激光原理实验(山科大)

10试验一He-Ne〔一〕试验目的与要求目的：使学生了解激光器模式的形成及特点，加深对其物理概念的理解；通过测试分析，把握理，性能，学会正确使用。He-Ne激光器的相邻纵横模间隔，判别高阶横模的阶次；观看激光器的频率漂移记跳模现象体会谐振腔的调整对它的影响。〔二〕试验原理激光器模的形成我们知道，激光器的三个根本组成局部是增益介质、谐振腔和鼓励能源。假设用某种鼓励方式，在介质的某一对能级间形成粒子数反转分布，由于自发辐射和受激辐射的作用，将有肯定频率的光波产生，在腔内传播，并被增益介质渐渐增加、放大，如图1-11-2G()光，要产生激光还需要有谐振腔对其进展光学反响，使光在屡次来回传播中图1-1粒子数反转分布 形成稳定持续的振荡形成持续振荡的条件是，光在谐振腔内来回一周的光程差应是波长的整数倍，即2Lq 〔1-1〕q为折射率，对气体≈1；L为腔q为正整数。这正是光波相干的极大条件，满足此条件的光将获得极大增加。每一q对应纵向一种稳定的电磁场分布，叫作q称作纵模序数。q是一个很大q值，即激光器有几个不同的纵模。从〔2-1〕式中，我们还看出，这也是驻波形成的条件，腔内的纵模是以驻波形式存在的，q值反映的恰是驻波波腹的 图1-2光的增益曲线 数目，纵模的频率为 q cq 2L

〔1-2〕同样，一般我们不去求它，而关心的是相邻两个纵模的频率间隔q1

c2L

c 〔1-3〕2L从〔2-3〕式中看出，相邻纵模频率间隔和激光器的腔长成反比，即腔越长，相邻纵模频率间隔越小，满足振荡条件的纵模个数越多；相反，腔越短，相邻纵模频率间隔越大，在同样法之一。光波在腔内来回振荡时，一方面有增益，使光不断增加；另一方面也存在着多种损耗，所以，不仅要满足谐振条件，还需要增益大于各种损耗的总和，才能形成持续振荡，有2-3所以，有三个纵模形成持续振荡。对于纵模的观测，由于q值很大，相邻纵模频率差异很小，一般的分光仪器无法区分，必需使用精度较高的检测仪器才能观测到。谐振腔对光屡次反响，在纵向形成不同的场分布，那么对横向是否也会产生影响呢？答复是确定的，这是由于光每经过放电毛细管反响一次，就相当于一次图1-3纵模和纵模间隔 衍射，屡次反复衍射，就在横向形成了一个或多个稳定的衍射光斑每一个衍射光斑对应一种稳定的横向电磁场分布称为一个横模。图2-4中给出了几种常见的根本横模光斑图样我们所看到的简单的光斑则是这些根本TEM

mnq为纵模的mnq标记。m是沿Xn是沿Y轴场强为零的节点数。图1-4常见的横模光斑图同样，不同的横模也对应不同的频率。横模序数越大，频率越高。通常我们也不需要求出横模频率，我们关心的是不同横模间的频率差。经推导得c 1 L L 1mn

2L

(mn)arccos

)R R

2 〔1-4〕

1 2 m、n分别表示X、YR、R为谐振腔的两个反射镜的曲率1 2半径，相邻的横模频率间隔为

1

L L 1mn1

q1

arccos

)R R

2 〔1-5〕

1 2 从上式中还可看出，相邻的横模频率间隔与相邻的纵模频率间隔的比值是一个分数，如图1-5值越大。当腔长等于曲率半径时〔LR1

R，分数值到达极大，即横模间隔是纵模间21/221图1-5纵模、横模的分布肯定是基横模，这是不对的，而应依据高阶横模具有高频率来确定。mn无法仅从频谱图上确定，由于频谱图上只能看到有几个不同的mn，可以测出mn的差值，然而不同的mn可对应一样的mn，在频谱图上则是一样的，因此要确定m和n各是多少，还需结合激光器输出的光斑图形进展推断。当我们对光斑进展观看时，2-4中几个单一态光斑图形的组合。当只有一个横模时，很简洁识别。假设横模个数比较多，或基横模很强，掩盖了其它横模，或某高阶模太弱，都系，就可缩小考虑的范围，从而能准确地确定出每个横横的m和n值。共焦球面扫描干预仪共焦球面扫描干预仪是一种区分率很高的分光仪器量设备。本试验就是通过它将彼此频率差异甚小〔几十至几百MHz，用一般光谱仪器无法区分的各个不同的纵模、横模呈现成频谱图来进展观测的。在本试验中，它起着关键作用。l〔RRl1 2两块反射镜中的一块是固定不变的，另一块固定在可随外加电压而变化的压电陶瓷2-6所示。图中，①为由低膨胀系数材料制成的间隔圈，用以保持两球形凹面反射镜RR总是处在共焦状1 2态。②为压电陶瓷环其特性是假设在环的内外壁上加肯定数值的电压环的长度将 图1-6共焦球面扫描干预仪内部构造示意图 随之发生变化，而且长度的变化量与外加电压的幅度成线性关系，这是扫描干预仪被用来扫描的根本条件由于长度的变化量很小仅为波长数量级，所以，外加电压不会转变腔的共焦状态。但是当线性关系不好时，会给测量带来肯定误差。X4l2-7示。光在腔内每走一个周期都会有一局部光从镜面透射点，形成一束束透射光1、2、3„„和1、2、3„„我们在压电陶瓷上加一线性电压，当外加电压使腔长变化到某一长度l ，图 1-7共焦球面扫描干涉仪内部光路图a使相邻两次透射光束的光程差是入射光中模波长为a

这条谱线波长的整数倍时，即满足4l k 〔1-6〕a a模将产生相干极大透射〔k为扫描干预仪的干预序数，为一个正整数，而其它波长的模a则不能透过。同理，外加电压又可使腔长变化到lb

，使模b

极大透射，而a

等其它模又不来转变腔长，就可以使激光器具有的全部不同波长〔或频率〕的模依次相干极大透过，形成扫描。化到可使d

a

会再次消灭极大，于是有4l k (k1) 〔1-7〕d d ak序中的d

k1序中的a

同时满足极大条件，两个不同波长的模被同时扫出，叠加在一起。所以，扫描干预仪本身存在一个不重序的波长范围限制，即所谓自由光谱范围，它是指扫描干预仪所能扫出的不重序的最大波长差或频率差用 或 表示假设上S.R. S.R.例中的ld

为刚刚重序的起点，则d

即为此干预仪的自由光谱范围值。经推导，可得a d a

a 4l

(1-8)由于d

d与之间相差很小，腔长的变化仅为波长数量级，上式可近似表示为aS.R.

24l

〔1-9〕式中为平均波长。用频率表示，则为c S.R. 4l

〔1-10〕在模式分析试验中，由于我们不期望消灭〔2-7〕式中的重序现象，应选用扫描干预仪时，必需首先知道它的自由光谱范围 和待分析激光器的频率范围 ，并使S.R. 。这样，才能保证频谱图上不重序，腔长与模的波长〔或频率〕间是一一对应S.R.关系。/4时所对应的扫描范围。由于，光在共焦腔内呈X1。另外，还可以看出，当满足S.R.条件后，假设外加电压足够大，使腔长最大的变化量是/4的i倍，那么将会扫描出i个干预序，激光器的全部模将周期性地重复消灭在干预序k、k1ki中。〔三〕试验设备He-Ne激光器、激光电源、小孔光阑、共焦球面扫描干预仪、锯齿波发生器、放大器、示波器等试验装置如以下图〔四〕试验步骤与内容〔四〕试验步骤与内容1.按装置图连接线路，经检查无误，方可接通。点燃激光器，留意，激光管内与铝筒相连的伸出端为阴极，不要接反。光阑小孔的中心四周，这时说明入射光束和扫描干预仪的光轴根本重合。将放大器的接收部位对准扫描干预仪的输出端。接通放大器、锯齿波发生器、示波器的电源开关。观看使波器上呈现的频谱图，进一步细调干预仪的两个方位螺丝，使谱线尽量强，噪声很小。区分共焦强球面扫描干预仪的自由光谱区，确定示波器横轴上每cm所对应的频率数。观看多模激光器的模谱，登记其波形及光斑图形〔可在远场直接观看〕，并且测出纵模间隔由干预仪的自由光谱区计算激光器相邻纵模间隔，并与理论值相比较测出纵模个数，由纵模个数及相邻纵模间隔计算出激光器工作物质的增益线宽〔通常He-Ne1300MHz〕分析推断是否存在高阶横模，估量其阶数，并与远场光斑加以比较依据横模的频率频谱特征，在同一干预序k内有几个不同的横模，并测出不同的横模频率间隔。与理论值比较，检查识别是否正确。代入公式〔1-5〕，解出 的值。依据定义，测量扫描干预序的精细常数F.为提高测量的准确度，需将示波器的X轴再代表的频率间隔值。转变放电电流，参加小孔，观看以上因素对激光模式的影响用吹风的方法观看模谱频率的漂移和“跳模”现象，并解释其缘由。试验二激光工作物质的放射和吸取谱〔一〕试验目的与要求谱，以及改进光源提高激光工作物资对光源的吸取的效率。要求：把握激光工作物质的放射谱和吸取谱的测试方法〔二〕试验原理红宝石是掺有少量Cr的Al0单晶，Cr3d54S1，掺入Al0晶格后，23 23失去外层三个电子，变成三价的C3+离子，红宝石晶体的光谱就是C3+3dr r子发生能级跃迁的反映，人们依据红宝石晶体的吸取光谱和晶体场理论推知C3+离子参与激r2-14A是基态，2E〔14400cm-1〕是亚稳态，寿命2比较长，约为3ms，4F〔25000cm-1〕和1

4F〔17000cm-1〕是两个吸取带，红宝石晶体的激光22E4A2694.3nm2E2E4A2R1R2，R1694.3nm，R2692.9nm，由于高能级粒子数少于低能级，所以激光输出总是R1线。Cr3+410.0nm4F态，也能吸取波1550.0nm4F态,这两个吸取带的带宽都在100.0nm2与氙灯或汞弧灯的光谱匹配较好，所以红宝石激光器适宜于承受氙灯或汞弧灯泵浦。由于红宝石晶体的各向异性，它的吸取特性与光的偏振状态有关，入射光的振动方向与晶体光轴相互垂直〕或相互平行C，其吸取曲线稍有不同，如图22C0C90º60º,0º60º90º测量某一物质的吸取系数时，通常将该物质做成厚度不同的两个样品，分别测量其透射光强，即可求出吸取系数。d和dI1 2 O后的光强分别变为II，设样品的吸取系数为K，则1 2I=Ie-e-kd1 〔2—1〕1 0联立方程〔2—1〕和〔2—2〕求出

I=Ie-ekd22 01 I

〔2—2〕Kd d1 2

In 1I2

〔2—3〕假设转变入射光的波长，则可以得到一条吸取系数随入射光波长而变化的曲线。2—3光源光源光栅光谱仪样品室传感器接口电计算机路2—3吸取光谱测量试验装置框图光栅单色仪的光学原理试验中所使用的仪器是WGD—3型组合式多功能光栅光谱仪，具有波长精度高、操作简便等特点，是集光学周密机械，电子学，计算机技术为一体的设备。如图2—4所示，光源S1，S1M2S1M2反射成平行光束投向平面光栅GM3成像在出射狭缝S2S3上。2—4光学原理图SMMMMS〔光电倍增管接收2—4光学原理图1 1 2 3 4 2S〔观看窗〕3红宝石样品室红宝石样品室〔如图2—块厚度分别为d=3mmd=20mm90°的支架上，1 2以便分别测量透过两样品的光强。红宝石晶体2—5样品室为了测量准确，要求两片红宝石样品的吸取特性全都，因此要求从同一块晶体中切取，两片样品的厚度差要足够大。〔三〕试验设备UV-754He-Ne〔四〕试验步骤与内容用卡尺测量红宝石片的厚度，登记红宝石厚度x来。翻开仪器的样品盒，把红宝石片放入的二个样品室中。关闭样品盒盖。翻开UV-754型分光光度计的电源，这时候钨灯就点燃了，再按下氢灯的触发开关，点燃氢灯。旋转波长旋钮，选择测量波长。把第一个样品盒推入光路中。稳定后仪器的指示出100%把其次个样品盒推入样品室中。稳定后仪器显示出在这个波长下的透射率来。登记测得的数据。转变波进步行下一次测量。350650在计算器上利用测到的透过率和红宝石片的厚度算出在这个波长下的吸取系数。用一条光滑的曲线连接数据点。在曲线上找出两个吸取峰，并确定吸取峰的波长用光谱仪观看工作物质放射谱试验三He-Ne〔一〕试验目的与要求He-Ne有个定量了解。要求：测量He-Ne激光器高斯光束曲线，计算远场发散角。〔二〕试验原理激光束的模式的纵向〔腔轴方向〕和横向〔垂直腔轴方向〕光场分布。用符号TEMmn标志不同横模的光场分布。稳定腔的输出频率特性为： c q

1mns

ggg1 2mnq

2L mnq

c q2Lq

1m2ns

gg1 2gg1 2其中：g

1L，g

LRR

为两个球面反射镜1 R 2 R 1 21 2m和n为横模序数〔对于方形镜和圆形镜的定义不同q光工作介质的折射率。激光不同的横模有不同的光强分布，见图3－1。3－1左图为方形镜一些低阶模式的光强图样；右图为圆形镜一些低阶模式的光强图样。对应不同的光斑图样，可用探测器直接测量光强的空间分布来分析横模构造。激光束的发散角和衍射倍率因子激光的方向性是描述输出激光光束质量的重要指标。激光的空间相干性和它的方向性〔用光束发散角衡量〕是严密相关的。激光方向性越好，它的空间相干性就越高。不同类型激光器的方向性相差很大，这与工作介质的类型和均匀性、光腔类型、腔长、鼓励方式以及激光器的工作状态有关。高斯光束。高斯光束沿z3－2W在zf (f

0为共焦参量),曲率半径有最小值W2z 化:

R 2f;光斑尺寸W(z)随坐标z按双曲线规律变f1z=0处的W(0)最小,称为束腰,记为WW2 f2 00fflim 2 2

为共焦腔基模远场发散角(相应高阶横模的远场发0 z z W0散角 m(n)

2m(n)1(方镜)、 m2n1(圆镜)).该发散角(全角)定义为0 mn 0双曲线的两根渐近线之间的夹角(见图2).该角度的大小随不同的激光腔及腔参数而不同,用于描述激光束的方向性,θ越大则激光的方向性越差.目前国际上普遍将光束衍射倍率因子M2作为衡量激光光束空域质量的参量.其定义为:M2

实际光束的腰斑半径与远场发散角的乘积基模高斯光束的腰斑半径与远场发散角的乘积

W mn mn,W其中,W

2,W

2m(n)12

0 0(方镜),W

m2n120 0

m(n)

m(n)

mn mn (圆镜).由以上论述可知,基模高斯光束具有最小的M2值(M2=1),其光腰半径和发散角也最小,到达衍射极限高阶、多模高斯光束或其他非抱负光束(如波前畸变)的M2值均大于1.M2值可以表征实际光束偏离衍射极限的程度,因此被称为衍射倍率因子.M2值越大,光束衍射发散越快。〔三〕试验设备He-Ne激光器、激光电源、小孔光阑、探测器、光学光具座、放大器、函数记录仪、激光光束、计算机等。试验装置如以下图：〔三〕试验步骤与内容用逐点扫描法测定曲线，确定不同z调整He-Ne的幅值为止。留意光斑位置，肯定要使小孔扫描时是沿着通过光斑直径的方向进展。确定适宜的记录仪灵敏度和扫描速度，然后，分别取27zr的z值，正是记录曲线，并按定义计算不同z鉴定激光束是TEM00模的高斯光束。计算远场发散角。用讲义上的两种方法进展计算。试验四半导体泵浦全固态激光器〔一〕试验目的与要求目的：半导体泵浦532nm绿光激光器适用于大学近代物理学中非线性光学试验。本试验以808nm半导体泵浦Nd：YVO4

激光器为争论对象，让学生自己动手，调整激光器光路，产生1064nm激光。在腔中插入KTP532nm位匹配角等根本参数。从而对激光原理及倍频等激光技术有肯定了解。要求：把握测量倍频效率的方法〔二〕试验原理全固态倍频Nd:YVO激光器即是以半导体激光器(LDNd:YVO4 41064nm532nm1.LDLDLD由于LD发光带宽很窄，仅有几个纳米，可依据工作物质的吸取峰来选择与之相近发光波长的LD，削减热效应。5-10由于LD发出的光大局部被激光介质所吸取，极大的提高了光泵效率，其电光转换效15%以上。提高了激光器的频率稳定性,线宽变窄。由于激光器热效应的削减，同时泵浦源LD输出功率稳定性很高，泵浦功率的波动对线宽的影响大大降低。提高输出光的质量。牢靠性提高，使用寿命大大延长。LD105小时以上，远高于闪光灯泵浦源的寿命。小型化。体积小、重量轻、供能简便、可全固化。全固态倍频Nd:YVO激光器的构造4全固态倍频Nd:YVO3-142 4 51 3 64-1LDNd:YVO4

激光器构造示意图制冷与温控系统;2.LD; 3.光学耦合系统;4.增益介质Nd:YVO晶体; 5.KTP倍频晶体; 6.输出耦合镜;4激光二极管〔LD〕LD承受AlGaAs8104nm.P-n入型器件，因此用转变注入电流的大小来转变激光器的输出功率。LD的发散角比较大，在垂直于结方向的发散角宽度约40o,平行于结方向的发散角约为10o,是一椭圆度很大的发散光。LD输出波长具有不确定性，随温度上升而增长，漂移量为0.2~0.3nm/℃。随着环境温度的变化，不仅峰值波长飘移，输出功率与阈值电流也均有变化。LD的输出激光为高度线偏振，偏振方向平行于结平面即发光元的线度方向。制冷与温控系统由于LD比其他泵浦源来讲光谱宽度较窄〔<3nm〕,当对准增益介质的吸取峰时，可实现LDNd:YVO4808nm2nmLD对准增益介质的吸取峰。承受半导体制冷片来制冷，制冷片冷面紧贴LD管壳，以降低由于LD〔与结温有误差。当半导体制冷片制冷量缺乏以消退LD产生的热量时，可在制冷片的热面再加一个大散热片或水冷装源之间串入温控仪，自动控温使LD光学耦合系统LD1μmX280μm，发散角大且不对称，远场光斑为椭圆。为增大泵光斑变为近似园，减小泵浦光斑大小，获得足够的泵浦功率密度，提高泵浦效率，降低泵浦阈值。因此需要加光学耦合系统。光学耦合系统有很多类型，如成像光学系统、柱面透镜系统、光纤束系统、自聚焦微透镜系统、非球面透镜等。本装置承受非球面透镜作为光学耦合系统。增益介质Nd:YVO晶体4Nd:YVOaσ偏振光〔E⊥c〕和π偏振光〔E//c〕4πa割π偏振光。Nd:YVO4

晶体与立方晶系的Nd:YAG晶体光谱构造格外接近，Nd:YVO4

晶体的吸808nm1064.3nm。Nd:YVO4

晶体与掺钕浓度一样的Nd:YAG晶体相比，Nd:YVO4

晶体有着较大的放射截面、较宽的吸取带宽、较高的吸取系数、较短的寿命及偏振输出的特点。因此，Nd:YVO晶体的4放射截面较高，意味着具有较高的激光增益，激光阈值较低；Nd:YVO晶体宽的吸取带不仅4泵浦效率更高，更易与泵浦源匹配，可在更宽的温度范围下运行，并使激光介质长度更短。3x3x1mm3。Nd:YVO晶体的转换效率可到达60-70%以上。激光4介质的两端面加工成光学平面，前端面镀三色膜，对泵浦光波长808nm高透、对1064nm和532nm1064nm532nm膜。将Nd:YVO晶体的前端面直接作为谐振腔镜，可降低泵浦光的损耗，提高利用率，同时4也削减谐振腔独立调整数目。倍频晶体光的倍频是一种最常用的扩展波段的非线性光学方法。激光倍频是将频率为ω的光，通过晶体中的非线性作用，产生频率为2ω的光。当光与物质相互作用时，物质中的原子会因感应而产生电偶极矩。单位体积内的感应电偶极矩叠加起来，形成电极化强度矢量。电极化强度产生的极化场放射出次级电磁辐射。当外加光场的电场强度比物质原子的内场强小的多时度成正比。P=ε χE0在激光没有消灭之前，当有几种不同频率的光波同时与该物质作用时，各种频率的光都线性独立地反射、折射和散射，满足波的叠加原理，不会产生的频率。当外界光场的电场强度足够大时〔如激光〕，物质对光场的响应与场强具有非线性关系：P=αE+βE2+γE3+„式中α，β，γ，„均为与物质有关的系数，且逐次减小，它们数量级之比为

1 E原子其中E原子

为原子中的电场，其量级为108V/cm，当时上式中的非线性项E2、E3等均是小量，可无视，假设E很大，非线性项就不能无视。考虑电场的平方项E=E cost0P(2)E2E0

1E2(1cos2t))2 0消灭直流项和二倍频项cos2t晶体时，在晶体产生倍频光，产生倍频光的入射角称为匹配角。倍频光的转换效率为倍频光与基频光的光强比，通过非线性光学理论可以得到：II

L2I

sin2(kL/2)(kL/2) 式中L为晶体长度，Iω

、I分别为入射的基频光、输出的倍频光的光强，2ω△k=kω

-2k分别为基频光和倍频光的额传播矢量。2ω在正常色散的状况下，倍频光的折射率n总是大于基频光的折射率，所以相位失配，2ω双折射晶体中o光和e光的折射率不同，且e光的折射率随着其传播方向与光轴间夹角的变化而转变，可以利用双折射晶体中o光、e光间的折射率差来补偿介质对不同波长光的正常色散，实现相位匹配。倍频晶体承受KTP晶体，KTP是正双轴晶体，承受Ⅱ类相位匹配。其尺寸为2x2x5mm3。输出耦合镜输出镜为凹面镜，镀对1064nm532nm高透的双色膜，与Nd:YVO晶体的前端面4构成平凹谐振腔。激光器工作过程：LD发出的808nm的激光经过光学耦合系统，聚焦到激光介质中〔焦点在介质内，离介质前端面1mm左右1064nm的激光在由激光介质的前端面和输出镜形成的谐振腔中振荡，经过KTP532nmLD1W1064nm600mW，532nm150mW。三〕试验设备1、激光二极管2、耦合透镜3、 4、KTP 5、输出镜6、扩束镜 7、起偏器 8、检偏器 9、功率计〔四〕试验步骤与内容808nmLD650nm650nm808nmLD将Nd：YVO晶体安装在二维调整架上，红色标记与LD4并将返回的光点通过小孔。3．将输出镜〔前腔片〕固定在四维调整架上。调整输出镜使返回的光点通过小孔。对于有肯定曲率的输出镜，会有几个光斑，应区分出从球心返回的光斑。接通电源。调整输出镜，通过观看红外卡片，产生1064nm的激光。在Nd：YVO晶体和输出镜之间插入KTP532nm4LD532nm测量激光器的参数阈值器出光。这个临界能量就为该器件的阈值能量。倍频效率能量计测量倍频光的能量，并利用公式，计算倍频效率。相位匹配角角度与倍频光的效率的关系图，从图中找出效率最大处的相位角，即为最正确匹配角。试验五电光调Q一、试验目的把握固体激光器中电光调Q技术的根本原理；把握调Q激光器输出能量、脉冲宽度等主要指标的测量方法；了解影响电光调Q效果的因素，并把握调试技术。二、试验原理一般不加调Q技术的固体激光器输出的激光脉冲是由一系列强度不等尖峰脉冲序列组Q技术脉冲输出峰值功率可达几十兆瓦以上。目前电光调QQ由晶体光学可知，KD*P晶体在Z轴方向的电场作用下三个感应主折射率为：1n nx”

n3 E2 0 631n ny” n nz e

n3 E2 0 63n0

O光折射率，ne

E光折射率，γ63

为光电系数，Ez方向电场强度，沿z方向入射的线偏光进入长度为e晶体后，沿主轴x′、y′方向分解相互垂直的偏振重量，并产生相位差：

2(n

n y”

2n3 0

E63

2n3 0

V63 ZV是沿z方向加在晶体上的电压，当通过晶体的光波波长确定后，相位差ZΔ只取决于外加电压Vπ弧度时所需要的电压称为“半波电压V表Z λ/2示；当相位差为π/2弧度时所需要的