激光原理与技术实验指导书.

1、GuargDong Polytechnic Normal University激光原理与技术实验指导书实验报告广东技术师范学院电子与信息学院目录仪器要求与安全保护 . 2实验一、LD泵浦ND:YV4固体激光器的基本概念与主要参数测量 3实验二、LD泵浦ND:YVO固体激光器光斑尺寸的测量 12实验三、LD泵浦ND:YVQ固体激光器远场发散角的测量 16实验四、声光调 Q 技术实验五、Hl NE激光器谐振腔调节 28实验六、HE-NE激光器的模式分析 31仪器要求与安全保护1、仪器安装在干燥、无灰尘、通风良好、远离热源和强（电）磁场的地方。2、 工作温度：1015C3、 相对湿度：V 70%4、

2、 工作电源：220V 15% 50HZ5、安全防护（1）使用 He-Ne 激光器时，“+”，“-”（正，负）极不要插（接）错（ 2）激光管的电流不要调的过高，否则容易击穿，烧毁管子。 （最好接厂方给定 的最佳电流）（3）激光出光后，眼睛不要直接直射观察激光点，否则容易损坏眼睛。（ 4） He-Ne 激光管都是玻璃制品，易碎，小心轻拿轻放。调节螺钉不要拧的太 紧。6、日常维护（ 1 ）外腔（或半内腔）激光管，外部活动的谐振腔，不要弄脏布儒斯特窗面， 不要沾上灰尘否则不出光。（2）激光管不要放在潮湿的地方，长时间不用时，最好隔几天点燃一次（特别 是夏天）时间 20 30 分钟。（3）半导体泵浦激光

3、器实验装置应注意防潮，放置于比较干燥的地方。在不使 用时请将仪器上盖盖好，端盖旋紧，防止灰尘进入仪器。1 激光对人眼睛有伤害，注意眼睛不要直接对着光源2 激光器的电源电压上千伏，注意小心，不要触摸。实验一、LD泵浦Nd:YVO固体激光器的基本概念与主要参数测量一、实验目的与要求1、掌握LD泵浦Nd:YVO4固体激光器的基本概念与激光器的调节2、掌握连续激光器阈值概念及测量方法3、掌握连续激光器斜率效率及测量方法二、实验类型综合型三、实验原理及说明1. 普通光源的发光受激吸收和自发辐射 普通常见光源的发光 （如电灯、 火焰、 太阳等地发光） 是由于物质在受到外来能量 （如 光能、电能、热能等）作

4、用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。 处在高能级（E2）的电子寿命很短（一 般为108109秒），在没有外界作用下会自发地向低能级 （E1）跃迁，跃迁时将产生光（电 磁波）辐射。辐射光子能量为hE2 E1这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立， 互不关联， 即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外未位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。在通常热平衡条件下，处于高能级E2上的原子数密度 N2,远比处于低能级的原

5、子数密度低，这是因为处于能级 E的原子数密度N的大小时随能级E的增加而指数减小， 即N exp（-E/kT），这是著名的波耳兹曼分布规律。于是在上、下两个能级上的原子数密度 比为N2 /N1 exp （E2 E1）/kT式中k为波耳兹曼常量，T为绝对温度。因为 E2E1，所以N2N1。例如，已知氢原子基态能量为 E1 = - 13.6eV，第一激发态能量为 E2=-3.4eV，在20C时，kT0.025eV,则N2/ N1 exp（ 400） 0可见，在20C时，全部氢原子几乎都处于基态，要使原子发光，必须外界提供能量使 原子到达激发态，所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。一

6、般说来， 这种光源所辐射光的能量是不强的，加上向四面八方发射，更使能量分散了。2. 受激辐射和光的放大 由量子理论知识知道，一个能级对应电子的一个能量状态。电子能量由主量子数 n（n=1,2,）决定。但是实际描写原子中电子运动状态，除能量外，还有轨道角动量L和自旋角动量s，它们都是量子化的，由相应的量子数来描述。对轨道角动量，波尔曾给出了量 子化公式Ln= nh，但这不严格，因这个式子还是在把电子运动看作轨道运动基础上得到的。 严格的能量量子化以及角动量量子化都应该有量子力学理论来推导。量子理论告诉我们，电子。如果选择规则不满足，则跃迁的几率很小，甚至接近零。在 原子中可能存在这样一些能级，一

7、旦电子从高能态向低能态跃迁时只能发生在l （角动量量子数）量子数相差1 的两个状态之间，这就是一种选择规则被激发到这种能级上时，由于 不满足跃迁的选择规则，可使它在这种能级上的寿命很长，不易发生自发跃迁到低能级上。 这种能级称为亚稳态能级。 但是， 在外加光的诱发和刺激下可以使其迅速跃迁到低能级，并放出光子。 这种过程是被“激”出来的， 故称受激辐射。 受激辐射的概念是爱因斯坦于 1917 年在推导普朗克的黑体辐射公式时， 第一个提出来的。 他从理论上预言了原子发生受激辐射 的可能性，这是激光的基础。受激辐射的过程大致如下：原子开始处于高能级 E2,当一个外来光子所带的能量 hu正 好为某一对

8、能级之差 E2-E1,则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1跃迁。 这种受激辐射的光子有显著的特点， 就是原子可发出与诱发光子全同的光子， 不仅频 率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光 子， 就会出射两个完全相同的光子。 这意味着原来光信号被放大， 这种在受激过程中产生并 被放大的光，就是激光。(a)高能态原子低能态原子图1双能级原子中的三种跃迁3. 粒子数反转一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级地原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。由此可见,为使光源发射激光

9、，而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的 多，这种情况，称为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。4. LD泵浦Nd:YVO4固体激光器半导体激光器（LD）是以半导体材料作为工作介质的。这种激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固，特别适于在飞机、车辆、宇宙飞船上用。在70年代末期，由于光纤通讯和光盘技术的发展大大推动了半导体激光器的发展。但是这种激光器的光束质量相对较差。LD泵浦的固体激光器，其泵浦源为半导体激光二极管，用它给激光增益介质提供能 源，可以得到光束质量更好的激光。这类的激光

10、器具有以下特点4.1. 光谱匹配性好如果采用闪光灯泵浦固体激光器，由于闪光灯的发射光谱和工作物质吸收光谱之匹配不好，将导致器件的泵浦效率很低，比如，氟灯或氙灯的发射光谱都是范围很宽的连续谱，而Nd3*的吸收光谱是一些有着很强峰值的分立光谱，这将使其发射光谱的很小一部分光能能够被工作物质吸收，其余部分将转变为器件的热能。而采用激光二极管作为泵浦源可以较好的解决上述问题，因为它的输出谱线很窄，通常为几个纳米。4.2. 体积小，结构简单，装调方便，使用寿命长激光二极管体积小， 其供电电源也很小，只有闪光灯电影体积的十分之一，采用激光二极管泵浦，由于热效应与闪光灯泵浦的器件相比很小，因此，可以减小冷却

11、系统，使器件结 构简单，装调维修方便，为固体器件的小型化创造了有利的条件；同时，激光二激光二极管 的使用寿命长，其典型寿命为105小时，这使得固体激光器系统的寿命和可靠性大大提高了。LD泵浦Nd:YVO固体激光器中的 LD的波长为808nm它泵浦 Nd:YVQ激光晶体，得到1064nm的激光输出。5. 倍频利用一些非线性材料，可以将某个频率的激光改变成另一种频率。比如，我们实验中用KTP晶体将1064nm激光变换成532nm的激光，则称为倍频。我们的实验中，KTP晶体被置于 激光谐振腔内，叫内腔倍频。6. LD泵浦Nd:YVO4固体(倍频)激光器主要参数及实验6.1.泵浦功率(Pin)输出功率

12、(Pout)特性曲线LD作为固体激光器的泵浦光源，其输出功率作为固体激光器的泵浦功率Pn，而固体激光器的输出功率为 Pout，其曲线为Pin Pout曲线。图2所示。随泵浦功率增加，激光器首先是 渐渐地增加自发辐射，直至超过阈值，发生受激辐射。最感兴趣的参数是开始发生受激辐射时的泵浦功率值，通常把这个功率值称之为阈值功率，用Rh表示。6.2. 阈值功率(Pth )阈值功率是LD泵浦Nd:YVC4固体激光器开始受激辐射时的对应的泵浦功率。测量阈值功率如下:利用激光器的 Pin-Pout曲线可以找到 Ph,其作法有三种：第一是双斜法，它是将Pin- Pout曲线中两条直线延长线交点所对应的功率作为

13、激光器的阈值功率Fth （如图3a所示）；第二种作法是，输出光功率延长线与功率轴的交点作为激光器的Ph （如图3b所示），这是一种比较常规的作法；第三种方法是在Pin - Pout曲线中，将输出功率对泵浦功率求二阶导数，求导数波峰所对应的功率值为Rh，这种作法的测量精度较高，如图3c所示。63 Pin Pout曲线的斜率（）表示这种能力的直接量值是Pth以上的Pn Pout曲线的斜率用 Pout/ Rn。在Pth以上的Rn-Pout曲线的斜率表示波长为 808nm的泵浦功率有多少转换成1064nm固体激光器的输出功率。这是一种光-光转换效率。3a3b3c图3 Pin-Pout曲线法求 Pth1

14、、LD 2、耦合镜 3、全反镜 4、Nd:YV04晶体5、KTP 6、输出镜 7、功率计四、实验主要仪器设备和材料本实验包含下列设备。图 4为实验光路示意图，图5为实验结构图。序号名称主要用途1功率可调808nm激光二极管泵浦源2Nd:YVO 4固体激光器一套激光器主体3光功率指示仪（功率计）测量光功率图4、实验装置示意图泵浦光源汇聚物镜激光晶体倍频晶体图5实验装置结构图五、实验内容和步骤1、半导体激光器实验装置的调整：(1)泵浦光源的调整首先将仪器中的其它调整架取下，只留下泵浦光源及调整架固定在仪器导轨上；采用外置He-Ne激光器进行自准直调整。见下图然后调节激光器使激光器光斑中心对准泵浦光

15、源中心；将泵浦光源调整架沿着导轨前后移动，观察激光器光斑是否始终在泵浦光源中心，如果不在中心则调节激光器或者调节激光器固定立板，直至激光器光斑始终在泵浦光源中心位置。(2)汇聚物镜的调整首先将泵浦光电源开关打开，旋转泵浦光源调焦旋钮进行调焦，焦点距离泵浦光源约3050mm将汇聚物镜调整架放到导轨上，距离泵浦光源约为焦点距离泵浦光源的两倍，泵浦光源光斑不应打到物镜的外面。并He-Ne激光器光点照到物镜后返回的光点应与发出的光点重合。见下图（3）激光晶体的调节将激光晶体调整架放到导轨上， 并调节其位置使泵浦光经汇聚物镜成像点的位置，仔细观察泵浦光汇聚到激光晶体的现象，微调汇聚物镜调节螺钉，直到观察

16、到激光晶体上有最亮的白光为止，此时泵浦光源成像在激光晶体的位置外最佳，固定激光晶体调整架。（4）倍频晶体的调节将倍频晶体调整架放到导轨上，并用 He-Ne激光器进行自准直调节（方法同上） ；调好 后将倍频晶体移动到尽可能靠近激光晶体位置固定。并观察晶体后面的光斑是否完整， 不要存在挡光的现象。（5）输出镜的调节将输出镜调整架放到导轨上，并用He-Ne激光器进行自准直调节（方法同上）；调好后,用白屏将He-Ne激光器激光挡住，观察由泵浦光源发出的光，此时应出来绿色激光。微调输出镜调节螺钉，使绿色激光输出的最强。(6) 光强的调节仪器组装完毕看到绿色激光发出后， 仔细调节泵浦源的聚焦位置及其俯仰，

17、以及微调输出镜的上下左右的位置，使绿色激光光强最大。2、连上电线，保证旋纽位置对应的电流为最小。3、打开激光电源将仪器预热 10 - 30分钟。4、调节电流旋钮，逐步增大电流，同时检测激光功率计的读数。5、记录不同电流下(LD的电流正比于其功率)的功率。六、实验数据处理与分析1、记录不同电流下的功率，表格如下：I in ( A)Pout (mv)I in ( A)Pout (mv)I in ( A)Pout (mv)I in ( A)Pout (mv)2、绘制激光器的I in -Pout特性曲线。3、用两种以上方法确定激光器的阈值功率。4、计算室温时激光器的Iin- Pout曲线的斜率。七、注

18、意事项1、半导体泵浦激光器实验装置应注意防潮，放置于比较干燥的地方。2、在不使用时请将仪器上盖盖好，端盖旋紧，防止灰尘进入仪器。3、切勿让激光直接射入眼睛中，会严重损坏眼睛。八、预习与思考题LD泵浦Nd:YVO固体激光器体激光器受激发射的条件是什么?实验二、LD泵浦Nd:YVQ固体激光器光斑尺寸的测量、实验目的与要求1:了解基模激光光束的传播特性及其横截面光强的高斯分布特性2 :掌握刀口法逐点测量法测量光斑尺寸的原理方法3 :、实验类型验证型三、实验原理及说明在许多应用激光的场合都希望激光光斑的光强分布是均匀的，但是实际的光强分布是不均匀的.在各种不同光强分布形式中，基横模的光强分布不均匀性最

19、小，因此需要激光器工作在基横模状态.激光是现代光学的重要组成部分，让学生掌握研究激光基横模的实验原理和方法是非常必要的.过去研究激光的基横模是用扫描法，本文介绍一种称为刀口法的实验研究方法.这种方法能够验证激光基横模的光强分布是高斯分布，能够方便地测定光斑的大小。1. 光强分布和光斑大小：激光在谐振腔内振荡的过程中.在光束横截面上的光强形成各种不同形式的稳定分.在光束横截面上的这种稳定分布，称为激光束的横向模式.简称横模。取激光器的轴向为直角坐标系的z轴，以谐振腔的中心为原点， 并在与主轴z垂直的平面上取x轴和y轴，用符号TEMm。 来表示各种横向模式这里 m, n均为正整敷，分别表示在 x轴

20、和y轴方向上光强为零的那些零 点的序数，称为模式序数。基横模是光斑中间没有光强为零的光斑，称为TEM00模；而TEMIo模则表示在x方向上有一个光强为零的光斑；TEM1模表示在y方向上有一个光强为零的光斑；以此类推，模式序数 m,n越大.光斑图形中光强为零的数目就越多。基横模的光强分布不均 匀性最小是显而易见的.激光束基横模的光强分布是高斯分布，在垂直于z轴的xy平面上的光强分布l（x,y）为或者2Pol(x, y)Vexp2(x2V2l(x,y) I o exp 2(xV2V称为光斑半径，它定义为光强衰其中Po为光束的总功率，I 0为光束截面上的中央最大光强，减到中央最大光强的l/e 2的位

21、置与Z轴之间的距离，称为半宽度。衡量光斑大小也常用半极 大全宽度（FWHM,它定义为光强衰减到中央最大光强的一半的位置与z轴之间距离的2倍,称为半功率直径，记为 D/2，它与V的关系由式（1）或式 可得：(3)D1/2 2l n2V 1.1774W2. 刀口法测量原理用刀口法可以测定光斑的大小和验证光斑的光强分布是高斯分布实验中使刀口平行于y轴，沿垂直于x轴方向移动当刀口缓慢推人光束时，设刀口挡住了 xo 处波阵面：从(1)式相位部分看出，它虽比均匀球面波多了一个相位因子”(zo)，但e (zo)是个常数，不影响波阵面的形状，所以它的波阵面仍是一个球面曲率半径为R(z) 从式中还可看到，波阵面

22、的曲率半径 R(z)是随z而变化的，R(z)总大于zo,即不同z处的球面 波的中心都不在原点，但随 z的增加逐渐趋于原点.振幅：与z=o处具有相同的变化规律.仍是中心最大.由中心向外以高斯函数形式逐渐减小所以它不同于点光源发射的球面波.(3) z= z oo处一样，都是高斯球面波.不同的是.R(-zo)是沿z传播的会聚球面波，R(zo)o 是沿z传播的发散球面波它们以z=o平面为对称分布.总的说来.光斑尺寸w(z)是随z的增加而增加的，成为两条对称曲线.在z = o2.1激光光斑尺寸测量原理 ：本实验采用刀口法来测量激光光斑尺寸，当利用一刀口垂直于光束传播方向，比如x方向移动，将遮盖部分光束，

23、这将导致通过的激光功率下降，则图2所示。图2:刀片与光斑相对位置当刀口处于X = - 3位置时，透过的激光功率与总功率 (P0)之比为:p( w)P01 2 2(2/ ) 一 exp( 2x /w )dx(7)同理，当刀口处于 X = 3时，透过的激光功率与总功率 (Po)之比为:p(w)P01 0.940.06(8)由P(- 3 )/ P 0=0.94 , P( 3 )/ P 0=0.06可知，刀口沿x方向移动分别测出激光透过功率为94 %和6 %二值所对应的刀口相对位置，即可测得光束腰斑直径2 3值。2.激光光束远场发散角测量原理： 我们将(2)式变换一下形式，得:w22w(w；/ )2(

24、9)正是双曲线方程它表明光斑尺寸的轨迹是一组以z= 0为原点的双曲线，见图 3.我们用全发散角2 B表征它的发散程度，定义：222毗雪 2w4 z2 2)1/2(10)dz w00增加.在z = 0-z =乙这段范围内.全发散角变化较慢.我们称2W。z乙为准直距离：(11)现在分析2 B在整个传播光路中的变化情况.显然.在 2 = 0处，20 = 0.当z增大，2在zZr，全发散角变化加快.当z- a, 2 0变为常数.我们将此处的全发散角称为远场发散角，有：2 2W0不难看出，远场发散角实际就是以光斑尺寸为轨迹的两条双曲线的渐近线间的夹角,图4。振幅的價向分布图3平凹腔中基模TEM0的剖面图

25、图4高斯光束远场发散角实验中，我们如何测量远场发散角呢？由于不可能在无穷远处测量，故(9)式只是理论上的计算式，不能作为测量公式，而需用近似测量来代替可以证明，当z7Zr时.20/20(R )99 %，即当z值大于7倍zr时所测得的全发散角可和理论上的远场发散角相比， 误差仅在1 %以内.那么Z值带来的实验误差已不是影响实验结果的主要因素了，这就为我 们提供了实验上测远场发散角所应选取的Z值范围.可采用以下两种近似计算：一种方法是，选取 Zzr的两个不同值Z1, Z2,根据光斑尺寸定义，从 I P曲线中分别 求出w(zi) , w(Z2)，利用公式：ccW(Z2) w(zi)22(13)z2

26、z1另一种方法是，由于 Z足够大时，全发散角为定值，好像是从源点发出的一条直线，所以实验上还可用一个z值(z7z r)及与其对应的 w(z),通过公式：(14)22w( z) / z来计算，选择哪一个近似公式更好，要根据具体情况和误差分析而定。四、实验主要仪器设备和材料序号名称主要用途1功率可调808nm激光二极管泵浦源2Nd:YVO 4固体激光器一套激光器主体3光功率指示仪（功率计）测量光功率五、实验内容和步骤1、调好光路，使得 532nm的激光稳定输出。2 、以输出镜为原点，在光路方向上利用刀口法分别测量距离原点为0.2m,0.4m,0.6m,0.8m,1.0m处的光斑尺寸。3 、计算每一

27、处的光斑尺寸，利用两种方法处理数据求出远场发散角。六、实验数据处理与分析距离总功率功率（mw）相应位置光斑大小W （z）发散角22 w(z2)-w(z1/z2-z1Z=0.2m0.251(94%)12.8554.51445.14(6%)3.827Z=0.4m0.200(94%)12.0002.65113.261(6%)6.698Z=0.6m0.138(94%)12.0002.5928.64(6%)6.816Z=0.8m0.125(94%)12.0001.2823.21(6%)9.436七、注意事项4、半导体泵浦激光器实验装置应注意防潮，放置于比较干燥的地方。5、在不使用时请将仪器上盖盖好，端盖

28、旋紧，防止灰尘进入仪器。6、切勿让激光直接射入眼睛中，会严重损坏眼睛。八、预习与思考题1、思考如何提高测量光斑尺寸的精度。2、思考两种测量远场发散角的特点并比较之。说明： 光功率计在测量过程中是全频率接收， 所以功率计只能测量单一波长的光的功率 （具体内容请查阅功率计原理的相关资料） 。半导体泵浦所发出的光是由 532nm、808nm 和 1064nm 等波长的混合光，所以光功率计所接收的功率实际上是这三种光所叠加的功率。在 使用刀口法测量的过程中， 当绿色激光完全被挡住的时候， 由于 808nm 和 1064nm 的光的影 响，功率计的示数并不是零。如果想达到理想的效果，可以在功率计前加53

29、2nm 滤光片。实验四、声光调Q技术、实验目的与要求1掌握调Q技术的基本原理。2、观察声光调 Q激光器的调Q现象。3、脉冲与连续激光器相对稳定性的测量。、实验类型验证型三、实验原理及说明激光调Q技术又称激光 Q突变技术，它是通过激光谐振腔 Q值产生的突变，使受激辐射 在很短的时间内建立并达到最大值的一种技术。也就是说，在初始时使谐振腔的Q值很低,在持续激励的作用下，高能态的粒子得以不断的积累，并达到最大值，此时激光工作物质具 有最大的增益，但由于谐振腔处于低Q值高损耗的状态，并不形成激光振荡。此后，若突然将激光谐振腔的 Q值提高，在高增益的作用下， 激光振荡的建立非常迅速，因此在极短的时间内输

30、出一个很强的巨脉冲。使激光谐振腔产生 Q突变的方法有多种，常用的有电光、声光、转镜Q开关的主动调 Q方式，以及使用可饱和吸收体的被动调Q方式等。本实验采用的是声光调Q方式。1.调Q脉冲主要特性的一些表达式 ：我们从激光速率方程出发，可以得到表示调Q脉冲主要特性的一些表达式。由调Q激光 器产生的巨脉冲峰值功率为式中V为工作物质的体积,阈值粒子反转数密度,PpVhcnth 1In Bnthg gl，gl、g2为能级的简并度,c为腔内的辐射衰耗时间常数，其表达式为1c tR In(1.)式中tR是光子在谐振腔内往返一周的时间,(不包括输出损耗)。调Q巨脉冲能量为是输出镜的反射率,(4-1)ni、nt

31、h分别是初始和为谐振腔的往返损耗E (1/ )Vh (nnf)1n(1/)(4-2)1n (1/ )式中nf为终止粒子反转数密度。调Q巨脉冲宽度为ninfcninth 1 1n(n J n)(4-3)如果把Q开关打开到光脉冲形成并增长到极大值的1/20所需的时间定义为脉冲形成时间td，则有(4-4)tR 1 n( max / 20 i )2GLa 1n(1/ )式中，i、 max分别为初始与最大光子数密度，G是工作物质的增益系数，La为工作物质的长度。2.声光调Q器件（声光Q开关）的工作原理：声光调Q技术是以声光相互作用所形成的衍射损耗的突变得以实现的。它是一项重要的激光技术，可以大大压缩激光

32、的脉冲宽度，从而使输出的激光峰值功率大为提高。如图1所示，当声光调Q器件驱动器产生的高频等幅振荡电信号加在声光调Q器件的换能器上时，换能器产生超声振动， 在声光介质内形成纵向机械应力 波，引起介质密度呈疏密交替的变 化，从而使介质的折射率也发生同 样的变化，形成等效的“相位光栅”。当光束通过声光介质时便产生衍 射，造成损耗，使激光谐振腔的Q值下降。若损耗大于激光工作物质 的增益，就不能产生振荡，或者说 声光调Q器件将激光关断。当高频 等幅振荡在方波调制的作用下，突 然有短暂的停歇时，声光调Q器件内部的衍射也突然消失，使谐振腔Q值产生突变，从而产生图1产生布拉格衍射的声光器件调Q巨脉冲。当反转粒

33、子数被消耗减少到激光振荡的阈值粒子数之下时，振荡停止，紧接着高频等幅振荡再次形成，进入下一个循环。本实验中，声光调 Q器件驱动器产生的高频等幅振荡电信号的频率约为70MHz调制方波的频率范围为 5kHz至10kHz。图2表示连续泵浦的声光调 Q激光器光脉冲的形成与谐振腔Q值、反转粒子数之间的关系。声光相互作用产生的衍射可分为喇曼一奈斯衍射与布拉格衍射两种。它们是根据超声波2波长s、光波波长以及声光相互作用距离L的不同而区分的。当LS,即当相互作用距离短、超声波频率低，且入射光的方向与超声波波面平行（正入射）时，产生喇曼一奈 斯衍射，衍射光对称地分布在零级光的两则，通常有若干级。若超声波频率提高

34、，声光相互2作用距离增加，即 Ls,且光束以偏离正入射一小角度（即入射光的方向与超声波波面的夹角为 ）入射时，为布拉格衍射。这时只产生位于零级光一侧的一级衍射，一级衍射 光与超声波波面的夹角也为，如图3-1所示。实际的声光调 Q器件都使用布拉格衍射，因为它具有较高的衍射效率。布拉格衍射角由下式确定sin （2 s）（3-5）所以，1级衍射光与0级衍射光在介质外的夹角2 可近似地表示为2s（3-6）布拉格衍射效率丨1. 2Lsin. M 2 Ps（ 3-7）I o2 w式中，Il、Io分别为一级衍射光光强与入射光光强，w、L分别为超声波场的宽度与长度,M 2为声光介质的品质因数，Ps为超声功率。

35、图2在连续泵浦的固体激光器中光脉冲的形成声光调Q器件中的超声换能器一般为 LiNbO3，声光介质为熔石英或重火石玻璃等。重火石玻璃器件的衍射效率高，但它的光学质量差些，在激光平均功率高的情况下，吸收与散射比较大。本实验使用的声光调Q器件的超声换能器为 LiNbO3，声光介质为熔石英。从（3-1 ）、（ 3-2 ）、（ 3-3 ）、（ 3-4 ）式可以看出影响调 Q光脉冲的一些主要因素。在实际的声 光调Q激光器中，情况远为复杂，在重复率提高的情况下， 脉冲之间没有足够的时间使反转 粒子数达到最大值，导致峰值功率下降，且由于增益减小，使脉宽与脉冲形成时间都会增加。 此外，开关速度变慢、高 Q状态持

36、续时间过长，还会产生多脉冲的不利影响。四、实验主要仪器设备和材料序号名称主要用途1连续-脉冲-532nm绿激光器教学实验系统发出激光2直流稳压电源调Q器件电源3光功率计激光能量检测4光电接收器激光脉冲检测5示波器显示信号五、实验内容和步骤1、连续绿激光实验： 谐振腔调整 以Ne-Ne激光光束作为准直工具，进行激光谐振腔的调整，得到绿激光输出。 具体步骤如下： 连接激光器与其驱动器，连接声光Q开关与其驱动器，暂不加电； 从激光器底座上卸下反射镜和 Q开关； 调整绿激光器和 He-Ne激光器的相对位置，使 HeNe激光束？垂直入射到倍频晶体 KTP的中心，并使此光束按原方向返回； 固定绿激光器和

37、He-Ne激光器的相对位置； 把反射镜安装到激光器底板上，粗调它的位置和方位，使它和HeNe激光束垂直。此平凹反射镜有一大一小两个反射光斑； 使大光斑和入射光束同心， 并使小光斑尽量和入射 光束接近（同心最好）； 按激光器驱动器使用要求，接通激光器驱动器，并使LD在适当的电流下工作；此时应当看到有绿激光输出；如果没有激光输出， 可以微调反射镜的角度 （在小范围内扫描），直到有绿激光输出；微调反射镜角度，使输出绿激光最强。2 、输出功率及其稳定性测量此项测量需要激光功率计把输出激光束透射到激光功率计内，即可测量绿激光的功率及其稳定性；改变激光器工作电流，可以得到激光器输出功率和驱动电流对应关系的

38、曲线；固定激光器工作电流，在激光器达到平衡后（一般需要15分钟），记录其输出功率的变化，得到其输出功率稳定性；3 、脉冲绿激光器实验：按前述方法调出连续绿激光并使其是基横模并且功率最大；把声光Q开关放入激光谐振腔内，细心微调它的位置和方位，直到有绿激光输出，并 使输出光最强；使声光Q开关驱动器工作，此时微调声光Q开关的角度（有时需要配合微调反射镜的角度），使得输出绿激光是基横模输出，并且光强最大；4、激光脉冲频率和宽度测量此项需要光电接收器和示波器连接光电接收器和示波器，并使它们开始工作；把光电接收器对准绿激光器输出光束，此时在示波器上可以看到脉冲绿激光的波形、频率/周期、脉冲宽度及激光脉冲的

39、稳定性等；5、平均功率、峰值功率、脉冲能量及其稳定性测量用功率计测量输出绿激光的平均功率，用示波器测量脉冲绿激光的重复频率和脉冲宽度，从而得到绿激光器的平均功率、峰值功率、单脉冲能量；测量平均功率的稳定性，可以计算得到绿激光器的平均峰值功率稳定性、平均单脉冲 能量稳定性；从示波器的波形上可以得到激光脉冲峰值功率的不稳定性；6、衍射实验按前法调出绿激光；使此激光束垂直通过声光Q开关工作介质的中部，然后使声光Q开关驱动器工作，在声光Q开关后的屏上可以看到透射光斑和衍射光斑；仔细调整声光Q开关的位置和角度，可以观察到相对于透射光斑对称和不对称的、或强或弱的各级衍射光斑，也可以得到最大的衍射效率及相应

40、的位置；通过简单的几何测量，可以得到衍射角等有关衍射的参量；通过功率测量，可以得到衍射效率等参量；7、调制信号、超声载波和已调制超声载波测量（波形、频率和幅度）此项测量需要高频示波器具体作法：A. 用同轴电缆连接声光 Q开关驱动器的控制信号输入端的Q9插座和示波器，可以在示波器上观察和测量控制信号的波形、重复频率、脉冲宽度、幅度和占空比等；B. 用同轴电缆连接声光 Q开关驱动器的输出端的 Q9插座（和输出到声光 Q开关并联） 和示波器，可以在示波器上观察和测量声光 Q开关输出波形（70MHz超声波正弦信号和调制 后的波形）。C. 声光Q开关驱动器上控制线路板 4路开关说明：D. 1 #、2 #

41、和3 #只能分别单独接通一个，容许同时接通：1 #:接通时，用内部方波信号控制Q开关工作；2 #:接通时，用（计算机）TTL电平控制Q开关（接在com点）3 #:接通时，用手动触发控制Q开关工作；（接在tap点）4 # :接通5VDC电源，控制板工作。六、实验数据处理与分析表一、连续与脉冲平均功率的比较泵浦l(mA)连 续P(mw)脉 冲P(mw)表二、连续与脉冲稳定性测量间隔时间（s）连续输出功率（mw）脉冲输出功率（mw）间隔时间（s）连续输出功率（mw）脉冲输出功率（mw）七、注意事项1、 激光功率较强，切勿直射入眼，特别是在调Q状态下。2、在调Q状态下电流不宜超过 0.8安培。八、预习

42、与思考题1、思考调Q技术的原理与作用。2、思考平均功率与峰值功率的区别。实验五、He- Ne激光器谐振腔调节、实验目的与要求1 :了解He-Ne激光器的基本原理、基本结构2 :掌握He-Ne激光器半内腔谐振腔调节方法、实验类型验证型三、实验原理及说明一台激光器，它的基本结构包括三部分：工作物质、光学谐振腔和激励能源。要形成激光，第一，首先要有激励能源（以He-Ne气体激光器为例）激励能源为直流高压，当玻璃管里充上不同比例的氦气和氖（激活物质）在激活物质内部通过气体放电，在某些能级之间，实现粒子数反转。第二，必须满足产生激光的阈值条件，既要使光在谐振腔里来回一次在激活物质中所获得的增益足以补偿由各种因素所导致的光的损耗。在忽略介质的损耗的情况 下，阈值条件为2GLri r2 e I （ 式中ri, r2为两谐振腔的反射率，L为激活物质的长度）dly（Z）G为激活物质的增益系数，定义为：G（丫 ）=-Iy dz即频率为丫的单色光，在激活物质中传播单位距离，所增加的光强的百分比。激光器出光原理（以半内腔式为例）在激光器内充有一定比例的氦气和氖气。封上以后，谐振腔A被严格的固定在激光管管子上，谐振腔B在管子外部，可以延光轴前后移动。当在激光器正