图2： Nd：YAG激光器结构示意图
图2为典型的Nd ：YAG激光器结构示意图。通常Nd：YAG晶体被加工成棒状，两端磨成光学平面, 面上镀有增透膜。棒的侧面全部“打毛”，以防止寄生振荡。激发(泵浦)用的氙灯做成和YAG棒长度相近的直管，以便与棒达到最佳的配合。为了有效地利用灯的光能，把棒和灯放在一个内壁镀反射层的空心椭圆柱面反光镜内。它们各占据椭圆柱的—根焦线。图3表示了这一结构的横截面。不难想象，氙灯发出的光通过椭圆柱面镜的反射，原则上百分之百地到达YAG棒上。
图3 : 椭圆柱面反光镜截面图
在此类激光器中，加到氙灯上的电能只有1％左右转变成激光能量，其余都变成了热能，所以灯和棒都需要散热和冷却。为此，把反射镜内部的空间加以密封，通入流动的水，以带走多余的热能。
为了形成激光振荡，需要把YAG棒置于一定的谐振腔之中。一般采用平凹稳定腔或虚共焦非稳腔。由于Nd：YAG的单程激光增益很高，作为激光输出口的前腔镜M1可设计成具有百分之几十的透过率，甚至可以是一块“白片”，后腔镜M2则是全反射镜。
如果泵浦光源是连续工作的(在这种情况下，一般采连续工作的氪灯)、则它可以不可断地对钕离子的E3和E2能级提供粒子数反转，从而得到连续的激光输出。如果采用脉冲工作的泵浦光源(一般采用脉冲氙灯)，就可以得到脉冲激光输出。由于在阈值以上的泵浦时间内都有激光产生。因而激光脉冲的持续期长而峰值功率低，不适合于大多数的实际应用。为了得到脉宽窄而峰值功率高的激光脉冲。就必须采用“调Q“的方法。 2、电光调Q原理
把上述宽脉冲激光的能量压缩在极短的时间内，从而提高其峰值功率的方法称为“调Q”，即按一定的方式改变激光谐振腔的品质因数(Q值)。通常，在谐振腔内置入一个光开关，从氙灯引燃到其瞬时光强达到极大的期间这个光开关是关闭的。因此，对光的传播而言、腔内有很大的损耗（低Q值)。此时的谐振腔不能产生激光振荡，或激光振荡的阈值非常高。与此同时，YAG棒中的能级粒子数反转却不断地增大。当氙灯的光强达到极大值时，粒子
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数反转也达到极大。如果这时光开关被打开，使腔处于低损耗（高Q值）状态，腔的振荡阈值迅速下降，激发态上的Nd 离子便会以极快的速度在很短的时间内跃迁回基态。同时发射出相应频率的光子。光学谐振腔保证了光场的相干增强，最终形成一个持续期极为短促、峰值功率极高的激光脉冲。作为一个对比，用不调Q的脉冲激光器产生的激光脉冲，其脉宽约为100μ s量级。而调Q激光器产生的激光脉冲，脉宽仅为10ns左右。如果脉冲的总能量为1J，那么调Q脉冲的峰值功率便可达到100MW。
图4: 电光Q开关
调Q的方法有多种，常用的是声光调Q和电光调Q。如果在图2中，虚线框是—个电光Q开关，那么它的详细结构可以表示为图4的样子。图中的P为起偏器，它使腔内的激光振荡具有起偏器允许通过的偏振方向。K为电光晶体，它的种类很多，用得最多的是KD*P(磷酸二氘钾)人造单晶。在这类晶体中存在三个结构上的对称轴，一个是四重对称轴，我们把它称为晶体的光轴，另外两个都是二重对称轴，它们都与光轴垂直，彼此也相互垂直。在实际应用中，我们令光轴沿着谐振腔的通光方向z，而另两个轴则沿着x(水平)和)y(垂直)方向。当晶体两端加有一定数值的直流电压V时，在晶体中沿z方向就会形成一个电场Ez，V=Ez*L（L为晶体在z方向上的长度）。同时在晶体中会生成一个新的坐标系x’ , y ’，和Z’，Z’轴仍与原来的z轴一致，因而x’，和y’，仍在xy平面内，但x’，和y’分别与x和y成45度角，如图4所示。对于晶体的折射率而言，这一新的坐标系具有特殊的意义。沿三个新轴的晶体折射率分别为
3nonx'?no??63Ez23nony'?no??63Ez
2nz'?nz?ne其中no和ne分别为未加电压时晶体对寻常光和非寻常光的折射率。γ63是晶体的电光系数。由上述公式可见，nx和ny都是Ez(纵向电场)的线性函数，所以我们称这一规律为线性电光效应或普克尔效应。实际上这是外加电压导致晶体折射率椭球发生畸变的结果。由于电光效应的存在，晶体对于垂直偏振光在x’和y’轴上的两个投影分量的折射率不一样，因而此两分量沿z轴行进时的相速度也不相同，在它们穿过晶体之后相互之间的相位差不再为0，而是
??2??3no?63V
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如果 V?? 34no?63则Φ=π／2，这相当于光波行进λ／4距离后应有的相位变化。 (5)式所决定的电压称λ／4电压。对于电光调Q而言这是一个十分重要的参数。KD*P电光晶体在人射波长λ=1.064μm时，no= 1 .49 , 而γ63=23 .6x10-12 m／V，由(5)式可以计算出
Vλ/4=3.4 kV
设想在电光晶体上已加有λ／4电压，而M2是一个全反射镜。经M2反射后再次从右向左地穿过晶体的两个分量将累积有2Φ=π的相位差，合成之后成为一个水平线偏振光，因而不能通过起偏器P(P在这时起着一个检偏器的作用)，这相当于Q开关被关断，谐振腔处于低Q值状态。如果突然(必须非常快，例如在1ns以内)将λ／4电压撤去，则光束来回穿过电光晶体都不会附加有任何偏振方向的改变，也即Q开关处于通行状态，而谐振腔则处于高Q值状态。通常是利用带有辅助电极的火花隙放电装置。瞬时将加在电光晶体上的电压对地短路来实现谐振腔的Q值突变。其装置简图如图 5所示。
图5 : 火花隙放电装置
三、实验内容：
作为实验的第一步，首先应仔细地阅读本实验特别设置的安全须知牌，并在实验过程中认真执行。
1、实验系统设计和搭建
在授课老师的指导下，了解激光器的主要控制开关和旋钮的位置及操作方法；学会开机和关机的步聚。学会激光能量计，硅光电二极管探测器和示波器的使用方法。按照实验原理设计和搭建实验系统。检查整个系统的各电缆线和水管的连接情况并保证正确无误。
2、测量不调Q情况下激光器的阈值电压，激光脉冲能量和激光转换效率 3、观察不调Q情况下激光波形 4、调Q激光实验研究
四、实验报告要求
1 列出每项实验测量到的原始数据和根据原始数据做出的曲线以及求得的参数。 2 描述所观察到的实验现象，描绘出示波器屏幕上的各个典型激光脉冲波形。 3 回答各项实验思考题。
4 个人在实验中得到的经验和体会。
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五、注意事项：
1 本实验中产生的激光脉冲可使皮肤灼伤、使人眼永久致盲，决不可令皮肤接触激光束。用肉眼直视激光束 ( 即迎着激光束射来的方向看 ) 是绝对错误之举。实验者必须在实验开始之前仔细阅读本实验特备的安全须知牌。为了达到预习的目的，亦将安全须知的内容列于附录中。
2 实验者未经授课教师明确表示同意之前不得开始进行实验，
六、思考题
1 将Q开关上的电压降到远小于λ／4电压，可观察到什么情况，思考这是为什么?
2 当Q开关延时量大于或小于最佳值时，调Q激光脉冲的能量都比最佳延时相应的能量
小，思考这是什么原因造成?
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