Nd-YAG 固体激光器电光调Q、倍频实验讲义.pdf

Nd:YAG固体激光器电光调Q、倍频实验

一、实验目的

1.掌握电光调Q的原理及调试方法；
2.学会电光调Q装置的调试；
3.掌握相关参数的测量。

二、实验原理

1.调Q技术原理
调Q技术中，品质因数Q定义为腔内贮存的能量与每秒钟损耗的能量之比，可表示为：

腔内贮存的激光能量
Q=2πν（1）
0每秒钟损耗的激光能量

式中ν0为激光的中心频率。
如用E表示腔内贮存的激光能量，γ为光在腔内走一个单程能量的损耗率。那么光在这一单程
中对应的损耗能量为γE。
用L表示腔长；n为折射率；c为光速。则光在腔内走一个单程所需要时间为nL/c。
γEE2πnL
由此，光在腔内每秒钟损耗的能量为这样，Q值可表示为Q=2πν0=
nL/cγEc/nLλ0γ

（2）

式中λ0=c/ν0为真空中激光波长。可见Q值与损耗率总是成反比变化的，即损耗大Q值就低；

损耗小Q值就高。
固体激光器由于存在弛豫振荡现象，产生了功率在阈值附近起伏的尖峰脉冲序列，从而阻
碍了激光脉冲峰值功率的提高。如果我们设法在泵浦开始时使谐振腔内的损耗增大，即提高振
荡阈值，振荡不能形成，使激光工作物质上能级的粒子数大量积累。当积累到最大值（饱和值

时），突然使腔内损耗变小，Q值突增。这时，腔内会象雪崩一样以极快的速度建立起极强的振
荡，在短时间内反转粒子数大量被消耗，转变为腔内的光能量，并在透反镜端耦合输出一个极

强的激光脉冲。在这个过程中，弛豫振荡一般是不会发生的，但是，如果调Q器件设计及调整
得不好也会导致多脉冲出现。所以，输出光脉冲脉宽窄，峰值功率高。通常把这种光脉冲称为

巨脉冲。
调节腔内的损耗实际上是调节Q值，调Q技术即由此而得名。也成为Q突变技术或Q开

关技术。

1
谐振腔的损耗γ一般包括有：

γ=α1+α2+α3+α4+α5（3）

其中α1为反射损耗；α2为吸收损耗；α3为衍射损耗：α4为散射损耗；α5为输出损耗。

用不同的方法去控制不同的损耗，就形成了不同的Q技术。如控制反射损耗α1的有转镜调

Q技术，电光调Q技术；控制吸收损耗α2的有可饱和染料调Q技术；控制衍射损耗α3的有声光

调Q技术；控制输出损耗α5的有透射式调Q技术。
图1所示出了脉冲泵浦的调Q激光器产生激光巨脉冲的时间过程。

Wp表示泵浦速率；Ni表示Q值阶跃时的粒子数反转数；Nt为阈值粒子数反转数；Nf为震荡终

止时刻，工作物质残留的粒子数反转数；为激光光子数密度。

图1激光巨脉冲产生的时间过程

图1所示，在t=0时闪光灯脉冲接近终了，腔内损耗γ此时有一个突变（即打开Q开光光

闸），腔内增益大于高于腔内损耗，而当延迟到t=td时，ΔNN≥Δth，即会发射一个高功率脉冲。

由图可知，激光巨脉冲的峰值应该出现在工作物质的粒子反转数恰等于谐振腔阈值粒子反转数

的时间。
2.纵向加压KD*PQ开关原理
（1）KD*P晶体的纵向电光效应KD*P晶体属于四方晶系42m晶类，光轴C与主轴Z重合。未

加电场时，在主轴坐标系中，其折射率椭球方程为：

2
x2+y2z2
（）
2+2=14
n0ne

其中，n0、ne分别为其寻常和异常光的折射率。加电场后，由于晶体对称性的影响，42m晶类只

有γ63,γ41两个独立的线性电光系数。γ63是电场方向平行于光轴的电光系数，λ41是电场方向垂

直于光轴的电光系数。KD*P晶体加外电场后的折射率椭球方程是：

x2+y2z2
（）
2+2+2γ41(Exyz+Eyxz)+2γ63EZxy=15
n0ne

当只在KD*P晶体光轴z方向加电场时上式变成：

x2+y2z2
（）
2+2+12γ63Ezxy=6
n0ne

经坐标变换，可求出此时在三个感应主轴上的主折射率：

13
nx'=n−nγE
02063z

13
n'=n+nγEn'=n（7）
y02063zze
*
上式表明，在Ez作用下KDP变为双轴晶体，折射率椭球的xy截面有圆变为椭圆，椭圆的长短轴

‘’0
方向x、y相对于原光轴x、y转了45，转角大小与外加电场大小无关，长、短半轴的长度即n'
y

和。由上式可看出它们的大小与E成线性关系，电场反向时长短轴互换，见图2。
nx'z

*
图2.KDPγ63纵向效应

当光沿KD*P光轴z方向传播时，在感应主游x‘、y’两方向偏振的光波分量，由于此时晶体

在这两者方向上的折射率不同，经过长度为l的晶体后产生位相差：

3
2π2π
δ=()n'−n'l=γV（8）
λyxλ63x

式中Vz=Ezl为加在晶体z向两端的直流电压。

πλ
使光波两个分量产生位相差所需要加的电压，称为“电压”，以Vπ表示，即
242
λ
Vπ=（9）
23
4n0γ63

*−12*
KDP晶体的