【正文】 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。此條件稱為激光器的閾值條件，或稱為臨界振蕩條件。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 。可見，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18 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)無輻射躍遷的量子效率。可見，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 出腔鏡透過率條件。理論分析得出，最佳透過率 Top應(yīng)滿足下式關(guān)系 optoptioptioptiopti TTaTa TaTalvG ????? ?????? )]1) [ l n (1( )]1) [ l n (1()(2 2210 （ 3） 可見，最佳透過率與工作物質(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，必須通過實(shí)驗(yàn)來確定。在要求不嚴(yán)格的情況下， Nd3+： YAG 的連續(xù)器件的透過率一般選為 5%~20%，脈沖器件的透過率一般選為 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題。 fLR?0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 ????? （ 5） R1 為平面， R2， L 已知。由此可以算出 0? 大小。 所以，泵浦光在激光晶體輸入面上的光斑半徑應(yīng)該 0?? ，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。 19 三、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 序號(hào) 名稱 型號(hào) 技術(shù)指標(biāo) 數(shù)量 附件 1 開關(guān)型脈沖 激光電源 250B 40 42 20 cm 1 含電源線、 Q 開關(guān)線、手動(dòng)快門 2 水箱 DHP1 52 41 62 cm 1 含電源線 3 激光器支架 70 25 25 cm 1 含四個(gè)底座 4 寬導(dǎo)軌 GCM720202M 100 600 mm 1 5 窄滑塊 GCM720211M 135 40 mm 6 6 寬滑塊 GCM720212M 135 65 mm 1 7 四維調(diào)節(jié)架 GCM250101M φ 20 mm 1 8 二維調(diào)節(jié)架 GCM081401M φ 20 mm 5 9 激光輸出鏡 φ 20 mm 2 10 YAG 晶體 1 含閃光燈泵 11 能量計(jì) LE3 光譜響應(yīng)范圍 μ m、 020μ J 分辨率 100μ J，不確定度 177。 5% 1 含探頭（傳感器類 型：熱釋電） 12 輔助激光器 HN250 2mW、 、φ 36250mm 1 含激光電源 13 激光管夾持器 GCM180201M 1 14 磁性表座 GCM420201M 2 15 支桿 GCM030112M L76 2 16 調(diào)節(jié)支座 GCM030302M L 76 2 17 光闌 GCM5701M 1 開關(guān)型脈沖激光電源技術(shù)說明 ： A、額定參數(shù)： （ 1） 輸入電壓： AC220V 允許177。 10%的波動(dòng) （ 2） 額定輸出功率： 250W （ 3） 適應(yīng)負(fù)載：氙燈（單燈） （ 4） 輸出電壓調(diào)節(jié)范圍： 100～ 990V （ 5） 外觀尺寸： 360*370*180（ mm） （ 6） 放電頻率 5（手動(dòng)） HZ B、前面板控制器示意圖 （圖 6） ： 控制器按鍵排 列順序?yàn)椋? 自左起： 預(yù)燃 切換菜單 上加 下減 清零 C、 后面板控制示意圖 (圖 7)： BJHZ 脈沖激光電源 未預(yù)燃 電 壓 脈沖頻率 調(diào) Q 延時(shí) 晶體高壓 調(diào) Q 高壓 計(jì) 數(shù) 100～ 990V 1～ 5HZ（手動(dòng)） 50～ 550μ s 100～ 5000V OFF/HV/ON 000000 圖圖 6 前面板控制器示意圖 20 1． 退壓信號(hào)輸出 400V 2． 晶體高壓 100～ 5000V 3． 電源輸出保險(xiǎn) 3A 4． 總控電源保險(xiǎn) 10A 5． 手動(dòng)開關(guān) （屏蔽連接線） 6． 風(fēng)道 7． 氙燈 正極 8． 氙燈 負(fù)極 9． 電源控制 4 芯接口： 2 腳為 220V 交流輸出 ， 4 腳為水壓開關(guān) 10. 電源輸入（ ） 四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟 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。 一切檢查無誤后 打開激光電源的鑰匙開關(guān)，檢查POS NEG PUMP POWER 1 2 5 6 3 4 9 10 圖 7 后面板控制示意圖 21 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)燃開關(guān)，預(yù)燃指示燈亮。按下激光器啟動(dòng)開關(guān)，“ START”鍵亮。順時(shí)針方向旋轉(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)！），至使輸出激光在感光相紙上打出光斑。 (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： (1) 在激光諧振腔調(diào)整完成后，開始測(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)。 (2) 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。 (3) 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率。 (3) 關(guān)機(jī)順序?yàn)椋合劝咽謩?dòng)開關(guān)斷開，關(guān)掉預(yù)燃，最后關(guān)電鑰匙。 五 、實(shí)驗(yàn)中注意事項(xiàng)： 本實(shí)驗(yàn)輸出的激光為高峰值功率脈沖激光，做本實(shí)驗(yàn)前必須佩戴防護(hù) 1064nm激光的防護(hù)眼鏡。 任何情況下嚴(yán)禁直視激光光路或直視激光器的反射光路，以免激光損傷人眼。 嚴(yán)禁用手直接觸摸氙燈電極以及激光電源的輸出線，以免觸及高壓放電回路造成人身傷害。 22 實(shí)驗(yàn) 四 Nd： YAG 激光器調(diào) Q 實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 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； 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)； 了解電光晶體的開關(guān)效率和延遲特性； 掌握調(diào) Q 激光器輸出 能量、脈沖寬度 的測(cè) 量 方法 。 二、實(shí)驗(yàn)原理 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 ??? ? ???? （ 2） 式中 00/c??? 為真空中激光波長(zhǎng)。由公式（ 2）可知， Q 值與損耗率成反比變化，即損耗大Q 值就低，損耗小 Q 值就高。 由于固體激光器存在弛豫振蕩現(xiàn)象，產(chǎn)生了功率在閾值附近起伏的尖峰脈沖序列，從而阻礙了激光脈沖峰值功率的提高。如果我們?cè)O(shè)法在泵浦開始時(shí)使諧振腔內(nèi)的損耗增大，即提高振蕩閾值，使振蕩不能形成，激光工作物質(zhì)上能級(jí)的粒子數(shù)大量積累。當(dāng)積累到最大值（飽和 值時(shí)），突然使腔內(nèi)損耗變小， Q 值突增。這時(shí)腔內(nèi)會(huì)像雪崩一樣以極快的速度建立起極強(qiáng)振蕩，在短時(shí)間內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大量被消耗，轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)的光能量，并在輸出鏡端輸出一個(gè)極強(qiáng)的激光脈沖，其脈寬窄（ 106~109s 量級(jí)），峰值功率高（大于 MW），通常把這種光脈沖稱為巨脈沖。由于調(diào)節(jié)腔內(nèi)的損耗實(shí)際上是調(diào)節(jié) Q 值，因此這種產(chǎn)生巨脈沖的技術(shù)被稱為調(diào) Q 技術(shù)，也稱為 Q 開關(guān)技術(shù)。 諧振腔的損耗 ? 一般包括有反射損耗、吸收損耗、衍射損耗、散射損耗和輸出損耗等。用不同的方法去控制不同 的損耗就形成了不同的調(diào) Q 技術(shù)，如控制反射損耗的有轉(zhuǎn)鏡調(diào) Q技術(shù)和電光調(diào) Q 技術(shù)，控制吸收損耗 的可飽和吸收體調(diào) Q 技術(shù)、控制衍射損耗的聲光調(diào) Q技術(shù)、控制輸出損耗 的透射式調(diào) Q 技術(shù)等。 本實(shí)驗(yàn)主要研究燈泵固體激光器的電光調(diào) Q 技術(shù)，所用的 Q 開關(guān)利用晶體的電光效應(yīng)制成，具有開關(guān)速度快、脈沖峰值功率高、脈沖寬度窄、器件輸出功率穩(wěn)定性較好等優(yōu)點(diǎn)，是一種已獲廣泛應(yīng)用的調(diào) Q 技術(shù) 。另外，本實(shí)驗(yàn)也簡(jiǎn)單了解 可飽和吸收體調(diào) Q 技術(shù)。 電光調(diào) Q 的基本原理 23 （ 1） KDP 晶體的縱向電光效應(yīng)： 本實(shí)驗(yàn)所用的電光晶體為 KDP 晶體，屬于四方晶系 42m 晶類，光軸 C 與主軸 z 重和，未加電場(chǎng)時(shí)，在主軸坐標(biāo)系中 KDP 晶體的折射率橢球方程為：