一组，两个人负责调整谐振腔和测量激光功率，两个人负责激光器电源、调Q电源和冷却水箱的操作，激光泵浦输入电流和调Q频率的调整，并且进行数据记录工作。

实验学时建议：4学时。

安全注意事项：

本设备激光器属于Ⅳ类激光产品，输出的是可见和不可见的激光，眼睛切勿对着激光输出端直视，眼睛和皮肤要避免暴露于激光直射或者漫反射的区域。一定要做好人身安全和眼睛安全防护。