固体激光倍频、调Q实验.doc

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
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。图3给出了一个单轴晶体的色散及1064nm倍频匹配点的折射率关系曲线。图3中的实线代表了寻常光的折射率，点划线代表了非常光的折射率，中间的点线则代表了非常光在改变入射光角度时得到的折射率。由图中可以看出，当改变晶体中入射光的角度，中间的非常光折射率曲线随之变化，在如图3的位置上，可以实现1064nm的倍频。即在特定的通光方向上，532nm的倍频光与1064nm的基频光折射率可以实现相等，实现倍频的相位匹配。对于双轴晶体其相位匹配的计算较为复杂，这里不详细论述。其相位匹配原理都是相同的。

图3单轴晶体色散曲线及倍频原理示意图
（3）倍频效率：
设w为基频光，2w为倍频光，则由理论计算可以得到倍频的效率为
（2）
为基频光光强，为倍频光光强，L为晶体长度，为晶体倍频有效非线性系数，为基频光折射率，为倍频光折射率，为三波互作用时的波矢量失配。由公式给出的倍频效率是一个Sinc平方函数，当时效率达到最大值，失配量在的整数倍时达到最小值。

图4倍频效率的sinc平方函数图
【实验装置】
实验装置如图5所示。这是一台内腔倍频、连续氪灯（单灯）泵浦、声光调Q的YAG激光器。不加倍频元件可以输出1064nm波长的近红外高功率激光。当腔内放置倍频晶体时，如采用倍频效率较高的KTP（磷酸二氢钾）晶体，就可以产生532nm波长的倍频绿光输出。

图5声光调Q连续YAG倍频激光器示意图
由于倍频效率与基频激光的峰值功率平方成正比，所以为了有效地产生高效率的倍频输出，在YAG腔内采用了声光调Q装置，其作用可以将连续振荡的1064nm基频光变换成10KHz左右的高重复频率脉冲激光，脉冲宽度在150nS左右。由于具有重复频率和峰值功率高的特点，所以可以获得高平均功率的倍频绿光输出。实验装置中采用5mW的氦氖激光器做为准直光源。谐振腔后面采用的全反镜为1064nm高反。倍频输出镜为1064nm高反和532nm高透双色镜。1064nm基频光在腔内形成振荡且不直接输出到腔外。在腔内放置KTP晶体做为倍频器件，将1064nm基频光转换为532nm倍频光，并通过倍频输出镜获得输出。本实验中，在腔内还放置了一块谐波反射镜，上面镀有1064nm高透、532nm高反，使获得的后向倍频光再次反射回倍频输出镜处并得到输出，从而进一步提高了倍频输出效率。
【实验内容】
（1）仔细反复调整激光器中反射镜、声光Q开关、KTP倍频晶体，使之降低阈值达到最佳工作状态。
（2）观察声光调Q连续YAG倍频激光器的工作特点。
（3）比较有调Q作用和无调Q作用时倍频输出明显的差别。
（4）测量倍频激光器绿光输出的脉冲宽度和波形。
（5）观察不同声光调制频率下绿光输出功率的变化。
（6）转动倍频晶体角度观察倍频输出功