電光Q開(kāi)關(guān)技術(shù)實(shí)驗(yàn)課件電光調(diào)Q實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟實(shí)驗(yàn)裝置及儀器

實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)原理165432目錄簡(jiǎn)介

固體激光器的應(yīng)用主要集中在科研與開(kāi)發(fā)、加工、醫(yī)療和軍用等四個(gè)方面。在科研與開(kāi)發(fā)方面，涉及面很廣，包括作核聚變研究用的高峰值功率激光器系統(tǒng)、作光譜研究和新材料開(kāi)發(fā)用的超短脈沖激光器和可調(diào)諧激光器、作脈沖全息攝影用的紅寶石激光器、作高速攝影用的超短脈沖激光器、測(cè)量人造地球衛(wèi)星軌跡和月球表面用的高精度激光測(cè)距儀、遙感用的激光雷達(dá)等等。

一般固體脈沖激光器由于存在馳豫振蕩現(xiàn)象，輸出激光為一無(wú)規(guī)尖峰脈沖序列，其總的脈沖寬度持續(xù)幾百微秒甚至幾毫秒，峰值功率也只有幾十千瓦的水平，遠(yuǎn)不能滿足以上應(yīng)用要求，正是在這些要求的推動(dòng)下，人們研究和發(fā)展了調(diào)Q技術(shù)。

激光問(wèn)世不久，1961年就有人提出了調(diào)Q的概念，即設(shè)想采用一種方法把全部光輻射能壓縮到極窄的脈沖中發(fā)射；1962年，制成了第一臺(tái)調(diào)Q激光器，輸出峰值功率為600千瓦，脈沖寬度為10-7s量級(jí)；隨后的幾年發(fā)展得非?？?，出現(xiàn)了多種調(diào)Q方法（如電光調(diào)Q、聲光調(diào)Q、可飽和吸收調(diào)Q等），輸出功率幾乎呈直線上升，脈寬壓縮也取得了很大進(jìn)展。80年代，調(diào)Q技術(shù)產(chǎn)生脈寬為納秒（ns）量級(jí)，峰值功率為吉瓦（GW）量級(jí)的巨脈沖已并非困難。

1961年底，鄧錫銘幾乎與國(guó)外同時(shí)，獨(dú)立提出了高功率激光Q開(kāi)關(guān)原理。他非常形象地解釋：把Q開(kāi)關(guān)比喻為一個(gè)稍有漏水(自發(fā)輻射躍遷)的抽水馬桶，當(dāng)水箱被灌(光泵注入能量)滿之后水箱底部的蓋快速揭開(kāi)(Q值突變)，水(激光能量)就一涌而出(激光峰值功率輸出)。采用調(diào)Ｑ技術(shù)很容易獲得峰值功率高于兆瓦、脈寬為數(shù)十個(gè)納秒的激光巨脈沖。

調(diào)Q技術(shù)的出現(xiàn)是激光發(fā)展史上的一個(gè)重大突破。它不僅大大推動(dòng)了一些應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展且成為科學(xué)研究的有力工具。鄧錫銘在示波器上觀察的調(diào)Ｑ后的巨脈沖實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、理解電光調(diào)Q的基本原理；2、了解退壓式電光調(diào)Q的原理及方法；3、學(xué)會(huì)電光Q開(kāi)關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置的調(diào)試；4、掌握相關(guān)技術(shù)參數(shù)的測(cè)試方法。實(shí)驗(yàn)原理調(diào)Ｑ原理和方法

通過(guò)某種方法，在光泵激勵(lì)剛開(kāi)始時(shí)，先使光腔具有高損耗δH,激光器由于處于高閾值而不能產(chǎn)生振蕩，于是激光上能級(jí)亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)可以積累到較高的水平。當(dāng)其粒子數(shù)積累到相應(yīng)于泵浦而言最大值時(shí)，使腔的損耗突然降低到δL，閾值也隨之突然降低。此時(shí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大大超過(guò)閾值，受激輻射極為迅速地增強(qiáng)。于是在極短時(shí)間內(nèi)，上能級(jí)貯存的大部分粒子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饽芰浚谳敵龆擞幸粋€(gè)強(qiáng)的激光巨脈沖輸出。

?n?nt’?ni?nt?n目前的調(diào)Ｑ技術(shù)聲光調(diào)Ｑ

轉(zhuǎn)鏡調(diào)Ｑ

染料調(diào)Ｑ

……電光調(diào)Ｑ電光調(diào)Ｑ（主動(dòng)調(diào)Ｑ）

電光調(diào)Ｑ開(kāi)關(guān)通常也稱為普克爾盒開(kāi)關(guān)，它的基本原理是利用某些單軸晶體的線性電光效應(yīng)，使通過(guò)晶體的光束的偏振狀態(tài)發(fā)生改變，從而達(dá)到接通或切斷腔內(nèi)振蕩光路的開(kāi)關(guān)作用。

線性電光開(kāi)關(guān)基本上又可分為兩類：一類是利用KD*P(磷酸二氘鉀）型晶體的縱向線性電光效應(yīng)，即光束方向及外加電場(chǎng)方向均與晶體光軸同向；另一類是利用LiNbO3（鈮酸鋰）型晶體的橫向線性電光效應(yīng)，即光束與晶體光軸同向，而外加電場(chǎng)方向與光軸及光束方向相垂直。

一般多使用帶起偏器的λ/４電光開(kāi)關(guān)，這種開(kāi)關(guān)又分為退壓和加壓兩種工作方式。下圖為退壓式電光開(kāi)關(guān)，電光晶體施加λ/４調(diào)制電壓，由棒透過(guò)起偏器的Ｐ線偏振光兩次通過(guò)電光晶體后，偏振面正好偏轉(zhuǎn)90°變成Ｓ光，被偏振片反射到腔外，激光器處于高損耗關(guān)門狀態(tài)，當(dāng)突然去掉晶體上的調(diào)制電壓后，開(kāi)關(guān)迅速打開(kāi)，振蕩光路接通，從而產(chǎn)生強(qiáng)的短脈沖激光振蕩輸出。退壓式調(diào)Ｑ示意圖激光電源調(diào)Ｑ模塊輸出鏡全反鏡

YAG晶體棒脈沖氙燈偏振片

電光晶體調(diào)制電壓……損耗高不能振蕩損耗低輸出巨脈沖聚光腔實(shí)驗(yàn)裝置及儀器聚光腔光闌全反鏡電光晶體輸出鏡準(zhǔn)直光源偏振片可存儲(chǔ)示波器能量計(jì)脈沖光電探頭連續(xù)光電探頭短脈沖光電探頭實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、諧振腔的調(diào)試

用LD激光束調(diào)整激光器各光學(xué)元件的高低水平位置，使各光學(xué)元件的對(duì)稱中心基本位于同一直線上。再調(diào)整各光學(xué)元件的俯仰方位，使介質(zhì)膜反射鏡、偏振器、電光晶體的通過(guò)面與激光工作物質(zhì)端面相互平行（即粗調(diào)）。啟動(dòng)電源，在不加晶體電壓情況下，反復(fù)調(diào)整兩塊諧振腔片（即細(xì)調(diào)），使靜態(tài)激光輸出光斑最圓、最強(qiáng)。一般稱不加調(diào)Q元件的激光輸出為靜態(tài)激光；而加調(diào)Q元件的激光輸出為動(dòng)態(tài)激光或巨脈沖激光。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟2、

關(guān)門實(shí)驗(yàn)給電光晶體加上核定的電壓，大約3600V左右。調(diào)節(jié)KD*P晶體時(shí)，應(yīng)首先旋轉(zhuǎn)KD*P晶體，找到波形最小的KD*P晶體位置，將KD*P晶體固定在調(diào)整架上。然后調(diào)節(jié)輸入電壓，從小到大，每隔20V時(shí)，調(diào)節(jié)KD*P晶體的水平和俯仰旋鈕，用脈沖探測(cè)器探測(cè)波形，直至示波器上的脈沖波形調(diào)沒(méi)，一直加大電壓直到電壓加到波形無(wú)法調(diào)沒(méi)為止。此即說(shuō)明電光Q開(kāi)關(guān)已處于光閉狀態(tài)（低Q值狀態(tài)）。注意：調(diào)整過(guò)程中探頭的距離不要太遠(yuǎn)，示波器的伏/格不能太大。4、延時(shí)調(diào)節(jié)

由電光調(diào)Q基本原理可知，要獲得高效率調(diào)Q的關(guān)鍵之一是精確控制Q開(kāi)關(guān)“打開(kāi)”的延遲時(shí)間，即從氙燈點(diǎn)燃開(kāi)始延遲一段時(shí)間，當(dāng)工作物質(zhì)上能級(jí)反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)達(dá)到最大時(shí)，立即“打開(kāi)”開(kāi)關(guān)的效果最好。接通電光晶體的退壓電路，打動(dòng)態(tài)激光，微調(diào)氙燈開(kāi)始泵浦至退去電壓之間的延遲時(shí)間電位器，一面觀察激光強(qiáng)弱，一面微調(diào)延遲電位器旋鈕，直到激光輸出最強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟5、測(cè)量

調(diào)節(jié)好關(guān)門和延時(shí)后，再調(diào)節(jié)全反鏡，使光斑均勻圓整。改變脈沖泵浦能量，用能量計(jì)分別測(cè)量五組靜態(tài)輸出電壓（轉(zhuǎn)換為能量，每組測(cè)3~5個(gè)數(shù)據(jù)）、脈寬、峰值功率；動(dòng)態(tài)輸出能量、脈寬、峰值功率，將靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分別列表。并利用公式分別計(jì)算出在一泵浦能量下的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)激光輸出能量之比實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論1、靜態(tài)閾值電壓：440V探頭參數(shù)：8.4mV/mJ注入電壓（V）注入能量（J）輸出電（mV）平均輸出電壓（mV）輸出能量（mJ）標(biāo)準(zhǔn)差12345500530560590620表1靜態(tài)激光注入能量與輸出能量數(shù)據(jù)表實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論2、動(dòng)態(tài)閾值電壓：480V探頭參數(shù)：8.4mV/mJ注入電壓（V）注入能量（J）輸出電壓（mV）平均輸出電壓（mV）輸出能量（mJ）標(biāo)準(zhǔn)差12345500530560590620表2動(dòng)態(tài)激光注入能量與輸出能量數(shù)據(jù)表注意：表1和2的數(shù)據(jù)可在同一個(gè)注入電壓下同時(shí)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論注入電壓（V）脈寬（ns）平均脈寬（ns）標(biāo)準(zhǔn)差12345500530560590620表3動(dòng)態(tài)激光注入電壓與脈寬關(guān)系實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論注入電壓（V）注入能量（J）靜態(tài)激光能量（mJ）動(dòng)態(tài)激光能量（mJ）動(dòng)態(tài)脈寬度（ns）動(dòng)態(tài)峰功率(MW)動(dòng)靜比500530560590620表4實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總輸出光斑：靜態(tài)動(dòng)態(tài)圖1動(dòng)、靜態(tài)能量輸出曲線圖2動(dòng)靜比曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論實(shí)驗(yàn)結(jié)論：從脈沖寬度、峰值功率、輸出光斑等方面比較動(dòng)態(tài)和靜態(tài)結(jié)果，說(shuō)明調(diào)Q技術(shù)的作用。思考問(wèn)題1.

為什么調(diào)Q時(shí)、增大激光器的腔內(nèi)損

耗的同時(shí)能使用上能級(jí)粒子反轉(zhuǎn)數(shù)

積累增加？試加以說(shuō)明。2.試述改變退壓延遲時(shí)間t0和加在晶體

上的電壓值Vλ/4，為什么會(huì)影響調(diào)Q

激光器的輸出？注意事項(xiàng)

脈沖Nd:YAG激光器輻射的激光功率非常高，使用過(guò)程中稍有不慎，激光束就會(huì)損傷身體或物品，輕則燒壞衣物，燒傷皮膚，重則造成眼睛永久性失明；如果照射到某些危險(xiǎn)物上甚至?xí)鸹馂?zāi)和爆炸。激光器泵浦閃光燈電源、觸發(fā)電源和調(diào)Q電源都使用高壓電，意外觸及可造成人身傷害。因此，在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意以下安全事項(xiàng)：

1、儀器啟動(dòng)后，不準(zhǔn)向激光腔內(nèi)窺視。

2、絕對(duì)禁止直接或反射的激光射入眼內(nèi)，有關(guān)人員應(yīng)配戴激光防護(hù)鏡。

3、嚴(yán)禁學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)打開(kāi)電源箱外殼，以防剩余電壓傷人或損傷儀器。

4、