声光调Q技术

声光调Q技术

一．实验目的

（1） 观察声光相互作用现象――布拉格衍射

（2） 熟悉，掌握连续YAG激光器声光调Q技术及调试方法。 （3） 测试声光调Q输出特性。

二．实验原理

（1） 声光布拉格衍射器件

（图一）为典型的声光Q开关原理结构图。它主要由三部分组成：

1 电声转换器，本实验采用切割石英晶片。尺寸为10X25X0.07(mm); 也可以采用LiNbO3晶片作材料。晶片两面加有电极片，以引入调制高频电压。产生布拉格衍射的高频超声为40mc, 高频电源最大输出功率大于50W，调制脉冲频率从1KHz到50KHz，分档可调，以适应重复率的不同要求；调制脉宽为4～10us。

2 声光介质。采用溶石英为材料，它有适当的声光衍射效率，又能够承受强光照射，在1.06um连续激光使用时，是比较理想的材料。当通光长度L＝25mm时，每瓦超声功率可产生约1％的衍射效率。

3.吸声材料。采用硅橡胶，涂在溶石英的底面与两侧，其作用是避免声波反射。保证工作于行波状态。

B （1）电声转换器

Ii Id

2θB （2）声光介质

(3)吸声材料

（图一）声光Q开关原理 M2 Q开关 YAG M1

T～12％ 输出

P.D L1 L2 （图二）YAG连续声光调Q激光器

（2） 声光调Q激光器工作

图二为声光调Q激光器实用光路图

为了补偿YAG棒的热透镜效应，采用平凸腔结构。详细计算表明，当热透镜焦距f0=0.5m时（相当于氪灯泵浦电流16～18A）若调节腔长L1=366mm,L2=250mm,能得到良好的热透镜补偿。若采用优秀的泵浦灯，加上防震等措施后，输出光强稳定性可优于±3％

声光调Q的原理简述如下：如图一所示，当传声介质中有高频（40MC）超声行波传播时，由于布拉格衍射，入射光Ii的一部分偏离到布拉格角Id的方向。偏角θB由布拉格公式决定：2λsSinθB=λ0/n=λ

代入以下的数据：声速VS＝5.97KmS；声频fs=40MC;折射率n＝1.46；真空波长λ0＝1.06um.求得θB＝0.1390

衍射效率Id（L）/Ii(0)＝Sin2（ηL）=sin2(

LPM) 20h3

式中，P为超声功率，M为声光品质因素，M=n6p2/ρVS. n,p,ρ分别表示材料的折射率，光弹性系数和密度。L/h为换能器长宽比，λ0为真空波长。如果衍射光Id 占的百分比足够大，则可能使光腔的总损耗大于小讯号增益，此时，振荡停止，激活介质（YAG棒）借助光泵浦积累粒子数的反转。在某一个时刻，如果去掉超声行波，则由于激活介质有很高的储能，所以，产生强的振荡脉冲――即声光调Q脉冲。此脉冲由M2输出，由碳斗功率计测量；同时，可由P－I－N光电二极管（PD）和100Mc示波器在背后观察并测量调Q脉冲波形和脉宽。（调Q脉宽约为0.4us） 三 实验内容

（1） 观察布拉格衍射现象

（2） 调整光路，使YAG连续激光器工作

（3） 观测不同重复率fr下的调Q脉冲的宽度τ，峰值功率Pp,平均功率Pa,画出相应

的曲线

四，实验方法提示

下图表示实验仪器及光路安排 声光电源 同步输出 100MC 示波器

M2 YAG 碳斗 小孔 He-Ne 声光Q开关 Kr灯 连续YAG Kr灯电源 碳斗功率计 He Ne电源 （图三）实验装置方框图

（1） 观察布拉格衍射现象

1） 移走光电检测器P.D，以及碳斗，让He－Ne光照射到白墙壁上。 2） 接通声光电源（超作详见说明书）。观察衍射光斑亮度随输出电源功率的变化。

最后关上高压电源，置入PD

（2） YAG激光器的调试

1） 利用HeNe激光器准直腔内的各个元件，使所有反射面在光屏上的反射象重合在

小孔上。

2） 移入碳斗，启动氪灯电源，泵灯电流从2安左右缓慢上升（手调）到14安，在

过程中，同时观察P.D的指示电表，记下开始出激光时的阈值泵浦电流，必要时进一步微调反射镜M1（或M2），使同样的泵浦电流下激光输出功率最大

（3） 声光调Q动态实验

1） 如图三所示，把声光信号电源的调制讯号经由同步输出端接到100Mc示波器输入

端子Y1（示波器Y衰减器置于0.1Mt），测量并记下不同档（1,2,5,10,20,40Kc）的调制讯号波形及重复率。

2） 把PD输出循环接到示波器Y2输出端，先证声光电源仅有高频（40Mc）等幅振

荡输出（旋纽置于‘单次’）；这时，由于持续的声光衍射，无激光输出。指示电表示数为零）随着声光输出信号的关断与开启，（用‘短路’开关控制）激光输出应立即出现或消失。

3） 加上声光调制讯号后（把‘工作方式’旋纽置于‘内’同步档），激光器进入调

Q状态。把示波器扫描置于1us/div档，用双线示波器同时观察调Q脉冲及调制讯号波形（用’ADD’模） 4） 改变调Q的调制重复率，（1，2，5，10，20，40Kc）分别侧其调Q巨脉冲脉宽

τ（半功率点宽度），同时，利用碳斗功率计测量平均输出功率Pa. 5） 利用以上得到的数据计算并画出Pp,Pa, τ与重复率fr的关系曲线。

五，注意事项

（1） 本实验特别需要注意安全！尤其示眼睛的保护。任何情况下，决不能让眼睛 沿着

光路进行观察！

（2） 实验前，需要对各台仪器的基本原理及超作步骤有详细的了解；并且，有在教师

的指导下进行各种观察和测量。