固体激光器及其调Q工作原理
固体激光器原理
固体激光器原理固体激光器是一种利用固体材料作为工作物质产生激光的装置。
它具有结构简单、体积小、效率高、可靠性强等优点，在医疗、通信、材料加工等领域有着广泛的应用。
固体激光器原理是指固体激光器产生激光的基本物理过程和原理。
在固体激光器中，激光的产生是通过材料的受激辐射过程实现的。
下面将详细介绍固体激光器的原理。
固体激光器的工作原理主要包括三个过程，吸收、受激辐射和放大。
首先是吸收过程，固体激光器中的工作物质吸收外界能量，使得原子或分子处于激发态。
其次是受激辐射过程，当处于激发态的原子或分子受到外界激发能量的作用时，会发生受激辐射，产生与激发能量相同的光子，并且这些光子与外界激发能量的相位相同。
最后是放大过程，通过光学共振腔的作用，使得受激辐射的光子不断地在工作物质中来回反射，产生放大效应，最终形成激光。
固体激光器的原理中，工作物质的选择对激光器性能有着重要的影响。
常用的固体激光器工作物质包括Nd:YAG、Nd:YVO4、Ti:sapphire等。
这些工作物质具有较高的吸收截面、较长的寿命和较宽的工作波长范围，适合用于固体激光器的制作。
此外，激光器的光学共振腔结构也是固体激光器原理中的重要组成部分，它能够提供光学反馈，使得激光得以放大并输出。
在固体激光器的原理中，激光的输出特性是一个重要的参数。
激光器的输出特性包括波长、功率、脉冲宽度、光束质量等。
这些特性直接影响着激光器的应用效果和性能表现。
因此，在固体激光器的设计和制造过程中，需要对激光器的输出特性进行精确控制和调节。
总的来说，固体激光器原理是固体激光器产生激光的基本物理过程和原理。
通过吸收、受激辐射和放大三个过程，固体激光器能够产生高能量、高亮度、高单色性的激光。
固体激光器的原理为固体激光器的设计和制造提供了重要的理论基础，同时也为固体激光器的应用提供了技术支持。
随着科学技术的不断发展，固体激光器原理将会得到更深入的研究和应用，为激光技术的发展做出更大的贡献。
固体激光倍频、调Q实验
声光调Q倍频YAG激光器实验声光调制器由石英晶体、铌酸锂或重火石玻璃作为声光介质，通过压电晶体电声转换器将超声波耦合，在声光介质中产生超声波光栅，介质的折射率被周期性调制形成折射率体光栅。
在腔内采用该技术，可将连续的1064nm基频光变换成10KHz的高重复率脉冲激光，由于具有重复频率和峰值功率高的特点，可获得高平均功率的倍频绿光输出。
【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。
【实验原理】【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1所示。
光栅公式如下式（1）式（1）中，是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，n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。
固体激光器的工作原理
固体激光器的工作原理
固体激光器是一种利用固体材料作为工作介质的激光器，其工作原理主要包括激发态产生、增益介质放大、谐振腔构成和输出光束等几个方面。
首先，固体激光器的工作原理涉及到激发态的产生。
在固体激光器中，通常采用外部能源（如光、电、化学能等）来激发固体材料中的原子或分子，使其跃迁至激发态。
这个过程需要一定的能量输入，激发态的产生是固体激光器工作的第一步。
其次，固体激光器的工作原理还包括增益介质的放大。
在固体激光器中，激发态的原子或分子通过受激辐射的作用，向入射的光子传递能量，从而使光子的数目呈指数增长。
这一过程发生在增益介质中，增益介质通常是由稀土离子或色心等组成的晶体或玻璃材料。
另外，固体激光器的工作原理还涉及到谐振腔的构成。
谐振腔是固体激光器中的一个重要部件，它由两个反射镜构成，其中一个是部分透明的，用于输出光束。
谐振腔的作用是使激光在其中来回多次反射，从而增强激光的放大效应，最终形成输出光束。
最后，固体激光器的工作原理还包括输出光束的形成。
当激光在谐振腔中来回多次反射后，其中一部分光子会通过部分透明的反射镜逸出，形成输出光束。
这个输出光束通常具有一定的方向性和单色性，可以用于各种应用。
总的来说，固体激光器的工作原理是利用外部能源激发固体材料中的原子或分子，使其跃迁至激发态，然后通过增益介质的放大和谐振腔的构成，最终形成输出光束。
固体激光器在医疗、通信、材料加工等领域有着广泛的应用，对于推动科学技术的发展具有重要意义。
固体激光器的工作原理
固体激光器的工作原理
固体激光器是一种利用固体材料作为工作物质的激光器，它通
过激发固体材料中的原子或离子，使其产生受激辐射而产生激光。
固体激光器的工作原理主要包括激发、增益、反射和输出四个过程。
首先，固体激光器的工作原理涉及到激发过程。
在固体激光器中，通常采用激发源（如闪光灯、半导体激光二极管等）照射固体
材料，激发固体材料中的原子或离子，使其跃迁至高能级。
这种激
发过程会导致固体材料中的原子或离子处于一个高能级的激发态。
其次，固体激光器的工作原理还涉及到增益过程。
在激发过程中，固体材料中的原子或离子处于高能级的激发态，这时如果有入
射光子与其相互作用，就会引发受激辐射，从而产生激光。
这种受
激辐射会引起原子或离子从高能级跃迁到低能级，释放出更多的光子，使激光光子数目急剧增加，形成所谓的增益。
然后，固体激光器的工作原理还包括反射过程。
在固体激光器中，通常会设置一个光学反射器，用来反射激光。
这种光学反射器
可以将激光反射回固体材料中，使其在其中来回反射，增强激光的
增益效果。
最后，固体激光器的工作原理还涉及到输出过程。
在固体激光器中，设置一个输出镜，用来从激光腔中输出激光。
这种输出镜通常只透过一部分激光，反射大部分激光，使得激光可以从固体激光器中输出。
总的来说，固体激光器的工作原理是通过激发固体材料中的原子或离子，使其产生受激辐射而产生激光。
固体激光器的工作原理涉及到激发、增益、反射和输出四个过程，这些过程共同作用，使得固体激光器能够产生高能、高亮度的激光，被广泛应用于医疗、通信、材料加工等领域。
调Q(Q开关)技术
❖ 2. 单 4 5 0 Q开关的误差
（1）口径效应：工作物质不同位置发出的激光，通过晶体 时，走得路程不一样，因而o光、e光的相位差不
等， 。
（2）克服口径效应的办法 a. 可以把电极做成矩形，使 4 5 0 角上无电场。
b. 利用一个互补的无相位变化的棱镜来代替谐振腔中的 全反镜。
❖ 3. 单 4 5 0 Q开关的特点
(1) 积累 n ,达到最大值（不让出激光）经过 一段延迟时间－ －从氙灯点燃到Q开关打开积累 n 的时间 此阶段不应存在受激辐射过程。
速率方程：
dn dt
2n2Wp
(2)激光脉冲形成与输出（瞬态过程）
受激辐射迅速，时间短，因此忽略泵浦和自发辐射。 Q开关方程：
dn d t
2n 21
d
d t
规迹由两光的相位差来决定，当 时，两束光合成
为一线偏光，它的振动方向相对入射光的原振动方向旋转 9被0P度2反。射因掉为。P1所//P以2，光所不以能，在从腔晶内体来出回来传的播光形不成能振通荡过。P这2，就 相当于腔内光子的损耗很大，Q值很高，称为“关门”状 态。
（2）第二阶段：脉冲形成阶段——Q开关完全打开
开关时间对激光脉冲的影响很大，按开关时间的大小 分为快、慢两种类型。
2.3 电光晶体调Q
一、电光晶体调Q原理 ❖1. 电光Q开关原理。
利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式 电压，调节腔内光子的反射损耗。 （1）第一阶段：积累阶段
例如：采用KDP纵向运用方式，即Z向加电场，Z向通光
第一阶段是在晶体上加 V 2 。偏振光通过KDP晶体时 分解为沿X和Y方向振动的振幅相等的两束光，两束光的 振动方向垂直，频率相同，沿相同方向传播时，其合成的
脉冲固体激光器静态特性及染料调Q技术
激光产生原理
当光通过激活介质时会被放大，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 的百分比。 光通过激活介质是会有损耗，损耗的大小 可以用损耗系数 来表示，它表示光通过 单位长度激活介质后光强下降的百分比。 当增益大于损耗时，激光器能够产生自激 振荡，形成激光输出。
问题及讨论
1.激光器在静态和动态运行时,在脉宽和能量 上有什么区别?引起的原因是什么? 2. 在调Q的过程中,染料片的透过率是如何变 化的? 3. 为什么激光器的输出镜存在一个最佳的透 过率?在实验中,你是如何确定这个最佳透过 率的.
静态固体激光器输出特性
一般结构的固体激光器称为静态激光器。 大量实验表明，脉冲泵浦的静态固体激光 器输出是由一连串不规则振荡的尖峰脉冲 构成的，这种现象称为激光的驰豫振荡。
出功率，在一些 要求高峰值功率和窄脉宽激光输出的应用中无法 使用。 采用调Q可以容易地获得峰值功率高于兆瓦，脉 宽为几十纳秒的激光巨脉冲。 调Q技术是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内建立并达到最 大值。 常用的调Q方法有电光调Q、声光调Q和染料调Q， 本实验采用的是染料调Q技术。
Nd:YAG晶体能级图
在本实验 中激光器 工作在 1064nm波 长，Nd3+ 在各个能 级间跃迁 如右图所 示。
激光产生原理
在平衡状态，激光上能级粒子数小于下能 级粒子数，因此不能形成光放大。 在外界激励下，可以使激光上能级粒子数 大于下能级粒子数，从而形成粒子数反转 分布。 处于粒子数反转分布状态的物质称为激活 介质。
染料调Q技术原理
染料Q开关是利用有机染料的饱和吸收特性形成的。 有机染料是一种非线性吸收介质，在弱光时吸收系数高， 在较强激光作用下由于吸收饱和而对激光透明（又称漂白 效应）。 将染料薄膜放置于谐振腔中，在光泵激励刚开始时，工作 物质发出较弱的荧光，染料吸收很强，Q值很低，粒子在 上能级积累，反转粒子数大大提高。 当腔内工作物质的荧光变强时，染料的吸收达到饱和值， 光可以全部透过，这时，腔内Q值升高，形成巨脉冲输出。 当反转粒子数被消耗掉后，腔内光强下降，染料吸收再次 上升，腔内Q值下降，开始一个新的循环。
激光器的组成,调Q讲解
激光器一般由三个部分组成，固体激光器也不例外：（1）.工作物质这是激光器的核心，只有能实现能级跃迁的物质才能作为激光器的工作物质。
目前，激光工作物质已有数千种，激光波长已由X光远至红外光。
例如氦氖激光器中，通过氦原子的协助，使氖原子的两个能级实现粒子数反转；（2）.激励能源（光泵）它的作用是给工作物质以能量，即将原子由低能级激发到高能级的外界能量。
通过强光照射工作物质而实现粒子数反转的方法称为光泵法。
例如红宝石激光器，是利用大功率的闪光灯照射红宝石（工作物质）而实现粒子数反转，造成了产生激光的条件。
通常可以有光能源、热能源、电能源、化学能源等。
（3）.光学共振腔这是激光器的重要部件，其作用一是使工作物质的受激辐射连续进行；二是不断给光子加速；三是限制激光输出的方向。
最简单的光学共振腔是由放置在氦氖激光器两端的两个相互平行的反射镜组成。
当一些氖原子在实现了粒子数反转的两能级间发生跃迁，辐射出平行于激光器方向的光子时，这些光子将在两反射镜之间来回反射，于是就不断地引起受激辐射，很快地就产生出相当强的激光。
这两个互相平行的反射镜，一个反射率接近100%，即完全反射。
另一个反射率约为98%，激光就是从后一个反射镜射出的。
激光器主要由三部分组成：工作物质、激励能源、谐振腔（共振腔）。
如图：红宝石激光器的基本结构。
——固体激光器一般采用光激励源。
工作物质多为掺有杂质元素的晶体或玻璃。
最常见的固体激光器有红宝石激光器、钕玻璃激光器、掺钕钇铝石榴石激光器等，固体激光器输出能量高，小而坚固，在激光加工、激光武器等方面有重要应用。
激光调Q 的基本原理调Q技术就是通过某种方法使腔的Q值随时间按一定程序变化的技术。
在泵浦开始时使腔处在低Q值状态，即提高振荡阈值，使振荡不能生成，上能级的反转粒子数就可以大量积累，当积累到最大值（饱和值）时，突然使腔的损耗减小，Q值突增，激光振荡迅速建立起来，在极短的时间内上能级的反转粒子数被消耗，转变为腔内的光能量，在腔的输出端以单一脉冲形式将能量释放出来，于是就获得峰值功率很高的巨脉冲激光输出。
第七讲 激光技术二：调Q技术
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3、染料调 Q 激光器
（1）染料吸收特性 染料的可饱和吸收系数 0是光强很小时的吸收系数； Is 为染料的饱和吸收光强(与染料种类及浓度有关)
布拉格声光器件
声光互作用区域长,相当 于体光栅，对入射光方 向要求严格,只有一级衍 射光。( 衍射效率高 )
入射光
-3级衍射光 -2级衍射光 -1级衍射光 零级光 入射光 +1级衍射光 +2级衍射光 +3级衍射光
零级光
+1级衍射光
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（1）第一阶段：积累阶段 激光通过声光介质中的超声场时产生衍射，使光束 偏离出谐振腔，造成谐振腔的损耗增大，Q值下降， 激光振荡不能形成。故在光泵激励下其上能级反转 粒子数将不断积累并达到饱和值。
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二、实现调 Q 技术的方法
1、电光调Q激光器
利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式电压， 调节腔内光子的反射损耗。
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（1）第一阶段：积累阶段
第一阶段是在晶体上加 U 。 偏振光通过KDP晶体时分解为沿X和Y方向振动的振幅相等的 两束光，它们的振动方向垂直，频率相同，沿相同方向传播 时，其合成的规迹由两光的相位差来决定，当 时，两束 光合成为一线偏光，其振动方向相对入射光的原振动方向旋 转90度。因为P1 // P2，所以从晶体出来的光不能通过P2，被P2 反射掉。因此光不能在腔内来回传播形成振荡。这就相当于 腔内光子的损耗很大，Q值很低，称为“关门”状态。 电光器件
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• 电光晶体应满足以下条件：消光比高；透过率高、透光范围大； 半波（四分之一波）电压低；抗破坏阈值高；晶体防潮等。
• 常用电光晶体：
KDP磷酸二氢钾
BBO硼酸钡
LN铌酸锂
LGS硅酸镓镧
RTP磷酸钛氧铷
声光调Q
• 声波在声光介质中传播，会使该介质折射率发生周期变化， 可视为等效位相光栅
固体激光器及其调Q应用
激光器的构成
• 泵浦——提供能量 • 工作物质——受激辐射，产生激光 • 谐振腔——光放大、选模
激光器的分类
CO2
固体激光器
激光产生机制
调Q
• 调Q技术又叫Q开关技术，是将一般输出的连续激光能量压 缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光 源的峰值功率可提 高几个数量级的一种技术。
• 激光经过该声光介质，发生一级衍射，方向偏离谐振腔， 谐振腔损耗增加，高Q值
• 撤去超声场，衍射消失，Q值骤降
饱和吸收调Q
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感谢观看!
电光调Q
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电光调Q
Ex' Acoswt
Ey' Acos(wt )
,合 成 为 圆 偏 振 光 ， 经 全 反 镜 反 射 ， 再 次 经 过 电 光 晶 体 ，
2
相 位 差 为 合 成 为 y 方 向 线 偏 振 光 ， 无 法 通 过 偏 振 片 。