电光Q 开关技术
一、实验目的：
1、理解电光调Q 的基本原理；
2、了解退压式电光调Q 的原理及方法；
3、学会电光Q 开关实验装置的调试；
4、掌握相关技术参数的测试方法。
二、实验原理：
调Q 技术的发展和应用，是激光发展史上的一个重要突破。一般的固体脉冲激光器输出的光脉冲，其脉冲持续在几百s μ甚至几ms ，其峰值功率也只有kW 级水平，因此，压缩脉宽，增大峰值功率一直是激光技术所需解决的重要课题。Q 技术就是为了适应这种要求而发展起来的。
1. 调Q 基本概念
用品质因数Q 值来衡量激光器光学谐振腔的质量优劣，是对腔内损耗的一个量度。调Q 技术中，品质因数Q 定义为腔内贮存的能量与每秒钟损耗的能量之比，可表示为：
每秒钟损耗的激光能量
腔内贮存的激光能量0
2πν=Q （1） 式中0ν为激光的中心频率。
如用E 表示腔内贮存的激光能量，γ为光在腔内走一个单程能量的损耗率。那么光在这一单程中对应的损耗能量为E γ。
用L 表示腔长；n 为折射率；c 为光速。则光在腔内走一个单程所需要时间为c nL /。 由此，光在腔内每秒钟损耗的能量为c
nL E /γ这样，Q 值可表示为 γλπγπν002/2nL nL Ec E Q == （2） 式中00/νλc =为真空中激光波长。可见Q 值与损耗率总是成反比变化的，即损耗大Q 值就低；损耗小Q 值就高。
固体激光器由于存在弛豫振荡现象，产生了功率在阈值附近起伏的尖峰脉冲序
列，从而阻碍了激光脉冲峰值功率的提高。如果我们设法在泵浦开始时使谐振腔内的损耗增大，即提高振荡阈值，振荡不能形成，使激光工作物质上能级的粒子数大量积累。当积累到最大值（饱和值时），突然使腔内损耗变小，Q 值突增。这时，腔内会象雪崩一样以极快的速度建立起极强的振荡，在短时间内反转粒子数大量被消耗，转变为腔内的光能量，并在透反镜端耦合输出一个极强的激光脉冲。在这个过程中，弛豫振荡一般是不会发生的，但是，如果调Q 器件设计及调整得不好也会导致多脉冲出现。所以，输出光脉冲脉宽窄，峰值功率高。通常把这种光脉冲称为巨脉冲。
调节腔内的损耗实际上是调节Q 值，调Q 技术即由此而得名。也成为Q 突变技术或Q 开关技术。
谐振腔的损耗γ一般包括有：
54321αααααγ++++= （3）
其中1α为反射损耗；α2为吸收损耗；α3为衍射损耗：α4为散射损耗；α5为输出损耗。
用不同的方法去控制不同的损耗，就形成了不同的Q 技术。如控制反射损耗α1的有转镜调Q 技术，电光调Q 技术；控制吸收损耗α2的有可饱和染料调Q 技术；控制衍射损耗α3的有声光调Q 技术；控制输出损耗α5的有透射式调Q 技术。 图1为脉冲泵浦的调Q 激光器产生激光巨脉冲的时间过程
图1. 激光巨脉冲产生的时间关系
在t=0时闪光灯脉冲接近终了，腔内损耗γ此时有一个 突变（即打开Q 开光光闸），腔内增益大于高于腔内损耗，而当延迟到d t t =时，th N N ∆≥∆，即会发射一个
高功率脉冲。
本实验以电光Q 开关激光器的原理、调整、特性测试为主要内容。利用晶体的电光效应制成的Q 开关，具有开关速度快；所获得激光脉冲峰值功率高，可达几MW 至GW ；脉冲宽度窄，一般可达几ns 至几十ns ；器件的效率高，可达动态效率001；器件输出功率稳定性较好；产生激光时间控制精度高；便于与其它仪器联动；器件可以在高重复频率下工作等优点。所以这是一种以获广泛应用的Q 开关。
2. 纵向加压KD *P Q 开关原理
（1）KD *P 晶体的纵向电光效应
KD *P 晶体属于四方晶系42m 晶类，光轴C 与主轴Z 重合。未加电场时，在主轴坐标系中，其折射率椭球方程为：
122202
2=++e
n z n y x （4） 其中，n 0、n e 分别为其寻常和异常光的折射率。加电场后，由于晶体对称性的影响，42m 晶类只有4163,γγ两个独立的线性电光系数。63γ是电场方向平行于光轴的电光系数，41λ是电场方向垂直于光轴的电光系数。KD *P 晶体加外电场后的折射率椭球方程是：
222n y x ++e n z 22
+212)(6341=++xy E xz E yz E Z y x γγ （5） 当只在KD *P 晶体光轴z 方向加电场时上式变成：
222n y x ++e n z 22
+1263=xy E z γ （6） 经坐标变换，可求出此时在三个感应主轴上的主折射率：
2
10'-=n n x z E n 6303
γ 2
10'+=n n y z E n 6303
γ e z n n =' （7） 上式表明，在E z 作用下KD *P 变为双轴晶体，折射率椭球的xy 截面有圆变为椭圆，椭圆的长短轴方向x ‘、y ’相对于原光轴x 、y 转了450，转角大小与外加电场大小无关，长、短半轴的长度即'y n 和'x n 。由上式可看出它们的大小与E z 成线性关系，电场反向时长短轴互换，见图2。
图2. KD *P 63γ纵向效应 当光沿KD *P 光轴z 方向传播时，在感应主游x ‘、y ’两方向偏振的光波分量，由于此时晶体在这两者方向上的折射率不同，经过长度为l 的晶体后产生位相差：
x x y V l n n 632)(2''γλ
πλπδ=-= （8） 式中l E V z z =为加在晶体z 向两端的直流电压 。
使光波两个分量产生位相差2π
所需要加的电压，称为“4λ电压”，以2πV 表示，即
633
024γλπn V = （9）
KD *P 晶体的光电系数63γ=6.23V m /1012-⨯对于λ=1.0μm 、KD *P 晶体的2πV =4000V 左右。
（2）带启偏器的KD *P 电光Q 开关原理 带起偏振器的KD *P 电光Q 开关，是一种发展较早、应用较广泛的电光晶体调Q 装置，其特点是利用一个偏振器兼作起偏和检偏，偏振器可采用方解石格兰—傅克棱镜，也可用介质膜偏振片。其装置如图3所示。KD *P 晶体具有纵向电光系数大，抗破坏阈值高的特点，但容易潮解，故需要放在密封盒内使用。通常采用纵向运用方式，即z 向加压，z 向通光。
图3. 带起偏器的调Q 激光器装置原理图
带起偏器的KD *P 电光Q 开关工作过程如下：
