【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 氪燈。半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型激光器件，其利用輸出波長(zhǎng)與激光晶體的某一吸收峰對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體激光作為泵浦源，具有體積小、效率高的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于 Nd3+： YAG 晶體，泵浦光波長(zhǎng)一般選 808nm。本實(shí)驗(yàn)中選用脈沖氙燈對(duì)激光棒進(jìn)行泵浦，其一般由燈管、充入的氣體和電極所構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。燈管是由耐高溫、機(jī)械性能和透光性能好石英玻璃制做的。如果在石英玻璃中摻入適量的鈰，還可吸收小于 μ m 的紫外光，并能產(chǎn)生 ~ m 的熒光，可大大減小工作 物質(zhì)的熱效應(yīng)，提高泵浦效率。燈的電極通常是用釷鎢、鋇鎢、鈰鎢等制成。燈管和電極之間用過(guò)渡玻璃直接封接或氣泡封接，管內(nèi)充入適量的氙氣。 長(zhǎng)沙學(xué)院激光課程設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè) 泵浦燈的工作過(guò)程是：先給貯能電容器充電至某一電壓、此電壓應(yīng)大于燈的點(diǎn)火電壓，小于其自閃電壓。然后用一個(gè)萬(wàn)伏以上的脈沖高壓觸發(fā)之，使其內(nèi)部氣體電離，在燈兩電極間的電場(chǎng)作用下，正負(fù)離子沿相反方向做加速運(yùn)動(dòng)，又激發(fā)和電離其它原子，進(jìn)而形成雪崩式電離。燈內(nèi)的阻值瞬間由原來(lái)的無(wú)窮大突然變得很小，造成導(dǎo)電通道，貯能電容器通過(guò)燈管內(nèi)放電，使燈發(fā)出閃光。燈的觸發(fā)方式有兩種：外觸發(fā)式――脈沖高 壓通過(guò)繞在燈管上的觸發(fā)絲來(lái)觸發(fā)泵浦燈；內(nèi)觸發(fā)式――脈沖高壓直接通過(guò)燈的電極來(lái)觸發(fā)泵浦燈。為了提高轉(zhuǎn)換效率和泵浦燈的使用壽命，常采用預(yù)燃或準(zhǔn)預(yù)燃方式。預(yù)燃式電源的結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。 V0V1V2L1L貯 能 電 容 CK預(yù) 燃 電 源觸 發(fā) 電 源C2 圖 4 預(yù)燃式電源原理示意圖 電氣系統(tǒng)的作用是為光泵提供能量，控制整機(jī)按設(shè)計(jì)要求正常運(yùn)轉(zhuǎn)，其主要部分就是貯能電容器的充、放電回路和觸發(fā)電路，或再加上控制回路、乃至預(yù)燃和調(diào)制電路等。在圖 4 所示的預(yù)燃式電源中包括了充放電電路、預(yù)燃電路和觸發(fā)電路，燈一經(jīng)觸發(fā)，它便可維持其小電 流（約 100~200mA）輝光放電。然后控制開(kāi)關(guān)元件（通常采用可控硅）按要求重復(fù)工作，而不需要再行觸發(fā)。此類(lèi)裝置必須配備冷卻系統(tǒng)。 聚光腔的作用是將脈沖氙燈發(fā)出的，對(duì)工作物質(zhì)激光上能級(jí)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布有貢獻(xiàn)的光波，有效地會(huì)聚到工作物質(zhì)上，以提高泵浦效率。本實(shí)驗(yàn)采用脈沖氙燈側(cè)面泵浦激光晶體，因此對(duì)側(cè)面泵浦所用的聚光腔作以簡(jiǎn)介。這種聚光腔的種類(lèi)較多，如單橢圓柱面腔、雙橢圓柱面腔、相交圓柱面腔和緊包腔等。為了提高聚光效率，在腔內(nèi)反射面拋光后需鍍上高反射膜層（如鍍金、銀、鋁等金屬膜），或采用具有高反射率的陶瓷或聚 四氟乙烯。本實(shí)驗(yàn)裝置采用聚四氟乙烯緊包腔。 3．激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)特性 在脈沖氙燈發(fā)出的泵浦光的作用下， Nd3+： YAG 晶體被激發(fā)，可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，并產(chǎn)生受激輻射。腔內(nèi)產(chǎn)生的光子在激光器諧振腔的作用下往返得到放大，腔內(nèi)光子數(shù)急劇增加。當(dāng)腔內(nèi)的增益能夠補(bǔ)償由于腔鏡的透射、衍射及工作物質(zhì)的吸收、散射等因素所造成的損耗時(shí)，就可以形成激光振蕩。此條件稱(chēng)為激光器的閾值條件，或稱(chēng)為臨界振蕩條件。理論上可以推導(dǎo)閾值增益系數(shù)應(yīng)滿足如下條件： Rlith avG 12121 ln)( ?? （ 1） 其中 )( 21vGth 為閾值增益系數(shù)， i 是腔內(nèi)除去輸出損耗外的其它腔內(nèi)損耗系數(shù)， R 為輸出腔鏡的反射率，l 為工作物質(zhì)的長(zhǎng)度?？梢?jiàn)，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布并不一定能形成激光振蕩，還必須滿足閾值條件。理論分析得到，四能級(jí)系統(tǒng)脈沖激光器的閾值能量為 1???? abcLpRthth hvVNE ?? （ 2） 其中 VR 為激活介質(zhì)的體積； h 為普朗克常數(shù)； p 為激光頻率；η L 為電能轉(zhuǎn)換為有效光能的效率；η c為聚光腔的聚光效率；η ab 為工作物質(zhì)的吸收效率，η 1 是吸收能級(jí)向激光上能級(jí)無(wú)輻射躍遷的量子效率 ?？梢?jiàn)，激光器的閾值能量與很多環(huán)節(jié)有關(guān)。 4．最佳輸出耦合條件的選取 所謂最佳輸出耦合條件是指在一定輸出能量的情況下獲得最大激光輸出的輸出腔鏡透過(guò)率條件。理論分析得出，最佳透過(guò)率 Top 應(yīng)滿足下式關(guān)系 optoptioptioptiopti TTaTa TaTalvG ????? ?????? )]1)[l n(1( )]1)[l n(1()(2 2210 （ 3） 長(zhǎng)沙學(xué)院激光課程設(shè)計(jì) 第 15 頁(yè) 可見(jiàn)，最佳透過(guò)率與工作物質(zhì)的 l, 腔內(nèi)的總損耗 i，小信號(hào)增益系數(shù) G0( 21)有關(guān)。但這些只是定性的分析，在實(shí)際應(yīng)用中，除憑經(jīng)驗(yàn)粗略選取外，必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。在要求不嚴(yán)格的情況下， Nd3+： YAG的連續(xù)器件的透過(guò)率一般選為 5%~20%，脈 沖器件的透過(guò)率一般選為 50%~80%。 5．固體激光器的模式匹配技術(shù) 圖 5 是典型的平凹腔型結(jié)構(gòu)圖。激光晶體的一面鍍泵浦光增透和輸出激光全反膜，并作為輸入鏡，鍍輸出激光一定透過(guò)率的凹面鏡作為輸出鏡。這種平凹腔容易形成穩(wěn)定的輸出模，同時(shí)具有高的光光轉(zhuǎn)換效率，但在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到模式匹配問(wèn)題。 fLRw0泵 浦 光 激 光 輸 出激 光 晶 體輸 出 鏡 圖 5 端面泵浦的激光諧振腔形式 如 圖 所示，則平凹腔中的 g 參數(shù)表示為： 1 11 1,Lg R? ? ? 2 21 Lg R?? （ 4） 根據(jù)腔的穩(wěn)定性條件， 1201gg??時(shí)腔為穩(wěn)定腔。故當(dāng) 2LR? 時(shí)腔穩(wěn)定。 同時(shí)容易算出其束腰位置在晶體的輸入平面上，該處的光斑尺寸為： ? ?1220()L R L ?w??? （ 5） R1 為平面， R2， L 已知。由 此可以算出 0w 大小。 所以，泵浦光在激光晶體輸入面上的光斑半徑應(yīng)該 0w? ，這樣可使泵浦光與基模振蕩模式匹配，在容易獲得基模輸出。 ： 1．激光器的裝調(diào) (1)連接好所有電纜（除晶體高壓），插上電源插頭，檢查電源輸出正極接線端子（ POS）和負(fù)極接線端子（ NEG）是否連接正確。確定水泵及其控制線連接完好。 (2)仔細(xì)調(diào)節(jié)與 Nd:YAG 激光器同軸的 HeNe 激光器，使 HeNe 激光通過(guò)激光棒兩個(gè) 端面中心，如圖 8 所示。為了保證激光器的調(diào)整精度， HeNe 激光器應(yīng)距 Nd： YAG 激光器 2 米以上。若 HeNe 激光器不與實(shí)驗(yàn)臺(tái)平行，則需首先調(diào)整 HeNe 激光器的高低和俯仰并使其水平。 (3)將全反射和輸出鏡分別裝在調(diào)整架上，調(diào)節(jié)各自的調(diào)整架，使 HeNe 光束盡量通過(guò)兩腔鏡的中心，并使HeNe 光束由全反鏡、激光晶體和輸出鏡反射后到達(dá) HeNe 激光器上的三個(gè)反射光點(diǎn)重合。 (4)檢查激光器的電源與激光頭之間以及激光頭和水箱之間的連接是否正確以及激光電源的多圈電位計(jì)逆時(shí)針旋至最小。一切檢查無(wú)誤后打開(kāi)激光電源的鑰匙開(kāi)關(guān)，檢查水冷系統(tǒng)工作是否正常。 (5)在水冷系統(tǒng)正常工作的前提下，按下激光器預(yù)燃開(kāi)關(guān)，預(yù)燃指示燈亮。按下激光器啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，“ START”鍵亮。順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)可變電位器，此時(shí)可以看到激光電源顯示的電壓值逐漸變大。當(dāng)激光電源顯示電壓長(zhǎng)沙學(xué)院激光課程設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè) 值達(dá)到 500V 時(shí)，用感光相紙?jiān)诩す馄鬏敵鲧R后接光斑。若此時(shí)沒(méi)有激光輸出，繼續(xù)增大激光電源電壓。若激光電源電壓增大至 850V 時(shí)仍無(wú)激光輸出，需要再 次微調(diào)激光器的全反鏡和輸出鏡（微調(diào)?。潦馆敵黾す庠诟泄庀嗉埳洗虺龉獍?。 (6)在激光器輸出激光后，繼續(xù)微調(diào)激光器的全反鏡和輸出鏡，直到打到相紙上的激光光斑均勻、圓整，然后減小激光器電壓至激光器剛能出光，此時(shí)注入的泵浦能量為激光器的閾值能量。 輸出鏡 激光晶體 全反鏡 HeNe 激光器 圖 8 激光器光路調(diào)整示意圖 2．激光器輸出輸入曲線的測(cè)定： 在激光諧振腔調(diào)整完成后，開(kāi)始測(cè)量激光器的輸出輸入曲線。將激光電源工作狀態(tài)設(shè)定為單次工作 ，并在激光器輸出光路上放置激光能量計(jì)。 改變激光電源電壓，分別測(cè)量激光電源電壓為 500V、 600V、 700V、 800V 和 900V 時(shí)的輸出能量值（若時(shí)間允許，可間隔 50V 測(cè)量）。每個(gè)電壓處測(cè)量 3 次并取輸出能量的平均值作為輸出能量值。 繪出激光器的輸入電壓－輸出能量曲線，或輸入能量輸出能量曲線（激光器充電電容為 100μ F）。 3．最佳透過(guò)率的測(cè)定 (1) 保持激光晶體和全反鏡不變，取下輸出鏡膜片，并換用另一種透過(guò)率的輸出鏡膜片，按上述實(shí)驗(yàn)步驟將激光器調(diào)整到最佳輸出狀態(tài)（主要是微調(diào)輸出鏡）。改變激光電源的電壓，測(cè) 量激光電源電壓為 500V、600V、 700V、 800V 和 900V 時(shí)的輸出輸入曲線。利用同樣方法可以測(cè)量激光器在其它輸出鏡透過(guò)率情況下的輸出輸入曲線。 (2) 根據(jù)步驟 (1)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)激光器的輸入能量（輸入電壓）在某一固定值的情況下，激光器的輸出能量有一最佳值。分析不同輸入電壓情況下的最佳透過(guò)率。 (3) 關(guān)機(jī)順序?yàn)椋合劝咽謩?dòng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，關(guān)掉預(yù)燃，最后關(guān)電鑰匙。 ： 輸入電壓（ V） （ mJ） （ mJ） 350 400 450 500 550 600 215 201 650 258 256 700 305 301 750 355 348 800 391 388 850 429 425 900 471 469 長(zhǎng)沙學(xué)院激光課程設(shè)計(jì) 第 17 頁(yè) ： YAG 激光器調(diào) Q 實(shí)驗(yàn) ： 一． 了解利用晶體線性電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)激光調(diào) Q 的原理； 二． 熟悉主動(dòng)和被動(dòng)調(diào) Q 固體激光器的結(jié)構(gòu)，并掌握其調(diào)試技術(shù)； 三． 了解電光晶體的開(kāi)關(guān)效率和延遲特性； 四． 掌握調(diào) Q 激光器輸出能量、脈沖寬度的測(cè)量方法。 ： 調(diào) Q 技術(shù)是獲得短脈沖高峰值功率激光輸出的重要方法。一般情況下，自由運(yùn)轉(zhuǎn)的脈沖激光器輸出的激光脈沖的脈寬在幾百 μs～幾 ms 之間，峰值功率也較低。為了獲得高峰值功率的激光輸出，人們發(fā)明了調(diào) Q 技術(shù)。 激光器調(diào) Q 的概念 激光器的 Q 值又稱(chēng)品質(zhì)因數(shù)，是表征激光諧振腔的腔內(nèi)損耗一個(gè)重要參數(shù)，其定義為腔內(nèi)貯存的能量與每秒鐘損耗的能量之比： 0=2Q ?? 腔 內(nèi) 貯 存 的 激 光 能 量每 秒 鐘 損 耗 的 激 光 能 量 （ 1） 式中 0? 為激光的中心頻率。 假定腔內(nèi)貯存的激光能量為 E，光在腔內(nèi)走一個(gè)單程能量的損耗率為 ? ，則光在一個(gè)單程中對(duì)應(yīng)的損耗能量為 E? 。如果諧振腔長(zhǎng)度為 L,，則光在腔內(nèi)走一個(gè)單程所需時(shí)間為 nL/c, 其中 n 為折射率 ,c 為光速。因此光在腔內(nèi)每秒鐘損耗的能量為/EnLc?， Q 值可表示為 0 022 /E n LQ E c n L ??? ? ????