摘 要

本文利用晶体的电光效应设计电光调Q开关，利用Z型切割KDP晶体的纵向电光效应实现旋光，利用布儒斯特窗起偏检偏，分析了Q开关的性能和调Q前后激光脉冲的特性，并分析影响旋光度和起偏检偏效果的因素。

实验分析用于Nd-YAG激光器KDP电光Q开关的通路、断路特性，及其动态控制时对输出激光脉冲特性的影响。获得脉宽压缩两个数量级，峰值功率提高了两个数量级的调Q效果。调Q后最小脉冲宽度为1.78，最高峰值功率为106.01kW。

研究结果表明：当KDP晶体加上3700V电压，延迟时间为240时，可获得最佳调Q效果，调Q前后脉宽分别为168.4、1.78，调Q前后峰值功率分别为1.44kW、106.1kW。

本文的特色：分析并测量KDP电光Q开关的作用结果，获得最佳调Q效果。

关键词：电光效应；电光Q开关；动静比；调Q激光

Abstract

In this paper, the electro-optic Q-switch is designed by using the electro-optic effect of the crystal, and the longitudinal electro-optic effect of Z-cut KDP crystal is used to realize the optical rotation. By using the Brewster window, the performance of the Q-switch and the characteristics of the laser pulse before and after Q-switching are analyzed. The factors that affect the optical rotation and the effect of polarization detection are analyzed.

The influence of the path, the open circuit characteristics and the dynamic control on the output laser pulse characteristics of the KDP electro-optic Q-switch used in Nd-YAG laser is analyzed experimentally. Two orders of magnitude of pulse width compression and two orders of magnitude increase of peak power are obtained. The minimum pulse width is 1.78 and the maximum peak power is 106.01 kW after Q-switched.

The results show that the optimal Q-switching effect can be obtained when the KDP crystal is added with 3700V voltage and the delay time is 240. The pulse width before and after Q-switching is 168.4、1.78 and the peak power before and after Q-switching is 1.44kW、106.1kW respectively.

The characteristics of this paper are as follows: the effect of KDP electro-optic Q switch is analyzed and measured, and the optimum Q-switching effect is obtained.

Key Words：Electro-optic effect；electro-optic Q-switch；ratio of Q-switching to free running；Q-switched laser

目 录

第1章 绪论 1

1.1 激光电光调Q 1

1.2 电光调Q研究现状 1

1.3 研究内容 2

第2章KDP电光调Q开关 3

2.1 晶体电光效应与电光系数 3

2.2 常用电光晶体 4

2.2.1 常用电光晶体参数 4

2.2.2 晶体电光性能比较 5

2.3 KDP晶体物理性质 5

2.3.1 KDP晶体的电光系数 5

2.3.2 KDP晶体的折射率 5

2.4 KDP晶体电光效应 6

2.4.1电致折射率的变化 6

2.4.2电光相位延迟 7

2.5 KDP晶体Q开关 8

2.5.1 KDP晶体Q开关结构与基本理论 8

2.5.2 KDP晶体旋光 11

2.5.3 布儒斯特窗起偏 13

2.5.4 KDP晶体Q开关损耗与动静比 14

2.5.5 KDP晶体Q开关匹配液 15

第3章 KDP电光开关调Q 16

3.1 KDP调Q激光器结构 16

3.1.1 调Q模块 16

3.1.2 Nd-YAG激光器模块 17

3.2调Q效果实验分析 18

3.2.1 实验内容 18

3.2.2 实验数据记录与分析 18

第四章 结论与展望 23

参考文献 24

致 谢 26

第1章 绪论

1.1 激光电光调Q

1960年，T.Maiman用红宝石作为激光工作物质，制成了世界上第一台激光器，虽然它的运转时间极其短暂，仅持续了三亿分之一秒，但仍是激光技术发展的一次巨大突破^[1]。调Q技术的出现和发展是高峰值功率激光发展史上重要的突破性进展。对激光的能量进行压缩，从而获得高峰值功率窄脉冲输出，一般可使光源的峰值功率提高几个数量级。1962年McClung利用硝基苯克尔盒实现了能量存储后快速释放的方法获得高峰值功率的脉冲激光^[3]。调Q技术出现至今，发展迅速，可以实现兆瓦级（）的脉冲峰值功率和纳秒级（）的脉宽。高峰值功率激光在诸多领域有着重要的应用。这种强相干辐射光与物质相互作用产生一系列意义重大的新现象，如非线性光学出现，同时推动了诸如激光测距、激光雷达、高速全息照相等应用技术的发展^[4]。

本文利用电光调Q将Nd-YAG激光器输出的激光能量压缩到极窄的脉冲中发射，从而获取脉冲能量高峰值功率窄脉冲。

1.2 电光调Q研究现状

利用晶体的电光效应可以做成电光Q开关器件。电光调Q技术具有开关时间短、效率高、脉冲输出稳定、调Q时刻可以精确控制、腔内损耗低等优点，输出激光的峰值功率高（几十以上）。由于电光调Q激光系统具有峰值功率高的特点，被广泛应用于激光精密加工、测量、医疗以及军工等领域。目前，电光Q开关在军工领域应用的工作频率在30Hz以下，董潮涌等人采用预偏置电光调Q，获得了可工作在重复频率50Hz下的LN调Q开关，峰值功率可达15MW，脉宽约为6ns^[6]。2017年，中国科学院福建物质结构研究所公开了用于激光医疗领域的一种波长可变的电光调Q可调谐激光器。高重复频率双波长电光调Q激光器在激光测距中有种重要的应用，沈兆国等人利用LD侧面泵浦技术和内腔差频方式，获得了和的双波长激光输出^[7]。为了解决在机载环境下激光器产生的机械形变和热力效应，闫雪静等人设计了一种结构紧凑的电光调Q激光器，输出激光脉宽为，峰值功率为，能量不稳定度^[8]。

电光调Q晶体是获得高峰值功率激光脉冲输出的核心光电材料，为了推动激光调Q系统的发展，获得高重复频率、大功率窄脉冲，对电光调Q晶体的性能要求也不断提高。目前被广泛使用的电光调Q晶体为LN晶体和DKDP晶体，BBO晶体、RTP晶体、LGS晶体也可用于电光调Q，但都存在难以解决的性能问题：

（1）为提高晶体抗光折变性能，对晶体进行掺杂，但掺杂后的晶体的光学质量下降，故未被广泛应用。

（2）增加晶体通光方向的长度有利于获得均匀电场，但是大尺寸、高质量的电光晶体生长困难。

（3）晶体的半波电压高、温度性能不稳定和插入损耗大。

目前，对电光调Q晶体材料的研究仍然没有取得突破性的进展^[4]。为获得激光损伤阈值高、电光系数高、温度适用性高、性能稳定和成本低的电光晶体材料，仍需在电光晶体材这一领域进行不断的研究。

1.3 研究内容

研究内容：

第一章介绍电光调Q的背景及研究现状。

第二章利用晶体的电光效应设计电光开关。主要工作如下：

1. 分析电光晶体的物理、电光特性，选择具有透过波段宽、较大电光系数和高损伤阈值的晶体作为本次调Q晶体。
2. 分析KDP晶体的电光效应，以及晶体的加压方式；分析KDP晶体对旋光度的影响，经计算得出半波电压。
3. 分析布儒斯特窗的起偏和检偏、能量损耗和入射角对Q开关断路的影响，确立布儒斯特窗的最佳工作状态。

第三章实现电光调Q，分析调Q前后激光脉冲的变化情况。通过实验确立最佳延迟时间，分析调Q电压、泵浦电压和延迟时间对输出激光脉冲的影响。

第四章得到最佳调Q脉冲且与理论值比较，分析开关性能、激光特性及电光晶体与激光的耦合情况。分析误差原因，提出改进方案。

第2章KDP电光调Q开关

2.1 晶体电光效应与电光系数

介质折射率分布会对光波在介质中的传播规律产生影响，介质折射率的分布与介电常量密切相关。晶体的介电常量受晶体中的电荷分布的影响，当晶体加上电压后，将引起束缚电荷的重新分布，其结果将引起介电常量的变化，最终导致晶体折射率的变化，所以折射率是外加电场E的函数，即：

（2.1）

在式（2.1）中，和h为常量，是未加电场时的折射率，由所引起的折射率变化，称为线性电光效应；由引起的折射率变化，称为二次电光效应。在大多数电光晶体材料中，一次效应比二次效应更显著，可略去二次项。

式（2.1）中所引入的系数称为线性电光系数，其是一个三阶极张量。表征感应极化强弱的6×3矩阵称为电光张量，每个元素的值由具体的晶体决定，电光系数矩阵如下

（2.2）

在电光晶体未加外电场时，主轴坐标系中晶体折射率椭球方程可以描述为：

（2.3）

式中，x，y，z为介质主轴方向，晶体内沿着x，y，z主轴方向的电位移D和电场强度E是互相平行的；、和为折射率椭球的主折射率。

当电光晶体施加电场后，其折射率椭球就发生“变形”，椭球方程变为：

（2.4）

对比（2.3）和（2.4）可知，由于外加电场的作用，折射率椭球各系数（1/）随之发生线性变化，即电光晶体的电光效应方程为：

（2.5）

其中，、和是电场沿x，y，z方向的分量。

2.2 常用电光晶体

2.2.1 常用电光晶体参数

常用电光晶体有KDP、RTP、BBO和LN，其参数性能如下：

表2.1 常用晶体化学式

表2.2常用晶体性能参数

表2.3 常用晶体电光电光性能参数

2.2.2 晶体电光性能比较

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：