2024年4月10日发(作者：万俟辰龙)
实验八 脉冲式灯泵浦YAG激光器被动调Q实验
实验目的
（1）掌握被动调Q YAG激光器的工作原理与调试方法。
（2）测量脉冲与连续泵浦YAG激光器的静态输出特性。
（3）分析被动调Q率被动调Q YAG激光器的动态输出特性。
（4）在被动调Q理论分析的基础上，通过实验研究，针对相应的运转条件和应用
需求，设计被动调Q YAG激光器的光学参数。
实验原理
1．固体Nd:YAG激光器的工作原理。
（1）Nd:YAG晶体的性质
表8-1 Nd:YAG激光晶体的主要性质
化学成分 Nd:Y
3
Al
5
O
12
Nd重量百分比
Nd原子数百分比
Nd原子数密度
折射率
散射损耗
晶体结构
热膨胀系数
热传导率
受激发射截面
4
4
0.925%
1%
1.38×10
+20
/cm
3
1.82@1064nm
0.003/cm
立方晶系
7.8×10
-6
/k[111],0-250℃
14w/m/k@20℃,10.5w/m/k@100℃
2.8-8.8×10
-19
cm
2
230μs
30ns
1nm@808nm
F
3/2
激光上能级寿命
I
11/2
激光下能级寿命
吸收谱线带宽
Nd
3+
:YAG是以三阶钕（Nd
3+
）离子部分取代Y
3
Al
4
5O
12
晶体中Y
3+
离子的激光工作
物质，称为掺钕钇铝石榴石（简称Nd
3+
:YAG）。它以Nd
3+
离子作为激活粒子。图8-1给
出了Nd
3+
:YAG晶体中Nd
3+
离子的与激光产生过程有关的能级图。处于基态
4
I
9/2
的钕离
子吸收光泵发射的相应波长的光子能量后跃迁到
4
I
5/2
，
2
H
9/2
和
4
F
7/2
，
4
S
3/2
能级（吸收带
的中心波长是810nm和750nm，带宽为30nm），然后几乎全部通过无辐射跃迁迅速降
落到
4
F
3/2
能级。
4
F
3/2
能级是一个寿命为0.23ms的亚稳态能级。处于
4
F
3/2
能级的Nd
3+
离
子可以向多个较低能级跃迁并产生辐射，其中几率最大的是
4
F
3/2
至
4
I
11/2
的跃迁（波长
1
为1064nm）。
图8-1 Nd
3+
:YAG激光的激发机理
（2）静态运转特性分析
（a）脉冲运转→驰豫振荡（尖峰效应）暂态过程。
（b）连续运转→阈值条件（增益饱和）稳态过程。
按“激光原理与技术” 中有关章节的分析，结合实验得出：仅仅依靠增加泵浦能
量与功率，不能获得窄脉宽，高峰值功率的激光脉冲的结论。
2．Cr:YAG饱和吸收被动调Q原理
自饱和被动式调Q激光器由于器件结构简单，对激光器无电磁干扰，应用十分广泛，
但由于通常的染料调Q介质，导热率极低，使其应用范围受到局限，只能用于低重复率
的脉冲调Q激光器中。近年来，由于激光晶体技术的进步，我国已生产出可用于高重复
率调Q的多掺YAG晶片，制成了被动式的Q开关器件，兼备声光和染料调Q的长处，
在激光医疗、激光打标和非线性光学等领域获得广泛的应用。
在YAG晶体内，除了Nd
+3
之外，某些分凝系数较大的金属氧化物也能以原子或离
子的形式长入晶体之中，这些异价离子将在其近邻产生具有反号电荷的离子空位或点阵
空位，当一个自由电子或空穴被俘获时，就形成了吸收光的色心（Color Center）。多掺
杂的YAG晶片在0.9-1.2μm波长范围内有很强的吸收，可将该晶片置于Nd:YAG激光
谐振腔内，其透过率将随腔中振荡激光（1.06μm波长）的强度变化而变化，并改变着
谐振腔的Q值，因此起着被动式的Q开关作用，使激光器产生巨脉冲。
多掺杂的YAG晶片是一种非线性吸收介质，在强光作用下由于吸收饱和而对激光
2
2024年4月10日发(作者：万俟辰龙)
实验八 脉冲式灯泵浦YAG激光器被动调Q实验
实验目的
（1）掌握被动调Q YAG激光器的工作原理与调试方法。
（2）测量脉冲与连续泵浦YAG激光器的静态输出特性。
（3）分析被动调Q率被动调Q YAG激光器的动态输出特性。
（4）在被动调Q理论分析的基础上，通过实验研究，针对相应的运转条件和应用
需求，设计被动调Q YAG激光器的光学参数。
实验原理
1．固体Nd:YAG激光器的工作原理。
（1）Nd:YAG晶体的性质
表8-1 Nd:YAG激光晶体的主要性质
化学成分 Nd:Y
3
Al
5
O
12
Nd重量百分比
Nd原子数百分比
Nd原子数密度
折射率
散射损耗
晶体结构
热膨胀系数
热传导率
受激发射截面
4
4
0.925%
1%
1.38×10
+20
/cm
3
1.82@1064nm
0.003/cm
立方晶系
7.8×10
-6
/k[111],0-250℃
14w/m/k@20℃,10.5w/m/k@100℃
2.8-8.8×10
-19
cm
2
230μs
30ns
1nm@808nm
F
3/2
激光上能级寿命
I
11/2
激光下能级寿命
吸收谱线带宽
Nd
3+
:YAG是以三阶钕（Nd
3+
）离子部分取代Y
3
Al
4
5O
12
晶体中Y
3+
离子的激光工作
物质，称为掺钕钇铝石榴石（简称Nd
3+
:YAG）。它以Nd
3+
离子作为激活粒子。图8-1给
出了Nd
3+
:YAG晶体中Nd
3+
离子的与激光产生过程有关的能级图。处于基态
4
I
9/2
的钕离
子吸收光泵发射的相应波长的光子能量后跃迁到
4
I
5/2
，
2
H
9/2
和
4
F
7/2
，
4
S
3/2
能级（吸收带
的中心波长是810nm和750nm，带宽为30nm），然后几乎全部通过无辐射跃迁迅速降
落到
4
F
3/2
能级。
4
F
3/2
能级是一个寿命为0.23ms的亚稳态能级。处于
4
F
3/2
能级的Nd
3+
离
子可以向多个较低能级跃迁并产生辐射，其中几率最大的是
4
F
3/2
至
4
I
11/2
的跃迁（波长
1
为1064nm）。
图8-1 Nd
3+
:YAG激光的激发机理
（2）静态运转特性分析
（a）脉冲运转→驰豫振荡（尖峰效应）暂态过程。
（b）连续运转→阈值条件（增益饱和）稳态过程。
按“激光原理与技术” 中有关章节的分析，结合实验得出：仅仅依靠增加泵浦能
量与功率，不能获得窄脉宽，高峰值功率的激光脉冲的结论。
2．Cr:YAG饱和吸收被动调Q原理
自饱和被动式调Q激光器由于器件结构简单，对激光器无电磁干扰，应用十分广泛，
但由于通常的染料调Q介质，导热率极低，使其应用范围受到局限，只能用于低重复率
的脉冲调Q激光器中。近年来，由于激光晶体技术的进步，我国已生产出可用于高重复
率调Q的多掺YAG晶片，制成了被动式的Q开关器件，兼备声光和染料调Q的长处，
在激光医疗、激光打标和非线性光学等领域获得广泛的应用。
在YAG晶体内，除了Nd
+3
之外，某些分凝系数较大的金属氧化物也能以原子或离
子的形式长入晶体之中，这些异价离子将在其近邻产生具有反号电荷的离子空位或点阵
空位，当一个自由电子或空穴被俘获时，就形成了吸收光的色心（Color Center）。多掺
杂的YAG晶片在0.9-1.2μm波长范围内有很强的吸收，可将该晶片置于Nd:YAG激光
谐振腔内，其透过率将随腔中振荡激光（1.06μm波长）的强度变化而变化，并改变着
谐振腔的Q值，因此起着被动式的Q开关作用，使激光器产生巨脉冲。
多掺杂的YAG晶片是一种非线性吸收介质，在强光作用下由于吸收饱和而对激光
2