脉冲固体激光器输出特性研究

1、中国石油大学 近代物理 实验报告 成绩:班级: 姓名: 同组者: 教师:实验6-1 脉冲固体激光器输出特性研究【实验目的】1、了解脉冲固体激光器的基本结构和基本原理,并练习调整激光器谐振腔,使其输出激光。2、测定脉冲激光器的输出特性曲线,找出光泵能量阈值,计算出激光器的绝对效率和斜效率。3、测定激光器输出光束的发散角。【实验原理】(一固体激光器的基本结构和工作原理脉冲固体激光器主要由工作物质,泵浦系统和光学谐振腔等部分组成。 1、工作物质 要形成激光,首先必须利用激励源使工作物质激活,既使工作物质内部的电子在某些能级之间实现粒子数的反转分布,即处于高能级的粒子数目多于处于较低能级的粒子的数目,

2、因此工作物质一般采用具有亚稳态的三能级甚至是四能级物质。2、泵浦系统本实验中所用YAG 激光器的光泵系统由聚光腔、脉冲氙灯和它的供电系统以及触发器组成。直流电源给储能电容充电到数百伏,并加到氙灯的两极,这时氙灯不发光。触发器接通后,立即发出一个一万多伏的电脉冲使氙灯导通,这时储能电容通过氙灯放电,氙灯发出强烈的闪光。此光激活工作物质,引起粒子数的反转。3、光学谐振腔光学谐振腔一般有两个作用,能量累计和方向选择。能量累计必须满足阈值条件,即光在振荡管中一个来回吸收的能量大于消耗的能量。而方向选择则是光必须严格与反射镜垂直,否则将从震荡管的侧面射出振荡管。(二YAG 激光器输出特性 1、输出特性曲

3、线输出特性曲线是指激光器的输出能量与输入能量之间的关系曲线。输入能量可由公式(2221剩充U U C E -= 求得,其中C 为充电电容器的电容。输出能量则又能量计读出。对于输出曲线的每一个点,都对应一个输出能量出E 与输入能量入E 的比值,用来表示,叫做激光器的绝对效率,具体表示为%100=入出E E 。而在输出曲线上,有一段是直线,此时引入斜效率的概念,BA BA E E E E 入入出出斜-=,A,B 为直线部分上的任意两点。入斜、E 曲线与输出特性曲线的对应关系如 图2、发散角虽然激光具有很好的方向性,但也不是绝对平行,就算是理想的平行平面谐振腔,由于输出的是有限宽度的平面波,也因衍射

4、效应而使光束具有一定的发散性。,因此激光束会具有一定的发散角。 如图,可轻易看出发散角可以用式f D ''=2 算出,实验中只需利用读数显微镜测出光斑直径就可以利用焦距f 算出激光束的发散角。【实验装置】YAG 固体激光器、能量计、He 一Ne 激光器,读数显微镜,直流电源等。【实验内容】1、调整激光器的谐振腔2、测量输入、输出能量3,、测量发散角【数据处理】1. 测量输入输出能量输入能量计算方程为(2221剩充U U C E -=,通过仪器上的仪器指针读出充电电压和剩余电压,计算得出输入能量。 根据公式%100=入出E E 计算出的值,填入下表。 图1、E 出-E 入关系曲线

5、图根据E 入E 出关系作出如图1所示图像,斜即为图中直线部分的斜率,通过直线拟合得到直线斜率为0.01925,即斜=0.01925.即: BA BA E E E E 入入出出斜-=0.01925.根据表1数据做出斜-E 入关系曲线图及-E 出关系曲线图分别如图2图3所示。 图 2、斜-E 入关系曲线图 图 3、-E 出关系曲线图分析图1可知输出特性曲线存在一段一阶线性曲线,在此区间内输入能量与输出能量变化成比例,因此让激光器工作在这一区间内,通过改变输入能量来调节输出能量,可实现输出能量的稳定性。从图上可以看出激光器的输出能量阀值E min 大概在13J 之间,故而要求输入能量不能小于这个值,

6、否则激光器会停止震荡,从而得不到激光。而在图2中,斜是图中区间上输出特性曲线的斜率,观察对应的区间变化趋势可知,在区间上,如果输入能量的取值范围足够大,最终将会无限趋近于斜,这是由区间的直线特性决定的,但实际上线性区间是有限的,因此绝对效率不会等于斜效率。图3曲线反应了输入能量与输出能量的对应关系,从图我们可以看出转化效率先增加后逐渐减小,因此再输入能量增大到一程度后输出能量的转化效率开始逐渐减小,产生这个结果的原因可能是输出能量存在上限,到达上限的时候,即使输入能量再增加输出能量也不会随之增加了。我们还可以知道,绝对效率总小于斜效率,并逐渐接近,斜效率在一定区间内是不变的,而绝对效率先大后小

7、是因为开始时,输入能量低,有很多原子没有被激发,随着输入能量的增加,原子激发个数增加,绝对效率增加,随着输入能量积继续增加,原子被激发数目会减少,从而绝对效率会降低。2. 发散角的测量记录数据入下:表2 发散角的测量数据记录表 计算处理得到光斑的直径,并计算激光的发散角。 fD='=0.01949 =/2=0.01949/2=9.745*10-3 我们从以上数值的数量级为“毫弧度”可以看出,激光的发散角很小,说明激光的方向性很好,然而这和透镜,光学谐振腔的作用是分不开的,将输出的能量集中在很小的范围内,基本上很具体的方向上,从而使激光具有了较强的能量或是说杀伤性,这一点我们可以从具体的

8、实验中明确的察觉到,比如说有激光在照片地板上打斑,我们就能感受到它的威力,但是但充电电压较低的时候,我们可以看到激光的威力较小,这说明此时激光的输出能量小,并不是激光的发散角发生了变化!【注意事项】 注意事项】 1、电源工作时绝对不能用手触摸储能电容器或氙灯两极，关闭电源后，因电容器中尚有残余电压， 手也不能触摸，以防触电！ 2、激光器工作时，切不可将眼睛对着输出镜，否则会严重烧伤眼睛，造成不可挽救的后果。 3、He 一 Ne 激光器完成辅助调节任务后，即应关闭，然后再试固体激光器的激光输出。 【思考与讨论】 思考与讨论】 1 怎样调整 YAG 激光器的谐振腔？ 答：第一步：将全反镜连同框架一

9、起卸掉或使其明显偏离标准位置，并用纸挡住半反镜，调节基 座，使棒的两个端面反射回来的光斑恰好进入白色小孔屏的小孔，这时棒的端面已经与激光垂直（因 棒的两端面是平行的，所以通常只看到一个反射斑。 第二步：取掉挡住半反镜的纸片，调节半反镜框架上的螺丝，使它反射回来的光斑也进入小孔。 第三步：轻轻装上全反镜，用纸片挡住工作物质，再调节全反镜框架上的螺丝，使它反射回来的 光也进入小孔。 【误差分析】 误差分析】 在本次试验中，误差主要有这样几个来源： 第一：在给电容充电时，由于没有准调装置，使得与理论值有所偏差； 第二：我还发现一起的刻度盘有一处刻度出现错误，也使得误差增大； 第三：在用激光打斑的时候，所用电压值的大小在读取时存在的人为误差和系统误差； 第四：在测量斑的大小时，由于实验仪器的长期磨损而长生的系统误差和读取时不可避免的误差； 当然这些都是导致的结果和结论出现较大偏差。 【实验总结】 实验总结】 通过对此次实验的学习，重点让我们清楚的明白了是么是激光，什么是自然光，激光主要是由受激 辐射所产生的，这一点在实验中理解的更加清楚。另外，从总体来说，此次试验的操作较为简单，因 为它省略了谐振腔调节着一个环节，但是将本实验与之前做过的试验相比，误差还是较大的，因为从 数据的测量、读取，实验仪器上来说，都可以造成较大的误差。还有就是在实验中发散角的测量的