加壓式調Q固體脈沖激光器實驗系統的搭建

杜 丹，夏 騰

長春中國光學科學技術館，吉林長春 130117

加壓式調Q固體脈沖激光器實驗系統的搭建

杜 丹，夏 騰

長春中國光學科學技術館，吉林長春 130117

激光調Q技術是通過改變激光器的諧振腔Q值，從而提高激光器輸出功率壓縮激光脈沖的寬度的技術。諧振腔Q值是用來描述激光器諧振腔光學損耗大小的量。若想獲得峰值功率高于兆瓦、脈寬為數十個納秒的激光巨脈沖可以利用調Q技術來實現。文章主要研究加壓式固體脈沖激光器的實驗系統是如何搭建的，包括激光器工作物質的選擇、諧振腔的選擇、晶體的選擇、電源的選擇問題等等。

加壓式調Q；固體脈沖激光器；實驗系統

1 緒論

實現調Q的方法可分為兩種：被動法及主動法。被動法是靠激光器本身完成諧振腔Q值的變化。而主動法是由外部機械或電子學信號使諧振腔Q值發生變化。兩種方法都要求諧振腔Q值變化迅速及變化的幅度大。

電光調Q是主動調Q的一種，可分為加壓式及退壓式兩種，在退壓式的開關中，將調制電壓/4加到晶體中，兩次通過電光晶體之后的經由激光棒透過起偏器的P線偏振光，偏振面偏轉之后變成S光，被反射到諧振腔外，此時激光器所處的狀態是高損耗關門，假如我們突然撤銷晶體上的調制電壓，開關就會迅速打開，接通振蕩光路，從而輸出比較強的短脈沖激光振蕩。加壓式電光開關與其的不同點是放入一塊λ/4波片在晶體和偏振片的中間，為使激光器處于關門的狀態，再旋轉λ/4波片，給晶體上加上λ/4的電壓，λ/4波片的作用和電光晶體就會相互抵消，此時再接通光路，就會產生短脈沖激光。

晶體再外電場的作用下內部會產生機械應力，從而使其折射率產生變化，稱為光彈效應，形變不會因高壓在晶體上瞬間退去而立刻消除，晶體電光調制的損耗不能瞬間消除，這個消除的過程是漸變的。因為有光彈效應的存在，使得巨脈沖的建立時間小于損耗衰減時間，Q開關激光器的輸出性能就會受其影響而降低。比較而言，采用加壓式Q開關電路，就不會有光彈效應的影響。這也是為什么研究加壓式電光調Q的意義所在。

2 實驗系統的搭建

2.1 激光器結構

光學系統結構示意圖如上圖所示，其中，1.半導體準直光源（650nm）；2.小孔光闌（Φ2）；3.全反鏡（曲率半徑3m，鍍膜對1064nm的反射率R=99.8%；(Φ20)）；4.λ/4波片；5.KD*P Q開關晶體(Φ12*40)；6.偏振片(Φ30*5)；7.聚光腔（聚四氟乙烯材料）激光棒Φ6*114（兩端鍍1064nm增透膜）、脈沖氙燈Φ7*100）；8.輸出鏡（K9玻璃材質Φ20）；9.Q開關驅動電路盒（110*39*55）。

整套系統是采用一個加固了鑄鐵三角形導軌的750mm光具座，所有器件都放在馬蹄形滑塊上。三角形導軌采用了精密研磨的工藝，以此來保證本套實驗系統較高的穩定性和精密度。三角導軌750mm×55mm×45mm。機殼的整體設計中，系統底腳在制作過程中設有鎖緊系統，這使本套系統能方便的固定在光學平臺上，增加系統的穩定性。整機的體積為800mm（L） × 240mm（W）×80mm（H）。

本套系統的所有組成器件均按照標準設定規格制造的。這種標準化和模塊化的部件設計，有利于各部件間相互通用和部件出現問題時的更換及維修的便利。便于激光器的組裝調試。

1）工作物質的選擇。

為了獲得較好的調Q結果，不僅要有高質量的電光晶體，而且對激光工作物質除了一般的要求以外，還要有一些新的要求。首先就是具備儲能密度高的性能，也就是激光上能級能積累大量的粒子，故要求受激輻射截面要小，即上能級的壽命長，譜線教寬，這樣可防止或者減弱超輻射的發生。此外，還要有較高的抗強光破壞閾值，能承受較高的激光功率密度，常用的工作物質有紅寶石、摻女釔鋁石榴石及釹玻璃基本滿足以上要求。

Nd3+∶YAG的閾值比紅寶石和釹玻璃要低的多，那是因為它是四能級系統，并且量子效率較高還有就是受激輻射的截面比較大。Nd3+∶YAG晶體非常適合制作連續或重頻的器件是因其具有優秀的熱學性能。Nd3+∶YAG是唯一實用的在室溫下連續工作的固體工作物質。現今在中小功率脈沖器件中利用其它的固體工作物質的量是無法和Nd3+：YAG比擬的。因此本實驗選用Φ6*114的Nd3+∶YAG激光棒。

2）聚光器的選擇。

燈與棒靠的很近，聚光器橫截面尺寸略大于燈與棒的直徑之和，這是緊包式聚光器的特點。在這樣的條件下，利用光線來反射成像已經不是聚光的作用來，而是利用燈光直接來照射，還有就是利用聚光器內空間的高光能密度來實現，所以聚光器的形狀與加工精密度是無關緊要的。結構簡單，制作起來容易，體積小，效率高等等這些都是緊包式聚光器的優點。而棒內光照不均勻還有不利散熱則就是它的缺點。主要應用在小能量，小功率和低重復率的小型器件中。本實驗選用的是聚四氟乙烯緊包式聚光腔（196×106 mm）

3）諧振腔選擇。

常用的諧振腔結構有等曲率反射鏡諧振腔、平凹諧振腔、凹凸諧振腔、平行平面諧振腔。其中，平凹腔在所有諧振腔中，接近半工心諧振腔的對準穩定性是最好的因此本實驗選用平凹腔，全反鏡的曲率半徑為3m，反射率為99.8%，輸出鏡選用反射率為*%的K9玻璃。腔長為4250mm。

2.2 電光晶體的選擇

選擇電光晶體材料時，應考慮以下幾個技術指標：要有較高的消光比、透過率、抗破壞閾值，要低的半波電壓、同時晶體要防潮。

2.3 激光電源

將水路和電路分別放置于三角導軌兩側，電源設計直接從激光器后面引出。采用此種設計，不光解決了某些由水電路在一起而引起的短路問題，還有利于本套實驗系統對可移動性的要求。

冷卻系統采用去離子水作為冷卻液。具有以下的優點：粘度較低，化學低穩定性較好，比熱還有熱導率比較高，以及不容易被紫外線輻射分解等等。通過過濾和經常換水可以達到實用效果。本套系統的冷卻系統采用全腔整體冷卻，優點就是是結構簡單、緊湊還有效率較高。冷卻液與激光棒、燈還有泵浦腔反射面直接接觸的話，冷卻效果會更好。

其中，水泵的揚程為5m，電壓為220V，頻率為50/60Hz，電流為0.45A，輸入功率為45W。水箱的尺寸為300mm×350mm×450mm。

電源選用的是MC-10開關型脈沖激光電源。

3 結論

本文針對加壓式調Q固體脈沖激光器實驗系統的組建，闡述了如何選擇試驗系統的工作物質、聚光腔、諧振腔、電光晶體。同時也分析了電源和水冷系統的選擇問題。

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1674-6708（2015）148-0036-01