摘 要

通过对Nd:YAG脉冲调Q激光器谐振腔内部的主要光学元件进行分析，着重于激光经过布儒斯特窗和电光晶体产生的变化进行理论分析，分析激光以不同入射角度通过布儒斯特创的偏振态的变化，电光晶体的旋光度及旋光情况对于激光偏振态的影响，用MATLAB编程分析菲涅耳公式在布儒斯特角附近的模拟结果，得到定量的结果；并实验测量Nd-YAG脉冲调Q激光的偏振特性。

结果表明，入射角为布儒斯特角且电光晶体旋光度为90°时，输出光为线偏振光。实际情况与理想情况有一定的偏差，输出激光脉冲为部分偏振光，偏振度与激光器的工作情况有关。

本课题特色在于考虑到布儒斯特窗的起偏和检偏及电光晶体的旋光作用，确定理想情况Nd-YAG脉冲调Q激光器输出脉冲为线偏振光。调节和使用使可尽量调节到理想情况，获得偏正度较高的输出激光。

关键词：Nd:YAG调Q脉冲激光器；激光偏振态；布儒斯特窗电光晶体；旋光作用；

Abstract

In this paper, the main optical elements of Nd: YAG pulse Q-switched lasers are analyzed, which mainly focuses on the theoretical analysis of the changes of the laser through the Brewster window and the electro-optic crystal. The changes of the light before and after the two The effects of the incident angle and the optical rotation of the electro - optic crystal on the polarization state of the laser are studied. The simulation model is simulated by MATLAB. After the experimental measurement to verify, in the specific process of controlling the electro-optic crystal is the work of this variable, measured at different operating voltage changes in the polarization state of the polarization, polarization measurement by the polarizer and laser energy meter to achieve, get data The polarization and polarization of the output light are calculated and analyzed later.

The experimental results show that the rotation effect of the KDP crystal and the refraction and reflection of the Brewer window have an effect on the polarization state. The angle of the laser beam is also affected by the angle of the beam. When the light is incident at the Brewster angle, Q after the polarization direction of the laser changes, similar to the rotation 90o, that can control these two factors to achieve the polarization state changes. In practice, often encountered in the need for specific polarization state laser, there is an important practical significance..

The characteristics of this topic is not only taking into account the optical rotation of electro-optic crystal, did not ignore the actual process of the crystal at both ends of the operating voltage for the rotation of the impact, and then the impact of polarization.

Key Words：Nd: YAG Q - switched pulsed laser；Laser polarization state；Brewster window；Electroformed crystal；Optical rotation；

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题研究的背景 1

1.2研究的目的及意义 2

1.3 研究内容 2

第2章 脉冲激光偏振态分析 4

2.1 偏振态的分类 4

2.2 Nd:YAG调Q脉冲激光偏振态 5

2.2.1 Nd:YAG脉冲激光器结构 5

2.2.2调Q脉冲激光偏振态分析 7

2.3章节小结 11

第3章 Q开关对偏振态的影响 12

3.1布儒斯特窗与偏振态 12

3.1.1菲涅尔定理 12

3.1.2 透射光和反射光的偏振态 13

3.2 KDP晶体的旋光度 16

3.3不同工作条件下激光的偏振态 18

第4章 实验部分 20

4.1实验准备及方案 20

4.2实验过程及测量 20

4.3实验结果及分析 21

第5章 总结与展望 22

5.1 总结 22

5.2 展望 22

第1章 绪论

1.1课题研究的背景

自从上世纪六十年代激光器诞生起，一直没有停止发展，激光为工业生产和科学实验带来了极大的进步，在医疗、航天、测绘等行业有着举足轻重的地位，激光的高方向性和高相干性是它得以被广泛应用的重要原因，使用激光的副产物较少，其低污染特性也是得到青睐的原因^[1]。目前，激光及各种使用激光的设备已经是高新产业不可缺少的有力工具，在各种各样的激光器中，半导体激光器已经成为用途最广，使用最多的激光器，我们日常生活中的医疗、电子产品的制造都离不开以半导体激光器为代表的一系列激光设备，但在目前情况下，对于激光器工作时对激光偏振态的影响研究不够，如何控制光的输出得到较理想的激光也成为激光领域一直努力的方向^[2]。

对于激光特性而言，偏振态是非常重要的一方面，它包含光矢量的取向特性，是由激光形成和传输的过程决定的^[3]。激光是由激光工作物质内发光粒子的受激辐射形成的。受激辐射形成的过程：外来光子照射到上能级粒子时，粒子辐射出一个光子并跃迁到较低的能级，受激辐射所产生的光子与外来光子具有相同的位相、传播方向和偏振状态。激光器内发生受激辐射生成光子流，处于同一个模式的光子流中的所有光子拥有相同的光学性质，即它们的偏振态相同^[4]。

随着激光技术的发展，偏振光的应用范围变得越来越广，在工业、生物制药、临床医学、天文、地理测绘、农业等领域都展现出其他技术无法替代的关键作用。偏振光可以广泛适用于医学领域、建筑行业，如利用偏振光照射人体后产生的光点效应、光积累效应等进行临床治疗。因此，如何得到符合条件的偏振光，是值得研究的问题^[6]。

1964年，W.Culshaw和J.Kannelaud对He-Ne激光的偏振特性进行研究，发现在磁场强度发生变化时，其偏振面会发生转动，而且在磁场强度为0、调节激光的频率在多普勒线宽的中心通过时的特殊情况下，偏振面将旋转90°，与原来的偏振平面正交^[7]。

1965年，H.De Lang和E.T.Ferguson对He-Ne激光器进行研究，发现波长为1.15mm的He-Ne激光偏振态趋向于线偏振，这是由于由增益介质的饱和导致，还在理论上证明了这是由于增益介质的饱和所引入的吸收各向异性，成功总结了椭圆率与时间的变化关系^[8]。在同一年，D.polder和W.Van.Haeringen尝试从量子力学的方向进行突破，在完善考虑了原子的速度分布率、烧孔效应、原子能级的退化的条件下，成功解释了增益介质的饱和与激光的偏振态趋向于线偏振之间的关系，完成了对之前实验现象的理论补充^[9]。

1979年，Yu.A. Anan，ev等人对束旋转环行非稳腔内的偏振特性进行研究，使用琼斯算法对偏振特性进行理论研究，得出了谐振腔内的本征偏振态，而且得出椭偏度和束旋转角度以及反射镜的位相延迟的关系，在位相延迟近似为零时，腔内的本征偏振为圆偏振^[10]。

1985年，V.A.Dymshakov等人对CO₂激光器进行研究，在激光器内不放置任何偏振元件，找到输出激光的偏振态随时间变化的规律，并且找到了激光模式组成和偏振态变化之间的联系^[11]。

2001年，M.Bayer等人利用半导体激光器进行实验，用磁场作为影响因素，在激光腔内实现了线偏振光到圆偏振光的变化 ^[12]。

国内方面，在2004年，中国科学院长春光机所的李刚等人成功完成了入射角45°、对632.8 nm1315 nm双波长高反并在1315nm处位相延迟为900的高反镜，这在国内尚属首次。

1.2研究的目的及意义

偏振态是激光非常重要的特性之一，相对于偏振态而言，激光的光束质量和功率显然更受关注，关于它们的研究甚多，而对激光偏振态的文献和研究相对较少。光波作为一种电磁波在传播过程中具有偏振特性，想要表述激光在空间中传播的状态不能绕过偏振态这一特性^[13]。激光在空间中传播时，其偏振态的变化取决于和介质的互相作用，激光传播遇到其他物质会产生反射、透射、折射等现象，在以上过程中，其偏振态便会发生改变，变化的根本取决于介质。例如，对于光学元件来说，折射率是一个普遍的属性，折射率不同，激光以相同角度入射时，其偏振态的改变也是不一样的，无论是折射光还是反射光^[14]。相同的物质处于不同的状态下比如温度、湿度、晶体排列结构的不同均可导致物质偏振特性发生变化，这些因素彼此不一定是相互独立的，而是彼此影响，导致偏振特性的改变，根据其偏振特性，将可以确定物质的部分理化特性，从而得到理想的材料或材料状态，获得理想的输出激光 ^[15]。

本课题主要目标是探究Nd-YAG激光器的输出激光的偏振态及偏振度受到哪些因素影响，进而可以通过控制相关条件来控制输出激光的偏振状态，得到更加理想的输出光。在以往的研究中对于谐振腔内元件的反射散射对偏振态的影响，本文尝试着重从此方面入手，研究和控制激光的偏振态，对于得到理想的输出激光，进一步拓展激光的实际应用和技术领域，有着很重要的意义。

1.3 研究内容

本课题以WGL-3型调Q脉冲激光器为基础，激光器输出激光是一个复杂的过程，在光的生成和传播过程都充满对偏振态产生影响的因素，例如在激光形成过程中激励光源的偏振态将决定激光原始的偏振状态，初始的受激辐射光与激励光保持同样的偏振态。在谐振腔内也将受到谐振腔内各个光学元件的影响^[15]。

研究主题为谐振腔内的布儒斯特窗和KDP晶体对激光偏振态的影响，利用菲涅尔公式和布儒斯特定律对光经过这两个元件时的反射与折射进行仿真，并进行理论分析。

布儒斯特窗作为激光器内重要的起偏装置，是引起受激辐射光偏振的第一个元件，在经过布儒斯特窗前后激光的偏振态发生了怎样的变化是重要的研究内容。其次激光在谐振腔内要经过多次反射，全反镜对激光的影响也在考虑的范围之内。除此之外，调Q状态下电光晶体处于工作状态，电光晶体的旋光作用不可忽视，对光的偏振态有较大影响，本次课题主要探究激光在经过布儒斯特窗以及电光晶体前后的偏振态变化，找出其中的联系，了解激光在生成及传播过程中偏振态的变化。

第2章 脉冲激光偏振态分析

2.1 偏振态的分类