实验报告——调Q YAG激光器实验

实验报告——调Q YAG 激光器实验

实验时间：2017.03.07

一、实验目的

1、掌握3:Nd YAG +激光器的工作原理

2、学习并掌握3:Nd YAG +激光器调整技术

3、学习声光调Q 3:Nd YAG +激光器的工作原理

4、掌握声光调Q 实验技术，学习nm 量级激光脉冲测量方法

5、学习腔外倍频实验技术

二、实验原理

1.掺钕钇铝石榴石

掺钕钇铝石榴石(3:Nd YAG +)是一种典型的四能级激光工作物质，由于它的热传导性好;激光阈值低和转换效率高，所以用它可作成连续激光器和高重复频率的脉冲激光器。YAG 激光器可输出几种波长，其中最强的为1.06μm 。如果采用调Q 、倍频技术，则可获得波长为532nm 的脉冲激光。这种以3:Nd YAG +激光器为基础的脉冲激光系统以其高峰值功率、高重复频率和宽波长调谐特性等优点而得到了广泛的应用。

2. YAG 激光器的结构

图1为典型的3:Nd YAG +激光器示意图。其中包括YAG 棒；泵浦灯（连续运转的氪灯两个）；Q 开关和光学谐振腔。

YAG 晶体棒

3:Nd YAG +激光器的工作物质是一种人工晶体，它的基质是钇(Y)铝(Al)石榴石(G)，其分子式为3512Y Al O 。晶体在高温的过程中掺入氧化钕，用提拉法制成。钕就以三价正离子的形式存在于YAG 的晶格中，掺钕量约为1%。通常3:Nd YAG +晶体被加工成

φ6mm ×100mm 左右的圆棒状，两端磨成光学平面，平面的法线与棒轴有一个小夹角，面上镀有增透膜，能承受高的功率密度，棒的侧面全部“打毛”，以防止寄生振荡。 激励泵浦源

YAG 激光器可用多种光源作为激励泵浦源，连续YAG 激光器常用氪灯和碘钨灯为泵浦源，脉冲YAG 激光器常用脉冲氙灯为泵浦源。因为这些灯的辐射光谱与YAG 棒晶体的吸收光谱匹配较好。如图1所示，泵浦用的氪灯做成和YAG 棒长度相近的直管形，以便达到最佳的耦合。两氪灯串联后，外接直流电源。

聚光腔

为了有效地利用灯的光能，把YAG 棒和灯放在一个内壁镀金的空心双椭圆柱面聚光腔中。棒占据双椭圆柱面腔的中心焦线，两灯各占双椭圆柱面腔的一根焦线上。图2表示了这

一结构的横截面，不难想象，氪灯发出的光通过双椭圆柱面镜的反射，理论上百分之百到达YAG 棒上。在此类激光器中，加到氪灯上的电能只有少量转变成激光能量，其余都变成热能，所以灯和棒都需要散热和冷却。为此，用石英玻璃管分别套上灯和棒，并在腔内通入流动的水，以带走其释放出来的热能。对YAG 棒加以密封能够滤去紫外光，防止YAG 棒由于紫外光的照射而使其性能逐渐退化。

谐振腔

光学谐振腔是激光器的重要组成部分。它有两个方面的作用：提供光学反馈作用。这是腔内建立和维持激光振荡不可少的。它取决于组成腔的两个反射镜的反射率；反射镜的几何形状及其尺寸。上述因素的改变都会引起光反馈的变化，即引起腔内损耗的变化；对实际振荡光束的限制作用。即控制激光器的特性；光束横向分布，光斑大小，光束发散角及谐振频率。

本实验采用平行平面腔，平镜M1为全反镜，平面镜M2为输出镜。两个腔镜分别装在两个精密的光学调整架上，仔细调节可以使腔镜准直并与YAG 棒同轴。当平面腔反射镜不严格平行时，光波损耗增大，光束发散角变大，模式变得更为复杂。腔内工作物质不均匀或谐振腔不稳也将产生类似的影响。而平面镜平面度差，则使激光谱线度变宽。一般平面反射镜的平面度在几分之一波长数量级。

YAG 激光器工作过程如下：连续氪灯在触发时，辐射强烈的光谱，经聚光腔聚在YAG 棒上，被棒吸收，使棒中3Nd +离子激发，形成粒子数反转，产生受激辐射，并在谐振腔内振荡，多次经过激活介质，使光被放大，产生波长为1064nm 的连续激光。如在腔内合适放置Q 开关，则产生调Q 巨脉冲；在腔内或腔外使用KDP 倍频晶体，可以产生532nm 的倍频激光。

3.3Nd +的能谱

3Nd +的有关能级图如图3所示，

用具有连续光谱的氪灯照射3:Nd YAG +晶体，3Nd +离子就从基态E1跃迁至激发态E4的一系列能级。其中最低的两个能级为4F5/2和4F7/2。相应于中心波长为0.81μm 和0.75μm 的两个光谱吸收带。由于E4的寿命仅约为1ns ，

所以受激的3Nd +离子绝大部分都经过

无辐射跃迁转移到了E3态。E3是一个

亚稳态，寿命长达250-500μs ，很容易

获得粒子数积累。E2态的寿命为50ns ，

即使有粒子处于E2，也会很快地弛豫到

E1。因此，相对于E3而言，E2态上几

乎没有粒子，这样就在E3和E2之间造

成了粒子数反转。正是E3→ E2的感应

辐射在激光谐振腔中得到增益而形成了

激光。其波长为1064nm 。只要泵浦光存

在，3Nd +离子的能态就总是处在E1→

E4→E3 → E2→ E1的循环之中。这是

一个典型的四能级系统。

4.Q 开关原理

泵浦光源是连续工作的氪灯时，可以不

间断地对Nd3+离子的E3和E2能级提供粒

子数反转，从而得到连续的激光输出。

为了得到脉宽窄而峰值功率高的激光脉冲，可以采用“调Q ”方法。在泵浦开始时使谐振腔的损耗增大。即提高振荡阈值，使振荡不能形成，上能级的反转粒子数密度大量积

累，当积累到最大值时，突然使谐振腔的损耗变小，值突然增大。激光振荡迅速建立，腔内就象雪崩一样以极快的速度建立起极强的振荡,在短时间内反转粒子数大量被消耗，转变为腔内的光能量,同时在输出镜端耦合输出一个极强的激光巨脉冲。

声光调Q 技术是以声光相互作用所形成的衍射损耗的突变得以实现的。它是一项重要的激光技术，与自由运转的激光输出相比它可以大大压缩光脉冲宽度，从而使输出峰值功率提高二至四个量级。尤其是连续YAG 激光器的声光调Q 技术应用十分广泛，是获得稳定的高重复率、高峰值功率、短脉冲的重要手段。

如图4所示，当射频电源产生的高频等幅振荡信号加在声光Q 开关的换能器上时，换能器产生超声振动，在声光介质内产生机械应力波，引起介质密度呈疏密交替变化，也就是使折射率发生周期变化，形成“相位光栅”。当光束通过声光介质时产生衍射，造成损耗使激光谐振腔的Q 值下降。若损耗大于激光工作物质的增益，不能产生振荡，或者说声光Q 开关将激光关断。当高频等幅振荡在方波调制的作用下，突然有短暂的（数微秒）停歇时，声光器件内部的衍射也突然消失，使谐振腔Q 值突然增大，从而产生调Q 巨脉冲。当反转粒子数被消耗减少到激光振荡的阈值粒子数之下时，振荡停止，紧接着高频等幅振荡再次形成，进入下一个循环。

图5表示连续泵浦声光调Q 激光器的光脉冲形成与谐振腔Q 值、反转粒子数之间的关系。

声光互作用产生的衍射可分为喇曼-奈斯衍射与布拉格衍射两种。它们是根据超声波波长s λ，光波波长λ以及声光相互作用长度L 的不同而区分的。当2s L λλ<<时，即当作用距离短、超声频率低、并且入射光与超声传播方向垂直时，产生喇曼-奈斯衍射，衍射光对称地分布在零级光的两侧，通常有若干级。若超声频率提高，声光相互作用距离增加，即2s L λλ>>，且光束以Bragg 角入射时，产生布拉格衍射，这时只产生零级和位于零级光一侧的一级衍射。实际的声光调Q 器件都使用布拉格衍射，因为它具有较高的衍射效率。

θ和2θ是声光介质内的角度。1级衍射光与0级衍射光在介质外的夹角为2θ'，可近似地表示为：

布拉格衍射效率为：

其中

m

为相位光栅振幅：

5.光倍频原理

激光倍频技术是将频率为ω的光，通过晶体中非线性作用产生频率为2ω光的技术，有时也叫作二次谐波产生技术。光在介质中的传播时，光波电场引起介质极化，极化强度与光场的关系可表示为：

式中的分别为线性极化率、二次非线性极化率、三次非线性极化率…。在一般情况下，高一阶非线性极化率的大小比相邻的低一阶极化率低7、8个数量级。由（1-5）式可见，当入射光的频率为ω时，在介质内将引起 2ω 3ω…等高次谐波极化强度，从而相应地产生2ω 3ω…等高次谐波的辐射光。根据量子力学理论分析得知，（1-5）式中的非线性项与线性项的比值可表示为：

式中E

原子

的为原子内部的平均场强，约为1011V/m。对于普通光源发出的光来说，其光

电场E比E

原子

低几个数量级，因此利用普通光，很难观察到非线性光学现象；而激光器的诞生则给非线性光学带来了生机。由于激光具有极高的亮度，很容易达到1010V/m数量级。所以，伴随激光器的问世，陆续实现了诸如倍频、三次谐波、四波混频等非线性光学现象，并逐渐形成了非线性光学这门新学科。

倍频转换效率表示为：

由上式可以看出，倍频效率与如下诸因素有关：

优值系数

2

2

12

eff

d

n n

，

基频光光强

1(0)

I

位相匹配因子()()sin /2//2kL kL ??

故欲提高转换效率除了选用非线性系数大的晶体，提高基频光强外，位相匹配是很重要的。位相匹配因子是sinc 函数，2(sinc )x 与k ?的关系如图6所示。 若设12

x kL =?，由图中可见如果L 为不等于零的某确定值，只有当0k ?=时，η才最大，当0k ?≠时，随1

2kL ?逐渐增加，η将按2[sinc(/2)]kL ?规律减小。0k ?=时，位相匹

配因子有极大值，η最大；0k ?≠位相匹配因子皆比1小，甚至为零。通常把0k ?=满足的条件为位相匹配条件；而0k ?≠，则称为位相失配。

根据式

其中

所以

由（1-7）式知，只有时，才能实现位相匹配。

由于，则有，其中是基频光波在非线性介质中的速度，同时也是倍频极化波在非线性介质中的速度，而是倍频光波在非线性介质中的速度。要求

即意味着要求倍频极化波同倍频光波同步前进，这样基频光波沿途激起的非线性振子发射的倍频光波彼此之间都有相同位相，因此满足干涉增强的条件，从而输出倍频光最强。

根据光的色散理论，介质在正常色散范围内，光波频率越高，其折射率越大。因此在各向同性介质中无法用简单方法实现位相匹配。在各向异性介质中，介质除具有色散的性质外，同时还具有双折射的特性，即对于同一频率的寻常光和非常光除沿光轴方向传播有相同的折射率外，在其它任何方向上传播折射率都不相同，且折射率之差随传播方向和晶体温度而改变，这样就有可能利用双折射来抵消由于色散引起的不同频率光波的折射率的变化。在工程上常用如下两种方法实现上述目的。

角度位相匹配是使光波在晶体中某一特定方向上传播，该方向上应满足，为了寻找该特定的方向，使用折射椭球是很方便的。

除了角度相位匹配方法外，在改变晶体温度时，由于其和都发生变化，可能在某一温度下，实现。此时，入射基频光沿着垂直光轴的方向传播，也可实现相位匹配。

三、实验内容

1、调整光路，使连续YAG激光器工作；

2、在倍频情况下，分别观察调Q与不调Q状态下，倍频光的强度；

3、观察YAG激光器激光定标的基本操作流程.

四、调研激光器的最新应用

1.激光聚变系统

激光问世后不久，世界各国科学家即考虑利用高功率激光压缩和点燃少量氘氚燃料的可能性。经过多年研究，人们已经认识到激光聚变可获得巨大的能源及其具有的重大军事应用价值[1]。利用激光点燃核聚变的系统,就称之为激光聚变系统,最具代表性的就是美国的国家点火装置。

在激光聚变研究中，钕玻璃激光器是迄今技术最成熟、发展水平最高、使用最广、贡献最大的激光器，是现代点火驱动器的最佳候选者。

美国国家点火装置（NIF）（即激光聚变装置），由位于美国加利福尼亚州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室研制。该计划自1994年开工以来延期了很多次，它最终的目标是2010年实现聚变反应，并达到平衡点，即激光在聚变反应中产生的能量大于它们所消耗的能量。该计划建造和运行花费超过35亿美元，容纳NIF装置的建筑物长215米，宽120米，相当于三个足球场。

“国家点火装置”为钕玻璃激光器，共有192 路光束，输出能量达1.8MJ，功率为500TW(3w)的紫外激光光束，可能接近或获得“点火”及适度增益。除了用于聚变点火试验外，“国家点火装置”也可以用于研究温度接近108K、压强达到1010MPa 条件下(相当于恒星内部的自然环境和核武器爆炸的情况)的物理过程。

2001 年9 月放置激光系统的大楼建造完成，

2003 年9月，全部192 路超净和精密列式光路闭合安装完成。

2002 年“国家点火装置”192 路激光中的四束起动运行。

2003 年7月，“国家点火装置”创造了单束激光能量记录。

氘氚气体均被压缩.当气体被压缩到一定程度后,推进层进入减速阶段,主燃料层被进一步压缩到每立方厘米几百克的密度,同时将动能转变为内能,芯部燃料的密度和温度也不断增加,在中心形成热斑,达到点火条件,点燃聚变反应.氘氚聚变反应发生,产生中子与毩粒子,毩粒子输运使热核燃烧从中心向主燃料层中传播,获得能量增益.

间接驱动：

如图2所示,激光首先要转换为软X 射线,再利用软X射线去辐照靶球、驱动内爆.

首先,激光通过激光入射孔进入由高原子序数(简称高Z)材料构成的柱形黑腔,照射和加热黑腔内壁,产生高温等离子体,并很快充满黑腔.

后续激光在这些等离子体中传播,通过逆韧致吸收(即电子-离子碰撞)过程沉积能量,加热等离子体,同时与等离子体相互作用激发各种微观不稳定性.激光的大部分能量在临界面附近转换为电子能量,通过电子热传导进一步加热和烧蚀高密度等离子体,同时高温等离子体将大部分沉积的激光能量转换成X 射线辐射,除部分X射线直接从激光入射孔逃逸或被靶丸吸收,大部分X射线加热黑腔壁(包括激光辐照和未辐照的壁),通过与腔壁多次吸收和再发射,X 射线辐射很快被热化,在腔内形成几乎均匀的X 射线辐射场.

热化的、均匀的X射线辐射场是烧蚀靶丸驱动内爆。

2.激光加速器

近年来，激光电子加速已经取得了很大进展，诸如上述文献中提到的4GeV准单色加速，或者是伽马射线加速。

大都需求低重复频率（小于10Hz）、高能量（几个J），获得的结果。

目前最成功的激光电子加速方案，是LWFA（laser wakefield acceleration）——激光尾场加速器。[3-6]

在一场展示激光尾场加速器（Laser-Wakefield Accelerator）潜力的演示会上，美国能源部（Department of Energy）下属的伯克利劳伦斯国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的科学家们以及牛津大学（Oxford University）的合作者们成功地在3.3厘米的距离上将电子束加速到1GeV以上。

2012年，实现了0.5 kHz重复频率下产生100 keV, 10 fC 的电子束[4]

2016年，实现了以小于10mJ的1kHz（重复频率）激光脉冲，聚焦在近临界密度的氦和氢气的气体喷流，驱动加速电子到MeV规模[5]

激光加速器的基本原理[6-7]

有质动力是指带电粒子在非均匀场中感受到的、起源于媒质或者场的非均匀分布的一种力。

对于一个平面波的光脉冲，电子在有质动力的作用下，在脉冲前沿将经历一个加速阶段，在下降沿经历一个减速阶段，由于上升沿和下降沿的完全对称，最终加速和减速相互抵消，当光脉冲和电子分离后，电子无法获得净能量增益。

对于一个聚焦的激光脉冲来说，光场分布是不均匀的，加速和减速就不能抵消，表现为一种力(即有质动力)作用下的加速运动。

3.激光点火

于汽车内燃机目前所采用的电火花塞自身有诸多缺陷，造成了燃料燃烧不充分。

在稀薄燃烧的条件下发动机气缸内压力低、温度低，燃料不易发生爆燃，通常要采用增压技术提高缸内燃料的压缩比从而提高热效率，点火器很可能将面临高达50 MPa 的高压与4000 K 的高温。在高压缩比的情况下必须采用高能点火，因为高能点火燃烧速度快，稀燃界限大，有利于火花核形成，但高能点火又会导致所需点火的电压增高，造成电极烧蚀，大幅度降低火花塞使用寿命。

激光点火作为一种更清洁、更高效、更经济的新型点火技术越来越受到各国研究者的重视。与传统的电火花点火技术相比，激光点火技术具有以下优点∶

1) 在气缸内可实现任意位置的点火等离子体，这有利于实现点火位置的优化；

2) 由于没有电极，在形成火焰中心时不会有淬灭效应；

3) 在低的燃烧温度下可以点燃各种混合燃料，降低了有害气体的排放，提高了效率；

4) 容易维护；

5) 可实现多点点火；

6) 短的点火延时和燃烧时间等。

要实现汽车引擎的激光点火，在正常的空气压力下，需要的激光强度为100 GW/cm2，这就需要脉冲能量至少为0.1 mJ 、脉冲宽度低于10 ns 的激光。这些可以通过激光二极管抽运的被动调Q 固体激光器来实现，而且被动调Q 固体激光器还具有小型化、结构紧凑、价格便宜、容易维护和使用寿命长等优点，因此激光二极管抽运的被动调Q 固体激光器就成为汽车引擎激光点火的首选。

最近日本、德国、英国等研究机构报道了用4:Cr YAG 被动调Q 激光器替代内燃发动机火花塞点火的研究工作[7]，为小型化、集成化被动调Q 微片激光器的研究注入了一股新的活力。特别是被动调Q 微型固体激光器的迅速发展很可能使激光点火取代传统的点火方式应用于汽车发动机点火。

激光点火的原理

激光点火系统由激光器、传导光纤、聚焦透镜、耦合系统等组成。

高峰值功率且可靠的激光光源是激光点火系统最重要的组成部分。激光点火对激光峰值功率要求较高，兆瓦级峰值功率的激光脉冲才能稳定产生等离子体或者“激光火花”。在众多种类的激光器中，采用激光二极管(LD)端面抽运的被动调Q 小型化固体激光器由于具备诸多优点，最适合作为激光点火系统的激光源

研究发现，激光功率密度高于10^10 W/cm2就能满足点火的可靠性[23]。经过几十年的理论与实验研究，被动调Q 固体激光器的峰值功率已可以达到兆瓦量级，脉冲宽度可压缩到亚纳秒量级，完全能够满足激光点火的功率要求。

激光光束到发动机燃烧室的传输，目前有两个最具可行性的方案∶

一是将激光器直接安装在气缸上，

二是将激光器放置在与气缸分离的位置，借助光纤来传输激光。

激光器产生的高功率密度激光通过光纤传输到气缸头，然后使用光学透镜来聚焦激光并耦合投射到燃烧室中。

耦合系统即光学窗口也是保证激光点火系统点火成功至关重要的组成部分，在成本控制中也起着重要作用

调研参考文献

1滕晓丽, 薛慧彬. ―国家点火装置‖的建造经费和时间表[J]. 激光与光电子学进展, 2005,

42(7):26-30.

2.裴文兵, 朱少平. 激光聚变中的科学计算[J]. 物理, 2009, 38(8):559-568.

3.Cipiccia S, Islam M R, Ersfeld B, et al. Gamma-rays from harmonically resonant betatron oscillations in a plasma wake[J]. Nature Physics, 2011, 7(7):867-871.

4.He Z H, Hou B, Easter J H, et al. High Repetition-Rate Wakefield Electron Source Generated by Few-millijoule, 30 femtosecond Laser Pulses on a Density Downramp[J]. New Journal of Physics, 2012, 15(18):751-793..

5. F. SALEHI, A. J. GOERS, G. A. HINE, L. FEDER.MeV electron acceleration at 1 kHz with <10 mJlaser pulses.Optics Letters January 15 2017 /Vol. 42, No. 2

6.Tajima T, Dawson J M. Laser Electron Accelerator[J]. Phys.rev.lett, 1979, 43(4):267-270.

7.林丹. 真空激光有质动力加速机制和物理特性的研究[D]. 复旦大学, 2008.

8.Voron’Ko Y K, Subbotin K A, Shukshin V E, et al. Growth and spectroscopic investigations of Yb 3+ -doped NaGd(MoO 4 ) 2, and NaLa(MoO 4 ) 2 —new promising laser crystals[J]. Optical Materials, 2006, 29(2–3):246-252.

9.杨林, 董俊. 基于被动调Q固体激光器的激光点火系统的研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2015(3):52-63.