加壓式調(diào)Q固體脈沖激光器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建

杜 丹，夏 騰

長(zhǎng)春中國(guó)光學(xué)科學(xué)技術(shù)館，吉林長(zhǎng)春 130117

加壓式調(diào)Q固體脈沖激光器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建

杜 丹，夏 騰

長(zhǎng)春中國(guó)光學(xué)科學(xué)技術(shù)館，吉林長(zhǎng)春 130117

激光調(diào)Q技術(shù)是通過(guò)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(shù)。諧振腔Q值是用來(lái)描述激光器諧振腔光學(xué)損耗大小的量。若想獲得峰值功率高于兆瓦、脈寬為數(shù)十個(gè)納秒的激光巨脈沖可以利用調(diào)Q技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。文章主要研究加壓式固體脈沖激光器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是如何搭建的，包括激光器工作物質(zhì)的選擇、諧振腔的選擇、晶體的選擇、電源的選擇問(wèn)題等等。

加壓式調(diào)Q；固體脈沖激光器；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1 緒論

實(shí)現(xiàn)調(diào)Q的方法可分為兩種：被動(dòng)法及主動(dòng)法。被動(dòng)法是靠激光器本身完成諧振腔Q值的變化。而主動(dòng)法是由外部機(jī)械或電子學(xué)信號(hào)使諧振腔Q值發(fā)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(diào)Q是主動(dòng)調(diào)Q的一種，可分為加壓式及退壓式兩種，在退壓式的開(kāi)關(guān)中，將調(diào)制電壓/4加到晶體中，兩次通過(guò)電光晶體之后的經(jīng)由激光棒透過(guò)起偏器的P線偏振光，偏振面偏轉(zhuǎn)之后變成S光，被反射到諧振腔外，此時(shí)激光器所處的狀態(tài)是高損耗關(guān)門(mén)，假如我們突然撤銷(xiāo)晶體上的調(diào)制電壓，開(kāi)關(guān)就會(huì)迅速打開(kāi)，接通振蕩光路，從而輸出比較強(qiáng)的短脈沖激光振蕩。加壓式電光開(kāi)關(guān)與其的不同點(diǎn)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(guān)門(mén)的狀態(tài)，再旋轉(zhuǎn)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(huì)相互抵消，此時(shí)再接通光路，就會(huì)產(chǎn)生短脈沖激光。

晶體再外電場(chǎng)的作用下內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，從而使其折射率產(chǎn)生變化，稱(chēng)為光彈效應(yīng)，形變不會(huì)因高壓在晶體上瞬間退去而立刻消除，晶體電光調(diào)制的損耗不能瞬間消除，這個(gè)消除的過(guò)程是漸變的。因?yàn)橛泄鈴椥?yīng)的存在，使得巨脈沖的建立時(shí)間小于損耗衰減時(shí)間，Q開(kāi)關(guān)激光器的輸出性能就會(huì)受其影響而降低。比較而言，采用加壓式Q開(kāi)關(guān)電路，就不會(huì)有光彈效應(yīng)的影響。這也是為什么研究加壓式電光調(diào)Q的意義所在。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建

2.1 激光器結(jié)構(gòu)

光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如上圖所示，其中，1.半導(dǎo)體準(zhǔn)直光源（650nm）；2.小孔光闌（Φ2）；3.全反鏡（曲率半徑3m，鍍膜對(duì)1064nm的反射率R=99.8%；(Φ20)）；4.λ/4波片；5.KD*P Q開(kāi)關(guān)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(zhì)Φ20）；9.Q開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路盒（110*39*55）。

整套系統(tǒng)是采用一個(gè)加固了鑄鐵三角形導(dǎo)軌的750mm光具座，所有器件都放在馬蹄形滑塊上。三角形導(dǎo)軌采用了精密研磨的工藝，以此來(lái)保證本套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)較高的穩(wěn)定性和精密度。三角導(dǎo)軌750mm×55mm×45mm。機(jī)殼的整體設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)底腳在制作過(guò)程中設(shè)有鎖緊系統(tǒng)，這使本套系統(tǒng)能方便的固定在光學(xué)平臺(tái)上，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。整機(jī)的體積為800mm（L） × 240mm（W）×80mm（H）。

本套系統(tǒng)的所有組成器件均按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定規(guī)格制造的。這種標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的部件設(shè)計(jì)，有利于各部件間相互通用和部件出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)的更換及維修的便利。便于激光器的組裝調(diào)試。

1）工作物質(zhì)的選擇。

為了獲得較好的調(diào)Q結(jié)果，不僅要有高質(zhì)量的電光晶體，而且對(duì)激光工作物質(zhì)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(chǔ)能密度高的性能，也就是激光上能級(jí)能積累大量的粒子，故要求受激輻射截面要小，即上能級(jí)的壽命長(zhǎng)，譜線教寬，這樣可防止或者減弱超輻射的發(fā)生。此外，還要有較高的抗強(qiáng)光破壞閾值，能承受較高的激光功率密度，常用的工作物質(zhì)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?yàn)樗撬哪芗?jí)系統(tǒng)，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(xù)或重頻的器件是因其具有優(yōu)秀的熱學(xué)性能。Nd3+∶YAG是唯一實(shí)用的在室溫下連續(xù)工作的固體工作物質(zhì)?，F(xiàn)今在中小功率脈沖器件中利用其它的固體工作物質(zhì)的量是無(wú)法和Nd3+：YAG比擬的。因此本實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。在這樣的條件下，利用光線來(lái)反射成像已經(jīng)不是聚光的作用來(lái)，而是利用燈光直接來(lái)照射，還有就是利用聚光器內(nèi)空間的高光能密度來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以聚光器的形狀與加工精密度是無(wú)關(guān)緊要的。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作起來(lái)容易，體積小，效率高等等這些都是緊包式聚光器的優(yōu)點(diǎn)。而棒內(nèi)光照不均勻還有不利散熱則就是它的缺點(diǎn)。主要應(yīng)用在小能量，小功率和低重復(fù)率的小型器件中。本實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)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(duì)準(zhǔn)穩(wěn)定性是最好的因此本實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)為4250mm。

2.2 電光晶體的選擇

選擇電光晶體材料時(shí)，應(yīng)考慮以下幾個(gè)技術(shù)指標(biāo)：要有較高的消光比、透過(guò)率、抗破壞閾值，要低的半波電壓、同時(shí)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(dǎo)軌兩側(cè)，電源設(shè)計(jì)直接從激光器后面引出。采用此種設(shè)計(jì)，不光解決了某些由水電路在一起而引起的短路問(wèn)題，還有利于本套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)可移動(dòng)性的要求。

冷卻系統(tǒng)采用去離子水作為冷卻液。具有以下的優(yōu)點(diǎn)：粘度較低，化學(xué)低穩(wěn)定性較好，比熱還有熱導(dǎo)率比較高，以及不容易被紫外線輻射分解等等。通過(guò)過(guò)濾和經(jīng)常換水可以達(dá)到實(shí)用效果。本套系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)采用全腔整體冷卻，優(yōu)點(diǎn)就是是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(huì)更好。

其中，水泵的揚(yáng)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(kāi)關(guān)型脈沖激光電源。

3 結(jié)論

本文針對(duì)加壓式調(diào)Q固體脈沖激光器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組建，闡述了如何選擇試驗(yàn)系統(tǒng)的工作物質(zhì)、聚光腔、諧振腔、電光晶體。同時(shí)也分析了電源和水冷系統(tǒng)的選擇問(wèn)題。

[1]藍(lán)信鉅.激光技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社，2001.

[2]冷長(zhǎng)庚.固體激光[M].北京：科學(xué)出版社，1981：87，89-90.

[3]馬養(yǎng)武.陳鈺清.激光器件[M].浙江：浙江大學(xué)出版社，2002：126.

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1674-6708（2015）148-0036-01