新電光調(diào)Q激光器的輸出特性.ppt

電光Q開關(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?實(shí)驗(yàn)原理 1 6 5 4 3 2 目錄 簡(jiǎn)介 固體激光器的應(yīng)用主要集中在科研與開發(fā) 加工 醫(yī)療和軍用等四個(gè)方面 在科研與開發(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開關(guān)原理 他非常形象地解釋 把Q開關(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 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) 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) 后的巨脈沖 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1 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) 原理和方法 通過(guò)某種方法 在光泵激勵(lì)剛開始時(shí) 先使光腔具有高損耗 H 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 L 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?在輸出端有一個(gè)強(qiáng)的激光巨脈沖輸出 目前的調(diào) 技術(shù) 電光調(diào) 主動(dòng)調(diào) 電光調(diào) 開關(guān)通常也稱為普克爾盒開關(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)振蕩光路的開關(guān)作用 線性電光開關(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 電光開關(guān) 這種開關(guān)又分為退壓和加壓兩種工作方式 下圖為退壓式電光開關(guān) 電光晶體施加 調(diào)制電壓 由棒透過(guò)起偏器的 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 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 開關(guān)迅速打開 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) 示意圖 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 一直加大電壓直到電壓加到波形無(wú)法調(diào)沒為止 此即說(shuō)明電光Q開關(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開關(guān) 打開 的延遲時(shí)間 即從氙燈點(diǎn)燃開始延遲一段時(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 開關(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 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 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 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 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V 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)打開電源箱外殼 以防剩余