激光基础——被动调Q 实验步骤.ppt

实验目的 学会被动调Q的原理及方法； 了解Cr4+：YAG晶体调Q激光器装置，掌握其测试方法； 了解被动调Q开关性能参数对激光参数对输出特性的影响。 测试仪器 实验结果 实验结果 实验曲线图 实验曲线图 思考问题 ★ 观察多脉冲现象，分析其产生原因. 被动调Q激光器的输出特性 实验课件 长春理工大学 固体激光实验室 被动调Q 实验结果 与讨论 简 介 实验内容 与步骤 实验装置 及仪器 实验目的 实验原理 1 6 5 4 3 2 目 录 历史背景 1960年5月美国休斯实验室的梅曼（C．M．Maman）采用红宝石晶体做为激光器的工作物质，用氙灯做泵浦源，制成了世界上第一台激光器． 度为 10 -7 s 量级；随后的几年发展得非常快，出现了多种调 Q 方法（如电光调 Q 、声光调 Q 、可饱和吸收调 Q 等），输出功率几乎呈直线上升，脉宽压缩也取得了很大进展。80 年代，调 Q 技术产生脉宽为纳秒（ ns ）量级，峰值功率为吉瓦（ GW ）量级的巨脉冲已并非困难。 激光问世不久， 1961 年就有人提出了调 Q 的概念，即设想采用一种方法把全部光辐射能压缩到极窄的脉冲中发射； 1962 年，制成了第一台调 Q 激光器，输出峰值功率为 600 千瓦，脉冲宽 研究意义 固体激光器的应用主要集中在科研与开发、加工、医疗和军用等四个方面。在科研与开发方面，涉及面很广，包括作核聚变研究用的高峰值功率激光器系统、作光谱研究和新材料开发用的超短脉冲激光器和可调谐激光器、作脉冲全息摄影用的红宝石激光器、作高速摄影用的超短脉冲激光器、测量人造地球卫星轨迹和月球表面用的高精度激光测距仪、遥感用的激光雷达等等。 一般固体脉冲激光器由于存在驰豫振荡现象，输出激光为一无规尖峰脉冲序列，其总的脉冲宽度持续几百微秒甚至几毫秒 ，峰值功率也只有几十千瓦的水平，远不能满足诸如激光精密测距、激光雷达、高速摄影、高分辨率光谱学研究等的要求，正是在这些要求的推动下，人们研究和发展了调Q 技术。 驰豫振荡现象 1961年底，邓锡铭几乎与国外同时，独立提出了高功率激光Q开关原理。他非常形象 地解释：把Q开关比喻为一个稍有漏水(自发辐射跃迁)的抽水马桶，当水箱被灌(光泵注入能量)满之后水箱底部的盖快速揭开(Q值突变)，水(激光能量)就一涌而出(激光峰值功率输出)。采用调Ｑ技术很容易获得峰值功率高于兆瓦、脉宽为数十个纳秒的激光巨脉冲。 调 Q 技术的出现是激光发展史上的一个重大突破。它不仅大大推动了一些应用技术的发展且成为科学研究的有力工具。 邓锡铭 在示波器上观察的调Ｑ后的巨脉冲 调Ｑ原理和方法 通过某种方法，使谐振腔的损耗δ(或Ｑ值）按照规定的程序变化，在光泵激励刚开始时，先使光腔具有高损耗δH, 激光器由于处于高阈值而不能产生振荡，于是激光上能级亚稳态上的粒子数可以积累到较高的水平。当其粒子数积累到相应于泵浦而言最大值时，使腔的损耗突然降低到δL，阈值也随之突然降低。此时反转粒子数大大超过阈值，受激辐射极为迅速地增强。于是在极短时间内，上能级贮存的大部分粒子的能量转变为激光能量，在输出端有一个强的激光巨脉冲输出。 目前的调Ｑ技术 声光调Ｑ 转镜调Ｑ 染料调Ｑ …… 电光调Ｑ 染料调Ｑ（被动调Ｑ） 工作原理：是利用染料(本实验用Cr 4+ :YAG染料)的饱和吸收（光漂白）作用 控制谐振腔的损耗。 中心频率处染料吸收系数 ： IS:饱和光强 I:光强 α0: 小信号吸收系数 吸收系数随光强变化的曲线 将Cr 4+ :YAG染料盒放在谐振腔中，泵浦开始时，染料吸收大，谐振腔损耗大，不起振。随着激光工作物质中反转粒子数的积累，放大的自发辐射增加，当光强与染料的饱和光强可比拟时，吸收系数显著减少。这一过程发展到一定程度时，增益等于损耗，激光器起振。随着激光强度的增加，染料的吸收系数继续下降，这又促使激光迅速增加，产生受激辐射不断增加的雪崩过程。当激光光强增加至可以与增益介质的饱和光强比拟时，增益系数显著下降，最终导致激光熄灭。 染料调Ｑ示意图 染料调Ｑ结构简单，使用方便，没有电的干扰，但是它是一种被动式Ｑ开关，产生调Ｑ脉冲的时刻有一定的随机性，不能人为的控制。另外，由于饱和吸收时的透过率也不是100%，故有一定的光学损耗，影响调Ｑ的效率。 激光电源 输出镜 Cr4+:YAG染料盒 YAG 晶体棒 脉冲氙灯 聚光腔 全反镜 实验装置 聚光腔 光阑 全反镜 染料盒 输出镜 准直光源 激光电源为YAG激光器提供高电压及其它控制电压 上转换片 可存储示波器 能量计 脉冲