激光实验指导2015fix1开启电源前先检查制冷

实验一图1-1是固体激光器的基本结构示意图。 钕钇铝石榴石(即Nd3:YAG)晶体。由于Nd3:YAG晶体具有荧光谱线窄、量子效率高等特点，它的增益高、阀值低、激光输出效率高，故在中小功率的冲激光器中得到广泛应用。本实验中即采用Nd3:YAG作为激光工作物质，该工作物质的激活离子Nd3，属四能级系统，发射激光波长为1064nm，工作脉冲方式。 较长的（103~104S）,因而易于实现粒子数积累。当粒子由E向E跃迁时，产生 光辐射，粒子到达能级E2 回到基态E1。基于这种状态以及由于热平衡情况，使得粒子不易在E2在外界激励下，能级E3和E2式中E

（1- 以上几种损耗中，2、4是我们无法调整的，1、3是我们可以调整的。阈值泵浦能量pt增加，减少腔内激光能量；但同时输出镜通过率T增加也可以使腔内激光个最佳透过率Tm。当TTm时，对于相同的输入能量输出能量最大。1-1测试声光调Q激光器的静、动态输出特性（平均功率；动静比；调Q脉冲半宽度、通过实验加深对Q的概念和方法，在1962年由owarth和MeClung研制出第一台调Q激光器。现在直接采激光谐振Q 腔 的能

2-W*Wc式中，0为激光的中心频率。W表示腔内的能量，*W表示光在腔内单程能W*Wc* 由上式可见，Q与 就高，则阈值低，激光易于起振。调Q技术一定程序变化的技术，在泵浦的初始阶段，Q值状态，即提当高程度时，突然使腔的损耗变小，Q值突冲宽度窄的调Q巨脉冲输出。 图2-1调Q原Wp随时间的变化；图(b)Q值是时间的阶跃函数；图(c)表示粒子反转数光上能级的粒子数不断积累，直至t0时刻，粒子数反转达到最大值ni，在这一时刻，Q值突然升高(损耗下降)，振荡阈值随之降低，于是激光振荡开始建立。由于ni 反转数)，因此受激辐射增强非常迅速，激光介质的能量在极短的时间内转变为受激辐QQ值随时间按一定程序变化的技术。要按着采用不同的调制器件，调Q技术可以分为电光调Q、声光调Q、调Q等方式。2-2是声光调Q2-2Q声光调Q激光器是利用声光相互作用原理，采用声光调制器件进行调Q的激光器。频率的高低以及声光作用区长度的不同，声光相互作用可以分为RamanNath衍射和Bragg2-3所示：其中当Ls2时，为喇曼—2于声光方向，产生若干对称分布的衍射光；当LS22—角 ，并满足布拉格关系式

2n由于布喇拉格衍射的效率比喇曼—2-3把声光调制器插入谐振腔内，当声光电源产生的高频振荡信号加在声光调Q器件的换能器上时，所形成的超声波振动在声光介质中使折射率发生变化，产生Bragg衍射。衍射光相对于入射光有2B的偏离，当超声频率在20~50MHz范围时，石英对1064nm的光波化一次，就使激光输出一个调Q脉冲。声光Qfs的矩形脉冲来调制高频振fs的调Q脉冲序列。为了能使工作物质激光上能级积累足够多的粒子，并且避免过光器，选取调Q重复率f在4~5kHz为宜。2-4声光调Q图2-6 调制频率调节旋钮来改光Q开关的调制频率；使用完成后直接按下声光驱动电；He-Ne激光光束把谐振腔内的所有光学元件准直，其方法是使所有通光面在He-Ne激光器关闭（注意：一般情况下，只调节输出镜即可，全反镜不用调节。而或重复步骤4.4）kHz、6kHz、8kHz4.5同样改变泵浦电流值，分别测量激光动态输出平均功率Pf。k；于调Q脉冲的峰值功率和脉冲宽度的影响）调制频率对调Q脉冲的平均功率、峰值功率和脉冲宽度的影响）kP~I和Pf~I数据点，用直线拟合数据点（k、使用步骤4.6和步骤4.7的数据，利 激光输出平均功率P平均峰值调制频率 脉冲宽m5.2、使用步骤4.8获得的数据，同样利 激光输出平均功率P平均，峰值调制频率 脉冲宽m12A时,QQ脉冲峰值功调制频率对声光调Q实验三的热透镜焦距代表了热透镜效应的强弱，因此有必要对其进量。1n0o 1 n0o 2Pd

Cr 0其中KAPddndT表示折射率的温度梯度，为热膨胀系数，Cr和C分别对应径向和切向情况的常数，是材料r0n0表示激光棒中心的折射率。激光介质的热焦距Pd就与激光棒吸收系数、泵浦功率、聚光效率、冷却液的热交换系数等因素有着直接联系，而这些量又无法确切地测量，因此热焦距f也是受振腔的稳定性条件g1 0可以得出此时激光介质的热焦距4-14-1所示，含有热透镜效应的激光介质的稳定性条件可以用它的等价g参数来表 1 1 2 2

4-

f

4-腔来说有 ，L1,2分别表示热透镜主平面与两个腔镜之间的距离。对于平行平面腔

g 31 对于非对称平平腔， L2，如果 L2& f，则只需要g2为正数，即只要

0 应的热透镜焦距就等于L2，泵浦电流为该谐振腔长度下的临界泵浦电流IL2；当f 点对应的泵浦电流，就可以确定f~I曲线。 位置与输出镜镜面之间的距离L2=（导轨上的刻度值+220）mm。He-Ne激光光束把谐振腔内的所有光学元件准直，其方法是使所有通光面在He-Ne激光器关闭（注意：一般情况下，只调节输出镜即可，全反镜不用调节。而3.310A左右，在激光器输出端观察上转要太大，电流太大反倒不一定会有激光，关键在于步骤4.5调试的是否足够好）粗略确定激光输出功率由上升变为下降的临界点，记下此时对应的泵浦电流I。那18A18A时激光输出还没有下降，I0.5AI0.5A0.1A间隔改变泵浦电流，用功率计测量输出功L电流IL2的L24.4~4.8，最终绘制出f~I曲线。实验四

E0(z) 1

2rI I0(z) 4-E0(z——在zI0(zz——Z截面上光斑的光斑半径，其意义为光强沿垂直于光束方向下降

如果对5-2式y方向做积分，可以得到光强沿x方向的分布函数 I dy 3即I 不一定为坐标原点，5-3式可以写成：I

z

4-1 2 5f或

4-f f0 ——激光波z f—— 图4-2 当z

4-( 80量激光光束质量，为了描述实际光束偏离基模光束的程度，上世纪80年代末期A.E.Siegman定义了无量纲的M2M

4- 基模光束的远场发散角 可以得到实际光束的M2因00M R0R 4-式中R0为实际光束束腰，R利用M2因子将分布复杂的实际光束同基模光束联系起来，使用基模光束的传输变

M

4-实际光束在任意距离处的光束半径都是内嵌光束的M倍，可以得 2 2 2 2L2RRRRR式中AB、CARACBCB4 4-4 242M光束的空间分布特性，可以通过测定不同位置z1、z2、z3……处光束截面光强随径向的分布，根据光强的径向分布曲线可求得在该截面处光束的光斑半 ，然后将 图4-3z1350mmm350mm100mm进行一次测量，一共测量9个位置（读数位置见图4-4。位置要求水平方向每移动0.1mm测量一个数据。）、对步骤4.3中测量得到的每个位置I~x数据用4-5进行拟合，得到每个测量位置上的光束半径。 与纵向坐标z的关系得到拟合系数AB、C

~zi用4-13进行拟合2、用4-14算出光束的发散 、束腰半 、束腰位置L和M因子2 实验五 g1g ng1g 式中：L为激光器谐振腔长度，c为光速，q为纵模模序，mn为横模模序。

L LRRg g2c

5-g1 1 5-g1m

g1 1g1q

5-g 51q为平面镜，全反镜为球面镜。因此有R1 ，g1 1，代入5-5式，可以得到RLR2 m

5-即只要能够测量得到横模间隔与纵模间隔之比m/qL，就径，lr1r2。每一反射镜的曲率中心处于另一面反射镜的顶点上，因而它们的近轴焦点重图5-1共焦球面扫 其中，l为仪的腔长，n为两反射镜间介质的折射率。只有当光波波 满

5- 5-电陶瓷上加一个随时间变化的电压Vt时；因压电陶瓷的长度随电压成正比变化，则压电 器就成了扫描仪。即待测激光束中包含的不同频率成分是在不同的时刻通过扫描次透过仪的激光模式的频谱关系，可以通过扫描仪的自由光谱区来确定。10q10q10q10qmmqqF/F5-2由 知，当共焦腔长变 ，波长为的模可再次透过仪4与腔长变 对应的频率变化

c，通常称 腔长变化大 /4，于是的扫描范围就大 F。T F/ F如果测得示波器上两模式之间的间隔 ，则这两个模式之间的频率间隔为 9F如果已知两个模式之间的频率间隔 ，则这两个模式在示波器上横坐标的间隔为

5-5-35-4 自由光谱区：2483精细常 >200（型号GCI-光电:PIN光电接收放大器带宽到示波器的CH2端口，CH2通道设置中的“反相”开关打开。11个小的光点，使大光束和扫描仪的光轴基本重合。此时在“扫描仪”后面的“光电光斑，那么微调“扫描仪，使“光电”上的两个圆光斑完全重合。、调整光电的水平和垂直位置，使其表面上的小孔与的红色激光光斑重合。利，则细调扫描仪的位置和方位以及光电位置，使在示波器上看到的谱，组“光电”进光孔比较小，因此除了调整“光电”的水平和垂直位置外，还要调整“光电接收器”（调整过程中应该看着示波器上的波形进行调整，以获得最佳的效果）、在示波器上找到重复的波形，定出扫描仪的自由光谱区vF所对应的时间间隔F，求出单位时间间隔对应的频率间隔T（ vF=2483MHz） q隔q。、增加示波器屏幕水平分辨率，以完整的看到一组模，如图5-6所示。利用步4.8中算出的q，在示波器显示屏上找到代表相邻纵模间隔的两个尖峰，则两者之间的尖峰即为相邻的横模间隔（此步骤可以将示波器水平分辨率设置为1ms左图5-6一组完整 、测量出示波器上相邻横模的时间间 m，用5-9算出对应的相邻横模频率 m m/ 、什么是仪的自由光谱vF？当vF小于激光工作物质的荧光线宽时，示波器实验六半导体泵浦固体激光器(Diode-Pumpedsolid-stateLaser,DPL)，是以激光二极管(LD)代80年代起，生长半导体激光器(LD)LD的功率和效DPSL的效率大大提高，体积大大减小。图6-1所示。DPL激光器性能的重要器件。为了获得高效率的激光输出，在一定运波和脉冲激光运转，以钕离子Nd3)作为激活粒子的钕激光器是使用最广泛的激光器。其 5 5广泛的LDNdYAG807.5nm处有一强吸收峰。我们如果选择波长与之匹配的LD作为泵浦源，就可获得高的输出功率和泵浦效率，这时我们称实现漂移，输出功率也会发生变化。因此，为了获得稳定的波长，需采用具各精确控温的LD电源，并把LD的温度设置好，使LD工作时的波长与Nd:YAG的吸收峰匹配。6-2所示，则平凹腔中的g 1