YAG脉冲激光器泵浦光学参量振荡器的实验系统

摘要

本发明公开了YAG脉冲激光器泵浦光学参量振荡器的实验系统，包括定位于同一光轴中的聚光腔组件、调Q组件、全反镜组件、OPO转换组件、第二输出镜、二倍频镜组件和靶板组件，聚光腔组件、全反镜组件和第二输出镜构成YAG激光器的谐振腔，通电后在YAG激光器的谐振腔中建立激光振荡，调Q组件用于使YAG激光器输出能量集中的短脉冲激光，OPO转换组件内部构成光学参量振荡器的谐振腔，用于在光学参量振荡器的谐振腔中建立指定光学参量的激光振荡，并输出激光，二倍频镜组件用于将激光转换为人眼可分辨的绿光或者红光，靶板组件用于显示绿光或者红光。本实验系统采用模块化设计，操作简单，便于学生掌握光学参量振荡器的结构组成与工作原理。

说明书

技术领域

本发明涉及教学实验系统领域，具体地指YAG脉冲激光器泵浦 光学参量振荡器的实验系统。

背景技术

光学参量振荡(OPO)技术能够产生宽光谱可调谐的相干光输出， 并能将现有的激光波长转换到传统激光器无法达到的波段，其在军事 对抗、大气环境监测、激光雷达以及光谱学研究等诸多领域的有着广 泛应用，是光电专业的学生需要了解和掌握的一项重要的频率调谐技 术。

为了让学生更好的学习光学参量振荡器的相关知识，需要通过实 验手段让学生直观的学习和理解光学参量振荡器的结构组成与工作 原理。但是，目前没有为光学参量振荡器的教学实验而专门设计的实 验系统，现有的实验仪器要么是整体封装好的商业产品，无法向学生 展示光学参量振荡器的内部结构组成，要么是教学人员自己搭建的原 理样机，操作复杂，调节极为耗时，学生很难在实验课时内完成实验 操作。缺乏直观明了、操作简单的实验平台，教学实验难以开展。

发明内容

为了解决目前缺乏光学参量振荡器教学实验平台的问题，本发明 提供一种专为光学参量振荡器教学实验而设计的实验系统，该实验系 统采用模块化设计，操作简单，结构清晰，便于学生了解和掌握光学 参量振荡器的结构组成与工作原理。

为实现上述目的，本发明所设计的YAG脉冲激光器泵浦光学参 量振荡器的实验系统，其特殊之处在于，包括定位于同一光轴中的聚 光腔组件、调Q组件、全反镜组件、OPO转换组件、第二输出镜、二 倍频镜组件和靶板组件，所述聚光腔组件、全反镜组件和第二输出镜 构成YAG激光器的谐振腔，通电后在YAG激光器的谐振腔中建立激 光振荡，所述调Q组件用于使YAG激光器输出能量集中的短脉冲激 光，所述OPO转换组件包括KTP晶体和第一输出镜，所述KTP晶 体与第一输出镜构成光学参量振荡器的谐振腔，用于在光学参量振荡 器的谐振腔中建立指定光学参量的激光振荡，并输出激光，所述二倍 频镜组件用于将激光转换为人眼可分辨的绿光或者红光，所述靶板组 件用于显示绿光或者红光。

进一步地，所述聚光腔组件包括两端开口的腔体、位于所述腔体 上方的氙灯和位于所述氙灯下方光轴上的激光棒，所述氙灯与电源连 接，并通过改变电源电压值调节输出功率。聚光腔组件中封装氙灯和 激光棒作为YAG激光器泵浦源和工作物质。

更进一步地，所述调Q组件包括调Q支座，所述调Q支座上方 设置有调Q晶体，所述调Q晶体通过设置在侧边的旋转轴旋转。调Q 晶体可通过旋转轴调节与激光输出光轴的夹角，也可以完全偏离光 轴，实现调Q和不调Q工作模式的相互转换。

更进一步地，所述OPO转换组件包括两端开口设置的OPO转换 组件支架、KTP晶体、第一输出镜和旋转机构，所述旋转机构位于 OPO转换组件支架的顶部，所述KTP晶体和第一输出镜为一体化结 构，所述KTP晶体和第一输出镜与旋转机构连接，位于所述OPO转 换组件支架的两端开口处。KTP晶体与第一输出镜固化成一体，便于 系统整体调试。KTP晶体与第一输出镜可通过手动调节移入或移出光 轴，完成两种波长激光输出模式的相互转换工作。

更进一步地，所述二倍频镜组件包括二倍频镜支座和倍频晶体， 所述倍频晶体与二倍频镜支座插接配合，所述二倍频镜支座中间形成 穿孔，所述倍频晶体位于二倍频镜支座的穿孔处。二倍频镜组件设计 成可拆卸模式，倍频晶体可方便的插入二倍频镜支座或从支座中取 出，实现激光的正常输出与倍频输出。

更进一步地，所述聚光腔组件、调Q组件、全反镜组件、OPO转 换组件、第二输出镜、二倍频镜组件和靶板组件固定于底座的同一平 面上，所述底座上设置有用于显示电压值的显示器、用于开关电源和 调节电压的控制面板和电源。

更进一步地，所述第一输出镜为1570nm输出镜；所述第二输出 镜为1064nm输出镜。

本发明的原理为：通过全反镜组件、聚光腔组件以及第二输出镜 构成YAG脉冲激光器输出波长为1064nm的激光，移入调Q组件后变 为调Q的YAG脉冲激光器，再将OPO转换组件移入光轴后构成由 YAG脉冲激光器泵浦的光学参量振荡器，输出波长为1570nm的激光， 插入二倍频镜组件后可分别将YAG脉冲激光器和光学参量振荡器输 出的1064nm与1570nm不可见光分别转换为532nm和785nm的绿光 和红光，在靶板组件上显示。

本发明的优点在于：本实验系统采用模块化、可视化设计，可完 成测量YAG脉冲激光器的阈值电压及工作特性、测量调Q状态下 YAG脉冲激光器的激光输出特性、测量调Q状态下YAG脉冲激光器 倍频工作特性、测量光学参量振荡器的阈值、脉冲波形和波长、YAG 脉冲激光器相关的对比实验、OPO的相关对比实验等多种试验，帮助 学生直观地学习和理解光学参量振荡器的结构组成与工作原理。各光 学部件经精密机械定位在同一光轴中，调Q组件、OPO转换组件与二 倍频镜组件具有较高的重复定位精度，可以快速切换系统的工作模式 与光源类别，不必反复调节系统光路，操作简单。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的光路图；

图3为图1中调Q组件的结构示意图；

图4为图1中OPO转换组件的结构示意图；

图5为图1中二倍频镜组件的结构示意图。

其中：聚光腔组件1，腔体1.1，氙灯1.2，激光棒1.3，调Q组件 2，调Q支座2.1，旋转轴2.2，调Q晶体2.3，全反镜组件3，OPO转 换组件4，OPO转换组件支架4.1，KTP晶体4.2，第一输出镜4.3， 旋转机构4.4，第二输出镜5，二倍频镜组件6，二倍频镜支座6.1， 倍频晶体6.2，底座7，显示器8，控制面板9，电源10，靶板组件11。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明YAG脉冲激光器泵浦光学参量振荡器的实 验系统包括定位于同一光轴中的聚光腔组件1、调Q组件2、全反镜 组件3、OPO转换组件4、第二输出镜5、二倍频镜组件6和靶板组件 11，聚光腔组件1、全反镜组件3和第二输出镜5构成YAG激光器的 谐振腔，通电后在YAG激光器的谐振腔中建立激光振荡，调Q组件2 用于使YAG激光器输出能量集中的短脉冲激光，OPO转换组件4包 括KTP晶体4.2和第一输出镜4.3，KTP晶体4.2与第一输出镜4.3 构成光学参量振荡器的谐振腔，用于在光学参量振荡器的谐振腔中建 立指定光学参量的激光振荡，并输出激光，二倍频镜组件6用于将激 光转换为人眼可分辨的绿光或者红光，靶板组件11用于显示绿光或者 红光。

其中，聚光腔组件1包括两端开口的腔体1.1、位于腔体1.1上方 的氙灯1.2和位于氙灯1.2下方光轴上的激光棒1.3。聚光腔组件1中 封装有氙灯1.2和激光棒1.3作为YAG激光器泵浦源和工作物质，氙 灯1.2与电源10连接，并通过改变电源电压值调节输出功率。

如图3所示，调Q组件2包括调Q支座2.1，调Q支座2.1上方 设置有调Q晶体2.3，调Q晶体2.3通过设置在侧边的旋转轴2.2旋转。 调Q晶体2.3可通过旋转轴2调节与激光输出光轴的夹角，也可以完 全偏离光轴，实现调Q和不调Q工作模式的相互转换。

如图4所示，OPO转换组件4包括两端开口设置的OPO转换组 件支架4.1、KTP晶体4.2、第一输出镜4.3和旋转机构4.4，旋转机 构4.4位于OPO转换组件支架4.1的顶部，KTP晶体4.2和第一输出 镜4.3为一体化结构，KTP晶体4.2和第一输出镜4.3与旋转机构4.3 连接，位于OPO转换组件支架4.1的两端开口处。第一输出镜4.3为 1570nm输出镜。KTP晶体4.2与第一输出镜4.3固定在一起，在KTP 晶体4.2靠近激光棒1.3的端面上镀膜，该膜层对1064nm光增透，对 1570nm光全反。旋转机构4.4可选用带轴承的精密轴系和弹性钢球限 位机构的组合，可以达到20″以内的重复定位精度，满足系统高精度 转换要求。KTP晶体4.2和第一输出镜4.3可通过手动调节移入或移 出光轴，完成两种激光的相互转换工作。

如图5所示，二倍频镜组件6包括二倍频镜支座6.1和倍频晶体 6.2，倍频晶体6.2与二倍频镜支座6.1插接配合，二倍频镜支座6.1 中间形成穿孔，倍频晶体6.2位于二倍频镜支座6.1的穿孔处。二倍 频镜组件6设计成可拆卸模式，倍频晶体6.2可方便的插入二倍频镜 支座6.1或从二倍频镜支座6.1中取出，实现激光的正常输出与倍频 输出。

聚光腔组件1、调Q组件2、全反镜组件3、OPO转换组件4、第 二输出镜5、二倍频镜组件6和靶板组件11固定于底座7的同一平面 上，底座7上设置有用于显示电压值的显示器8、用于开关电源和调 节电压的控制面板9和电源10，电源10与氙灯1.2连接。

图2所示为实验系统光路图，第一输出镜4.3对1064nm光全反， 对1570nm光半反，第二输出镜5对1064nm光半反，对1570nm光高 透，氙灯1.2发光后，经过聚光腔组件1的腔体1.1聚焦在激光棒1.3 上，使工作物质实现粒子数反转，所发出的光在全反镜组件3与第二 输出镜5之间振荡后输出1064nm激光。OPO转换组件4可以垂直光 轴移动，转换组件移入光轴后，1064nm光泵浦KTP晶体4.2产生 1570nm光，在KTP晶体4.2与第一输出镜4.3之间振荡后输出 1570nm激光。系统输出的1064nm激光或1570nm激光经过二倍频镜 组件6后转换为人眼可分辨的绿光和红光显示在靶板组件11上。

使用本发明进行光学参量振荡器相关试验的具体步骤为：

A.测量YAG脉冲激光器的阈值电压及工作特性

在本实验中通过改变电源电压值，测量其输出能量，并通过计算 得出YAG脉冲激光器的电光转换效率，绘制YAG脉冲激光器的输出 能量和工作电压的关系曲线。在得到阈值电压后固定一合适电压，测 量激光器输出脉冲波形和光谱。实验步骤如下：

1.将调Q组件2，OPO转换组件4移出光轴，在第二输出镜5后面连 接一台激光能量计。打开电源，预热系统。

2.将电源电压调至600V，长按触发开关，听到“哔”的一声后松手， 观察能量计读数。

3.每隔10V增大一次电源电压，按同样操作触发，直到能量计上 出现第一个不为0的读数，从此时开始记录10次实验数据于表1 中。

表1 YAG激光静态不调Q能量实测值

次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 平均 电压 660 670 680 690 700 710 720 730 740 750 能量 2.63 12.7 37.6 94.5 143.5 176.3 184.7 199.6 202.5 208.7

4.利用修正公式E_实际＝1.3E_实测计算出每个电压值下对应的激光器 实际输出能量，并利用所得数据绘制出YAG脉冲激光器输出能 量和工作电压之间的关系曲线。

5.利用公式计算出每个电压值下电容的储能，结合步骤3 中得到的实际输出能量，计算每个电压值下YAG脉冲激光器的 电—光装换效率并求其平均值，作为实验结果记录下来。

6.将电压值固定在750V，将能量计换成PIN管和示波器，测量激 光器的脉冲波形，保存图像并分析。

7.保持电压不变，将PIN管和示波器换成波长计，得到此时激光器

的输出光谱，保存图像并分析。

通过这个实验，可以得到YAG脉冲激光器的阈值工作电压660V； 所绘制的能量—电压曲线也可以直观地表示出输出能量随电压的变化 情况；求得的电—光转换效率更是激光器的一个重要性能指标。测得 的脉冲波形和光谱也是分析YAG脉冲激光器工作特性的重要依据。

B.测量调Q状态下YAG脉冲激光器的激光输出特性

调Q的作用是通过人为的控制激光器的输出阈值，使激光器输出 极尖锐的，能量集中的巨脉冲，调Q前后脉冲宽度与输出能量均发生 了变化。在本实验中我们要通过改变电压值，测量调Q状态下YAG脉 冲激光器的输出能量，计算调Q状态下YAG脉冲激光器的电—光转换 效率，并测量调Q前后激光脉冲的波形图，分析脉宽的变化。实验步 骤如下：

1.将调Q组件2移入光轴，OPO转换组件4移出光轴，在第二输出镜 5后面连接一台激光能量计。打开电源，预热系统。

2.将电源电压调至660V，长按触发开关，听到“哔”的一声后松手， 观察能量计读数，并记录。每隔10V增大一次电源电压，测量 10组数据记录在表2中。

表2 YAG激光动态调Q能量实测值

次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 平均 电压 660 670 680 690 700 710 720 730 740 750 能量 1.03 7.24 21.7 65.6 106.8 134.7 153.1 164.2 173.4 185.7

3.利用修正公式E_实际＝1.3E_实测和公式分别计算出每个电压 值下对应的激光器实际输出能量和每个电压值下电容的储能， 然后计算每个电压值下YAG脉冲激光器动态的电—光装换效率 并求其平均值，作为实验结果记录下来。

4.将电源电压固定在750V，将调Q组件2移出光轴，将能量计换为 PIN管和示波器，测量此时的脉冲波形图，保存图像并分析YAG 激光动态不调Q的脉宽特性。

5.将电源电压固定在750V，将调Q组件2移入光轴，将能量计换为 PIN管和示波器，测量此时的脉冲波形图，保存图像并分析YAG 激光动态调Q的脉宽特性。

此实验可以验证调Q后电—光转换效率大大降低，脉冲宽度缩小至 纳秒量级，此外也验证了调Q输出能量稳定的特点。

C.测量调Q状态下YAG脉冲激光器倍频工作特性

YAG脉冲激光器输出的激光是1064nm的不可见激光，本系统采用 倍频晶体6.2将其转换为波长532nm的绿光。本实验通过测量调Q状态 下YAG脉冲激光器的倍频转换效率，倍频后的脉冲波形变化和倍频后 的波长变化，分析倍频效应对激光器是输出的影响。实验步骤如下：

1.将调Q组件2和二倍频镜组件6移入光轴，OPO转换组件4移出光 轴，在倍频晶体6.2后面连接一台激光能量计。打开电源，预热 系统。

2.将电源电压调至660V，长按触发开关，听到“哔”的一声后松手， 观察能量计读数，并记录。每隔10V增大一次电源电压，测量 10组数据记录在表3中。

表3 YAG激光动态调Q倍频能量实测值

次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 平均 电压 660 670 680 690 700 710 720 730 740 750 能量 1.02 7.04 20.9 65.4 105.3 133.5 149.1 158.2 170.5 183.8

3.利用修正公式E_实际＝1.3E_实测和公式分别计算出每个电压 值下对应的激光器实际输出能量和每个电压值下电容的储能， 通过公式E₁₀₆₄＝E_cη_电-光过渡得出对应电压下1064nm激光的输出 能量，然后计算每个电压值下YAG脉冲激光器动态的倍频转换 效率并求其平均值，作为实验结果记录下来。

4.将电源电压固定在750V，将能量计换为PIN管和示波器，测量 此时的脉冲波形图，保存图像并分析倍频后YAG激光动态调Q 的脉宽特性。

5.保持电源电压不变，将PIN管和示波器换成波长计，分别测量倍 频前后YAG脉冲激光器动态调Q的输出波长，保存图像并分析 倍频的波长变换效率。

实验证明倍频晶体6.2对于1064nm激光的倍频转换效率相当高， 而对于脉冲波形的测量表明倍频效应对于激光的脉冲宽度有一定的 影响，倍频后激光的脉冲宽度将会变窄，而对于输出波长的测量表面 倍频晶体实现了输出波长的准确减半。在靶板组件11上可以看到明显 的绿光，达到了输出可见化的目的。

D.测量光学参量振荡器的阈值、脉冲波形和波长

光学参量振荡器OPO的主要输出特点是可以将现有的激光波长转 换到传统激光器无法达到波段，本系统中KTP晶体4.2的主要作用是 将1064nm的激光转换为1570nm的激光。本实验通过测量光学参量振 荡器的转换效率，转换前后的波长及脉冲波形变化，分析OPO的工作 特性。实验步骤如下：

1.将调Q组件2和OPO转换组件4都移入光轴，在第二输出镜5后面 连接一台激光能量计。打开电源，预热系统。

2.将电源电压调至660V，长按触发开关，听到“哔”的一声后松手， 观察能量计读数。

3.每隔10V增大一次电源电压，按同样操作触发，直到能量计上 出现第一个不为0的读数，记下此时的电压。保持电源电压750V 不变，重复操作，测得10组数据，并记入表4中。

表4 OPO激光动态调Q能量实测值1064—1570 E＝750V

次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 平均 能量mJ 18.4 19.2 17.6 18.1 16.4 `17.7 18.5 19.4 18.7 18.9

4.利用修正公式E_实际＝1.3E_实测和公式分别计算出每个电压 值下对应的OPO转换组件4实际输出能量和固定电压值下电容 的储能，通过公式E₁₀₆₄＝E_cη_电-光过渡得出对应电压下1064nm激光 的输出能量，然后计算每次OPO转换组件4动态的OPO转换效率 并求其平均值，作为实验结果记录下来。

5.保持电源电压不变，将能量计换为PIN管和示波器，测量此时的 脉冲波形图，保存图像并分析OPO激光动态调Q的脉宽特性。

6.继续保持电压不变，将PIN管和示波器换成波长计，测量此时 OPO转换组件4的输出光谱，保存图像并分析OPO激光动态调Q 的光谱特性。

实验证明KTP晶体4.2作为OPO晶体性能优良，具有较高的OPO效 率，满足相位匹配条件。所得光谱图也可直观地表明OPO实现了 1064nm激光和1570nm激光的快速转换。

E.YAG脉冲激光器相关的对比实验

从系统的总体设计思路可知，系统的五种工作模式下有三种是与 YAG脉冲激光器有关的，分别是普通YAG脉冲激光器、调Q的YAG 脉冲激光器和调Q倍频的YAG脉冲激光器。在这个实验中我们要通 过在固定电压下实现以上三种工作模式的转换来分析激光器输出特 性的变化。实验步骤如下：

1.将调Q组件2、OPO转换组件4和二倍频镜组件6都移出光轴，打 开电源，预热系统。

2.将电源电压固定于阈值电压上的某一合适值，长按触发开关， 听到“哔”的一声后松手，观察靶板组件11上的实验现象。在靶 板组件11前分别连接激光能量计、PIN管和示波器、波长计， 测量此时激光器输出的能量、脉冲波形和光谱并做好记录。

3.保持电源电压不变，移入调Q晶体2.3，观察靶板组件11上的实 验现象。在靶板组件11前分别连接激光能量计、PIN管和示波 器、波长计，测量此时激光器输出的能量、脉冲波形和光谱并 做好记录，与步骤2中获得的结果进行对比，分析原因。

4.保持电源电压不变，在步骤3的基础上插入倍频晶体6.2，观察 靶板组件11上的实验现象。在靶板组件11前分别连接激光能量 计、PIN管和示波器、波长计，测量此时激光器输出的能量、 脉冲波形和光谱并做好记录，与步骤3中获得的结果进行对比， 分析原因。

5.改变电源电压两次，将调Q组件2和二倍频镜组件6移出光轴后， 重复步骤2到步骤4。

在这个实验中，在插入倍频晶体6.2以前，靶板组件11上是看不 见任何实验现象的，因为1064nm属于不可见的波段，插入倍频晶体 6.2后，可以观察到靶板组件11上出现绿光，为了增强观察效果，可 以换装一个带聚光透镜的靶板组件11。可以看到，调Q后激光的脉冲 宽度变窄，输出能量有所减小，但却相对稳定，而波长却几乎不变。 实验结果还表明倍频前后输出能量衰减很小，倍频效率很高，而且波 长的减半也很准确。

F.OPO的相关对比实验

在系统的五种工作模式中剩下的两种则是与OPO有关的，分别是 调Q的YAG脉冲激光泵浦OPO和调Q的YAG脉冲激光泵浦OPO倍 频。同样，在这个实验中我们要通过在固定电压下实现以上两种工作 模式的转换来分析激光器输出特性的变化。实验步骤如下：

1.将OPO转换组件4移入光轴，调Q组件2和二倍频镜组件6移出光 轴，打开电源，预热系统。

2.将电源电压固定于750V，长按触发开关，听到“哔”的一声后松 手，观察靶板上的实验现象。在靶板前分别连接激光能量计、 PIN管和示波器、波长计，测量此时激光器输出的能量、脉冲 波形和光谱并做好记录。

3.保持电源电压不变，移入调Q晶体2.3，观察靶板组件11上的实 验现象。在靶板组件11前分别连接激光能量计、PIN管和示波 器、波长计，测量此时激光器输出的能量、脉冲波形和光谱并 做好记录，与步骤2中获得的结果进行对比，分析原因。

4.保持电源电压不变，在步骤3的基础上插入倍频晶体6.2，观察 靶板组件11上的实验现象。在靶板组件11前分别连接激光能量 计、PIN管和示波器、波长计，测量此时激光器输出的能量、 脉冲波形和光谱并做好记录，与步骤3中获得的结果进行对比， 分析原因。

同样，在这个实验中，在插入倍频晶体6.2以前，靶板上是看不 见任何实验现象的，因为1570nm也属于不可见的波段，插入倍频晶 体6.2后，靶板组件11上出现红光。从脉冲波形图可以看出，OPO之 后脉冲宽度并无太大变化，而经过倍频后脉宽则有了一定程度的压 缩。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知 的现有技术。