激光原理实验指导书

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1、激光原理实验指导书中北大学信息与通信工程学院实验一：He-Ne激光器谐振腔调整和激光特性的测量(2学时)一、实验目的：1. 了解He-Ne激光器的构造。2. 观察并测量He-Ne激光器的功率、发散角等特性参数。3调整谐振腔一端的反射镜，观察谐振腔改变后He-Ne激光器性能参数的变化。4. 了解外腔He-Ne激光器的偏振态5. 通过光栅方程来验证He-Ne激光的波长二、实验内容：1. He-Ne激光器发散角测量关键是如何保证接收器能在垂直光束的传播方向上扫描，这是测量光斑尺寸和发散角 的必要条件。由于远场发散角实际是以光斑尺寸为轨迹的两条双曲线的渐近线间的夹角，所 以我们应延长光路以保证其精确度

2、，此时需要在前方放置反射镜。可以证明当距离大于7兀2九时所测的全发散角与理论上的远场发散角相比误差仅在1%以内。(1) 确定和调整激光束的出射方向，放置一个反射镜来延长光路。(2) 在光源前方L1处用光功率计检测，在与光轴垂直的某方向延正负轴测量并绘出光功率 /位移曲线。(3) 由于光功率/位移曲线是高斯分布的，定义P /e2为光斑边界，测量出L1位置的光斑max直径D1。(4) 在后方L2处用光功率计同样测绘光强/位移曲线，并算出光斑直径D2。(5) 由于发散角度较小，可做近似计算，29 =D2-D1/L2-L1,便可以算出全发散角2。2. 外腔He-Ne激光器偏振态验证在外腔He-Ne激光

3、器的谐振腔内由于放置了步儒斯特窗，限制了输出光片振态为垂直 桌面的线偏振，因此，可在输出前方放置一个偏振片，通过旋转偏振片来分析外腔 He-Ne 激光器激光的偏振方向。3 .利用光栅方程验证波长。我们所用的He-Ne激光器的波长是623.8nm,通过光栅方程可以验证激光器的波长值。(1) 观察衍射图样，统计出衍射级数j。(2) 见图一，根据三角公式，计算出衍射角9 。(3) 由于光栅常数d已知，根据光栅方程可以计算出激光波长。d sin 9 = j 九(j = 0,1,2,)三、实验原理1. 高斯光束的发散角激光器的光强分布为高斯函数型分布，故称为高斯光束。我们用全发散角2e表征它 的发散程度

4、，定义d( z)2 九2 z2 0= 2=(兀 2 4 + z2入4)-1/2dz兀00现在分析2 0在整个光路中的变化情况。显然，在z = 0处，2 0=0,当z增大，20 增加。在z = 0-z = z这段范围内，全发散角变化较慢，我们称z为准直距离，rr在zz ,全发散角变化加快，当Zfg, 2 0变为常数，我们将此处的全发散角称为远场r发散角，有29 = 2(3)0不难看出，远场发散角实际是以光斑尺寸为轨迹的两条双曲线的渐近线间的夹角。实验中，由于不可能在无穷远处测量，故(3)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z7z =7ns 2/入时，2 0

5、/2 0 (-) 299%,即当z值 r0z大于7倍z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 r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zz的两个不同值z,z,根据光斑尺寸定义，从IP曲线中分别求 r12出3 (zi), 3 (z2)根据公式29= 2 血壬2(4)z - z2 1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(z27z )及与其对应的3 (z),通过公式r2 0 =2 3(z)/z(5)

6、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。2. 光栅方程法验证激光波长光栅作为重要的分光器件，它的选择与性能直接影响整个系统性能。光栅分为刻 划光栅、复制光栅、全息光栅等。反射式衍射光栅是在衬底上周期地刻划很多微细的刻槽, 一系列平行刻槽的间隔与波长相当，光栅表面涂上一层高反射率金属膜。光栅沟槽表面反射 的辐射相互作用产生衍射和干涉。对某波长，在大多数方向消失，只在一定的有限方向出现, 这些方向确定了衍射级次。d sin 0 = j 九(j = 0,l,2,)上式表示衍射光栅所产生谱线的位置，这个重要的公式称为光栅方程。d二a + b称为 光栅常数，0是衍射角，j是衍射级数

7、，九是光波长。光栅常数已知，可以通过统计衍射级 数j和测量衍射角来计算He-Ne激光器的波长。四、实验设备：如图所示：He-Ne外腔激光器模型、功率计、导轨、调节固定器件、反射镜五、实验方法：1、观察He-Ne外腔激光器模型，了解各部分构造及工作原理。He-Ne激光器的组成包括有： 共振腔（由放电毛细管和反射镜组成）、工作物质（有氦氖气体按一定比例组成）放电电源（通常多采用直流高压电源）。当氦氖激光器的电极上加上几千伏的直流高压后，管内就产 生辉光发电，对工作物质进行激励从而引起受激辐射，经共振腔进行光放大以后，即产生激 光输出。2、应先接好激光管的电极引线，再接通He-Ne电源的开关。激光管

8、通电后带有高压，不要 用手摸电极，以免触电。3、将激光器上的全反射镜拧下，在导轨上安装外腔全反射镜，用十字叉调节全反射镜 和输出镜平行，直到有激光出射确定两个镜子平行。4、等激光器稳定输出后，在光路中加一个反射镜来延长光路，改变功率计的位置进行不同 测量，记录数据后分析发散角的大小。5、在激光器输出前方放置一个偏振片，旋转偏振片观察光强的明暗变化，旋转到完全消光 的位置来判断外腔激光器的偏振状态。换上内腔单模激光器重新观察一遍，并比较两激光器 的偏振状态6、在激光器输出前方加光栅，观察衍射条纹，测量光栅到条纹间距，并测量条纹间距， 记录实验数据，根据光栅方程反推激光器波长。注意：1、 调节激光

9、器功率输出时,用功率计监视输出功率，调节范围不宜过大，以免输出镜失调 而不出光。2、 激光器及激光电源内有高压电，激光器点亮时切勿打开。3、通常激光器的工作电流不需调节。如激光器开启时不能启辉，或启辉后闪烁，可用螺 丝刀通过激光电源后面板电流调节孔适当调高激光器工作电流。激光器的工作电流是 在设定范围内尽量往小方向调，只要激光器开启时能启辉，启辉后不闪烁即可。六、思考题1、为什么要待激光器稳定输出后才能进行光强分布的测量和发散角的测量？ 2、为什么要选择激光器在最佳电流下工作？3、前述一、二种测量高斯光束远场发散角的方法，在物理意义上有什么不同？七 实验报告：1. 包括实验目的、试验仪器、实验

10、内容和实验结果。2实验结果（1）绘出光功率/位移曲线；（2）测量在不同的LI、L2处的光斑大小DI、D2, 计算出光束远场发散角；（3）两种激光器偏振态的测量结果；（4）激光波长实验二：He-Ne激光的纵、横膜间距测量（2学时）一、实验目的：1、通过测试分析,掌握模式分析的基本方法。2、对实验中使用的重要分光仪器共焦球面扫描干涉仪,了解其原理、性能,学会正确 使用。3、熟悉谐振腔的构成,学会调整的方法,体会谐振腔调整之后一些激光参数的变化二、实验内容：1、He-Ne 激光器模式分析 要测量和分析出激光器所具有的纵模个数,纵模频率间隔值,横模个数,横模频率间隔值,每个横模的 m 和 n 的阶数及

11、对应的光斑图形（1）通过共焦球面干涉仪接示波器观察纵模频率间隔,再根据自由光谱范围的定义,确定 它所对应的频率间隔（即哪两条谱线间距为Av ）为减少测量误差，需要对x轴增幅，S.R.测出与Av相对应的标尺长度，计算出两者比值，即每厘米代表的频率间隔值。S.R.（2）通过减小光阑大小，观察模式变化。（3）根据横模的频谱特征，在同一 q纵模序内有几个不同的横模？测出不同的横模频率间 隔 Av ，与理论值比较，检查辨认是否正确。AmAn2、He-Ne 外腔激光器谐振腔调整分别调整腔内的光阑开口大小（管径），反射膜片距离（腔长），膜片俯仰倾斜程度，体 会出光功率、光斑图案（横模式花样）等激光参数的变化

12、。并且练习从无光到有光的调腔过 程（十字叉丝法）。三、实验原理：1.激光器模的形成 激光器的三个基本组成部分是增益介质、谐振腔和激励能源。如果用某种激励方式,将 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,将有一定频率的光波产生,在腔内传播,并被增益介质逐渐增强、放大。被传播的光波决不是单一频率的（通 常所谓某一波长的光，不过是光中心波长而已）。因能级有一定宽度，所以粒子在谐振腔内 运动受多种因素的影响，实际激光器输出的光谱宽度是自然增宽、碰撞增宽和多普勒增宽迭 加而成。不同类型的激光器，工作条件不同，以上诸影响有主次之分。例如低气压、小功率 的He-Ne激光器6328

13、A谱线，则以多普勒增宽为主，增宽线型基本呈高斯函数分布，宽度 约为1500MHz,只有频率落在展宽范围内的光在介质中传播时，光强将获得不同程度的放大。 但只有单程放大，还不足以产生激光，还需要有谐振腔对它进行光学反馈，使光在多次往返 传播中形成稳定持续的振荡，才有激光输出的可能。而形成持续振荡的条件是，光在谐振腔 中往返一周的光程差应是波长的整数倍，即2uL = q入（6）q 这正是光波相干极大条件，满足此条件的光将获得极大增强，其它则相互抵消。式中卩是折射率，对气体卩宀1, L是腔长，q是正整数，每一个q对应纵向一种稳定的电磁场 分布入，叫一个纵模，q称作纵模序数。q是一个很大的数，通常我们

14、不需要知道它的数值。q而关心的是有几个不同的q值，即激光器有几个不同的纵模。从式（6）中，我们还可以看 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 数目。纵模的频率为(7)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(8)Av= -Aq =12 卩 L2 L从式中看出，相邻纵模频率间隔和激光器的腔长成反比。即腔越长，Av纵越小，满足纵振荡条件的纵模个数越多；相反腔越短，Av纵越大，在同样的增宽曲线范围内，纵模个数纵就越少，因而用缩短腔长的办法是获得单纵模运行激光器的方法之一。以上我们得出纵模具有的特征是：相邻纵模频率间隔相等；对应同一横模的一组

15、纵模它们强度的顶点构成了多普勒线型的轮廓线。图1任何事物都具有两重性，光波在腔内往返振荡时，一方面有增益，使光不断增强，另 一方面也存在着不可避免的多种损耗，使光能减弱。如介质的吸收损耗、散射损耗、镜面透 射损耗和放电毛细管的衍射损耗等。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，有激光输出。如图1所示，图中，增益线宽内虽有五个纵模满足 谐振条件，但只有三个纵模的增益大于损耗，能有激光输出。对于纵模的观测，由于q值很 大，相邻纵模频率差异很小，眼睛不能分辨，必须借用一定的检测仪器才能观测到。谐振腔对光多次反馈，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？

16、 答案是肯定的。这是因为光每经过放电毛细管反馈一次，就相当于一次衍射。多次反复衍射， 就在横向的同一波腹处形成一个或多个稳定的干涉光斑。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。我们所看到的复杂的光斑则是这些基本光斑的迭加，下图是 几种常见的基本横模光斑图样。OgOTEMaoEMoiTEMol_EM1OTEMh图2总之，任何一个模，既是纵模，又是横模。它同时有两个名称，不过是对两个不同方 向的观测结果分开称呼而已。一个模由三个量子数来表示，通常写作TEM，q是纵模标记， mnqm和n是横模标记，m是沿x轴场强为零的节点数，n是沿y轴场强为零的节点数。前面已知，不同的纵模对应不

17、同的频率。那么同一纵模序数内的不同横模又如何呢？ 同样，不同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，关心的是具有几个不同的横模及不同的纵模间的频率差，经推导得c1L J1/2Av=arccos（i -）（i -)Am +An2 pLhLR1R2其中，Am,An分别表示x, y方向上横模模序数差，R1，R2为谐振腔的两个反射镜 的曲率半径。相邻横模频率间隔为1 LL 11/2Av= Av Am + An - 1Aq - 1兀LR1R2(10)从上式还可以看出，相邻的横模频率间隔与纵模频率间隔的比值是一个分数，例如图三 分数的大小由激光器的腔长和曲率半径决定。

18、腔长与曲率半径的比值越大，分数值越大。当 腔长等于曲率半径时（L=R = R2，即共焦腔），分数值达到极大，即相邻两个横模的横模间 隔是纵模间隔的1/2,横模序数相差为2的谱线频率正好与纵模序数相差为1的谱线频率简 并。TFMir-vTEMia.TEtvl 311-1TEMm图3激光器中能产生的横模个数，除前述增益因素外，还与放电毛细管的粗细，内部损耗 等因素有关。一般说来，放电管直径越大，可能出现的横模个数越多。横模序数越高的，衍 射损耗越大，形成振荡越困难。但激光器输出光中横模的强弱决不能仅从衍射损耗一个因素 考虑，而是由多种因素共同决定的，这是在模式分析实验中，辨认哪一个是高阶横模时易出

19、 错的地方。因仅从光的强弱来判断横模阶数的高低，即认为光最强的谱线一定是基横模，这 是不对的，而应根据高阶横模具有高频率来确定。横模频率间隔的测量同纵模间隔一样，需借助展现的频谱图进行相关计算。但阶数m 和n的数值仅从频谱图上是不能确定的，因为频谱图上只能看到有几个不同的（m+n）值， 及可以测出它们间的差值A（m+n），然而不同的m或n可对应相同的（m+n）值，相同的 （m+n）在频谱图上又处在相同的位置，因此要确定m和n各是多少，还需要结合激光输出 的光斑图形加以分析才行。当我们对光斑进行观察时，看到的应是它全部横模的迭加图（即 上图中一个或几个单一态图形的组合）。当只有一个横模时，很易辨

20、认；如果横模个数比较 多，或基横模很强，掩盖了其它的横模，或某高阶模太弱，都会给分辨带来一定的难度。但 由于我们有频谱图，知道了横模的个数及彼此强度上的大致关系，就可缩小考虑的范围，从 而能准确地定位每个横模的m和n值。综上所述，模式分析的内容，就是要测量和分析出激光器所具有的纵模个数，纵模频 率间隔值，横模个数，横模频率间隔值，每个横模的m和n的阶数及对应的光斑图形。2. 共焦球面扫描干涉仪图4共焦球面扫描干涉仪是一种分辨率很高的分光仪器，已成为激光技术中一种重要的测 量设备。实验中使用它，将彼此频率差异甚小（几十至几百MHz）,用眼睛和一般光谱仪器 不能分辨的，所有纵模、横模展现成频谱图来

21、进行观测的。它在本实验中起着不可替代的重 要作用。共焦球面扫描干涉仪是一个无源谐振腔。由两块球形凹面反射镜构成共焦腔，即两块 镜的曲率半径和腔长相等,Ri = R2=lo反射镜镀有高反射膜。两块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2化的压电陶瓷上。如图4所示，图中，为由低膨胀系数制 成的间隔圈，用以保持两球形凹面反射镜R1和R2总是处在共焦状态。为压电陶瓷环，其 特性是若在环的内外壁上加一定数值的电压，环的长度将随之发生变化，而且长度的变化量 与外加电压的幅度成线性关系，这正是扫描干涉仪被用来扫描的基本条件。由于长度的变化 量很小，仅为波长数量级，它不足以改变腔的共焦状态。但

22、是当线性关系不好时，会给测量 带来一定的误差。扫描干涉仪有两个重要的性能参数，即自由光谱范围和精细常数常要用到，以下分别 对它们进行讨论。（1）自由光谱范围图5当一束激光以近光轴方向射入干涉仪后，在共焦腔中径四次反射呈x形路径，光程近似为41，见图5所示，光在腔内每走一个周期都会有部分光从镜面透射出去。如在A,B两 点，形成一束束透射光1, 2，3.和,2Z ,3Z .,这时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1 ,正好使相邻两次透射光束的光程差是入射光中模 a的波长为入的这条谱线的整数倍时，即a41 =k 入(11)aa此时模入将产生相干极大透射，而其它波长的模则相

23、互抵消(k为扫描干涉仪的干涉a序数，是一个整数)。同理，外加电压又可使腔长变化到1,使模入符合谐振条件，极大 bb透射，而入等其它模又相互抵消。因此，透射极大的波长值和腔长值有一一对应关系。a只要有一定幅度的电压来改变腔长，就可以使激光器全部不同波长(或频率)的模依次产生 相干极大透过，形成扫描。但值得注意的是，若入射光波长范围超过某一限定时，外加电压 虽可使腔长线性变化，但一个确定的腔长有可能使几个不同波长的模同时产生相干极大，造 成重序。例如，当腔长变化到可使入极大时，入会再次出现极大，有ba41 =kN = (k+1)入(12)dda即k序中的入，和*+1序中的入同时满足极大条件，两种不

24、同的模被同时扫出，迭加 da在一起，因此扫描干涉仪本身存在一个不重序的波长范围限制。所谓自由光谱范围(S.R.) 就是指扫描干涉仪所能扫出的不重序的最大波长差或频率差，用A入 或者Av表示。S.R.S.R.假如上例中1d为刚刚重序的起点，则入厂入即为此干涉仪的自由光谱范围值。径推导，可dda得九213)14)入 入 =a -d a4 l由于入与入间相差很小，可共用入近似表示da九2入=a -S.R.4l用频率表示，即为cA v =(15)S.R. 4l在模式分析实验中，由于我们不希望出现(12)中的重序现象，故选用扫描干涉仪时必须首先知道它的Av和待分析的激光器频率范围Av，并使Av Av,才

25、能保证在频S.R.S.R.谱面上不重序，即腔长和模的波长或频率间是一一对应关系。自由光谱范围还可用腔长的变化量来描述，即腔长变化量为入/4时所对应的扫描范围。 因为光在共焦腔内呈x型，四倍路程的光程差正好等于入，干涉序数改变1。另外，还可看出，当满足 AvS.R. Av 条件后，如果外加电压足够大，可使腔长的变化S.R.量是入/4的i倍时，那么将会扫描出i个干涉序，激光器的所以模将周期性地重复出现在 干涉序 k，k1，.，ki 中，如图 6 所示。图6(2) 精细常数精细常数F是用来表征扫描干涉仪分辨本领的参数。它的定义是：自由光谱范围与最 小分辨率极限宽度之比，即在自由光谱范围内能分辨的最多

26、的谱线数目。精细常数的理论公 式为(16)兀RTRR为凹面镜的反射率，从(16)式看，F只与镜片的反射率有关，实际上还与共焦腔的 调整精度、镜片加工精度、干涉仪的入射和出射光孔的大小及使用时的准直精度等因素有关。因此精细常数的实际值应由实验来确定，根据精细常数的定义显然，族就是干涉仪所能分辨出的最小波长差，我们用仪器的半宽度A九代替，实验 中就是一个模的半值宽度。从展开的频谱图中我们可以测定出F值的大小。四、实验设备He-Ne激光器、激光电源、小孔光阑、共焦球面扫描干涉仪、锯齿波发生器、放大器、二IJrb TOAZr 示、波器等实验装置示意图如下：五、实验方法：1、He-Ne激光器模式分析(1

27、) 点燃外腔激光器。(2) 调整光路，首先使激光束从光阑小孔通过，调整扫描干涉仪上下、左右位置，使光束 正入射孔中心，再细调干涉仪板架上的两个方位螺丝，使从干涉仪腔镜反射的最亮的光点回 到光阑小孔的中心附近，这时表明入射光束和扫描干涉仪的光轴基本重合。(3) 将放大器的接收部位对准扫描干涉仪的输出端。接通放大器、锯齿波发生器、示波器 的开关，观察示波器上的展现的频谱图，进一步细调干涉仪的两个方位螺丝，使谱线尽量强， 噪声最小。(4) 改变锯齿波输出电压的峰值，看示波器上干涉序的数目有何变化，确定示波器上应展 示的干涉序个数。根据干涉序个数和频谱的周期性，确定哪些模属于同一k序。(5) 根据自由

28、光谱范围的定义，确定它所对应的频率间隔(即哪两条谱线间距为Av )S.R.为减少测量误差，需要对x轴增幅，测出与Av相对应的标尺长度，计算出两者比值，即S.R.每厘米代表的频率间隔值。(6) 在同一干涉序 k 内观测，根据纵模定义对照频谱特征，确定纵模的个数，并测出纵模 频率间隔Av 。与理论值比较，检查辨认和测量的值是否正确。A q= 1(7) 根据横模的频谱特征，在同一 q 纵模序内有几个不同的横模？测出不同的横模频率间 隔 Av ，与理论值比较，检查辨认是否正确。代入公式(9)，解出 AmAn 的值。AmAn(8) 确定横模频率增加的方向，请同学们思考一下，根据什么辨别？以便确定在同一q

29、纵 模序内哪个模是高阶横模，哪个模是低阶横模，及它们间的强度关系。(9) 从激光器输出的反方向观察光斑形状，注意这时看到的应是它所有横模的迭加图，还 需结合图中单一横模的形状加以分解，以便确定每个横模的模序m,n值。(10) 根据定义，测量扫描干涉序的精细常数F。为提高测量的准确度，需将示波器的x轴 再增幅，此时可利用经过计算后已知的最靠近的模间隔数值找标尺，重新确定比值，即每厘 米代表的频率间隔值。2、He-Ne 外腔激光器谐振腔调整 分别调整腔内的光阑开口大小(管径)，反射膜片距离(腔长)，膜片俯仰倾斜程度，体会出 光功率、光斑图案(横模式花样)等激光参数的变化。并且练习从无光到有光的调腔

30、过程(十 字叉丝法)。六、思考题1、什么是干涉仪的自由光谱AVf ?当AVf小于激光工作物质的荧光现宽时，示波器的荧光 屏上会出现什么现象？2、怎么判断那几个模是纵模，那几个模是高阶横模？3、怎样确定自由光谱区AVf所对应的荧光屏上的距离？4、实验中如未观察到频率漂移和跳模现象，有什么简单的办法让他出现？5、适用本次实验中的一起，能否测出 He-Ne 激光中某一纵模的线宽？为什么？七、实验报告1. 包括实验目的、试验仪器、实验内容和实验结果。2. 实验结果(1)示波器显示的模式波形，根据波形计算纵摸间隔(2)根据自由光谱范围计 算出的纵摸间隔，并比较实验误差(3)高阶横模的图样，并说明单纵模对

31、横模的影响(4) 调整谐振腔对激光参数：光功率和光斑图案的影响。实验三：半导体激光器特性及调制特性实验（2学时）一、实验目的：1. 掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理，测量泵浦LD经快轴压缩后的阈值电流和输出特 性曲线。2. 用辅助激光器法，构造固体激光器谐振腔，并使其发光。3选用不同透过率腔镜，测试不同LD电流下的激光输出功率，结合LD的功率-电流关系， 计算两种耦合输出下的激光斜效率和光光转换效率。二、实验内容：1、LD 安装及系统准直将LD电源接通。通过上转换片观察LD出射光近场和远场的光斑。测量LD经快轴压 缩后的阈值电流和输出特性曲线。2、半导体泵浦固体激光器实验用大功率的808nm

32、LD泵浦Nd： YAG晶体，通过不同输出镜并调节腔镜产生1064nm的红 外光。测试不同 LD 电流下的激光输出功率；根据实验数据和曲线，计算两种耦合输出下的 激光斜效率和光光转换效率，并作简要分析。四、实验原理1半导体激光泵浦固体激光器工作原理：上世纪80年代起，生长半导体激光器（LD）技术得到了蓬勃发展，使得LD的功率和效 率有了极大的提高，也极大地促进了 DPSL 技术的发展。与闪光灯泵浦的固体激光器相比， DPSL的效率大大提高，体积大大减小。在使用中，由于泵浦源LD的光束发散角较大，为使 其聚焦在增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换（耦合）。泵浦耦合方式主要有端面泵 浦和侧面泵浦两

33、种，其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、 空间模式匹配好等优点。侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器。本实验采用端面泵浦方式。 端面泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两种方式。直接耦合：将半导体激光器的发光面紧贴增益介质，使泵浦光束在尚未发散开之前便被 增益介质吸收，泵浦源和增益介质之间无光学系统，这种耦合方式称为直接耦合方式。直接 耦合方式结构紧凑，但是在实际应用中较难实现，并且容易对LD造成损伤。间接耦合：指先将 LD 输出的光束进行准直、整形，再进行端面泵浦。常见的方法有： 组合透镜系统聚光：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合。自聚焦透镜耦合：由自聚焦透镜取代

34、组合透镜进行耦合，优点是结构简单，准直光斑的 大小取决于自聚焦透镜的数值孔径。光纤耦合：指用带尾纤输出的 LD 进行泵浦耦合。优点是结构灵活。本实验先用光纤柱透镜对半导体激光器进行快轴准直，压缩发散角，然后采用组合透镜 对泵浦光束进行整形变换，各透镜表面均镀对泵浦光的增透膜，耦合效率高。本实验的压缩 和耦合如图 1 所示。LD 激光晶体1.LD 自聚焦透镜 激光晶体LD 光纤 激光晶体4.3.图1半导体激光泵浦固体激光器的常用耦合方式1. 直接耦合 2.组合透镜耦合 3.自聚焦透镜耦合 4.光纤耦合快轴准直光纤微透镜电源TEC和散热片LD耦合系统 Nd:YAG图2本实验LD光束快轴压缩耦合泵浦

35、简图激光晶体UCJT-HQaJs: uQTAdxowqu图3 Nd:YAG晶体中Nd3+吸收光谱图激光晶体是影响DPL激光器性能的重要器件。为了获得高效率的激光输出，在一定运转 方式下选择合适的激光晶体是非常重要的。目前已经有上百种晶体作为增益介质实现了连续 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 中，以Nd3+离子部分取代YAlO晶体中Y3+离子的掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）,由于具有量子35 12效率高、受激辐射截面大、光学质量好、热导率高、容易生长等的优点，成为目前应用最广 泛的LD泵浦的理想激光晶体之一。Nd:YAG晶体的吸收光谱如图所示

36、。从Nd:YAG的吸收光谱图我们可以看出，Nd:YAG在807.5nm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 了光谱匹配。但是，LD的输出激光波长受温度的影响，温度变化时，输出激光波长会产生 漂移，输出功率也会发生变化。因此，为了获得稳定的波长，需采用具备精确控温的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。另外，在实际的激光器设计中，除了吸收波长和出射波长外，选择激光晶体时还需要考 虑掺杂浓度、上能级寿命、热导率、发射截面、吸收截面、吸收带宽等多种因素。 2、端面泵浦固体激光器的模式匹配技

37、术图 4 是典型的平凹腔型结构图。激光晶体的一面镀泵浦光增透和输出激光全反膜，并 作为输入镜，镀输出激光一定透过率的凹面镜作为输出镜。这种平凹腔容易形成稳定的输出 模，同时具有高的光光转换效率，但在设计时必须考虑到模式匹配问题。激光输出图 4端面泵浦的激光谐振腔形式如图所示，则平凹腔中的g参数表示为：g 二 i - R2R2根据腔的稳定性条件，0 昭 1时腔为稳定腔。故当L R2时腔稳定。30同时容易算出其束腰位置在晶体的输入平面上，该处的光斑尺寸为：l（R L）J 九2冗本实验中，叫为平面，R2=200mm，L=80呱由此可以算出3o大小。所以，泵浦光在激光晶体输入面上的光斑半径应该，这样可

38、使泵浦光与基模振荡模式 0匹配，在容易获得基模输出。四、实验设备：1、半导体激光器2、耦合系统3、Nd:YAG晶体4、输出镜5、功率计 6、探测器五、实验方法：1.LD安装及系统准直(1) 将LD电源接通。通过上转换片观察LD出射光近场和远场的光斑。测量LD经快轴压缩 后的阈值电流和输出特性曲线。（2）将耦合系统、激光晶体、输出镜、Q开关、准直器等各元器件安装在调整架和滑块上; 将准直器安装在导轨上，利用直尺将其调整成光束水平出射，中心高度50mm，水平并且水 平入射在激光晶体中心位置;（3）通过调整架旋钮微调Nd:YAG晶体的倾斜和俯仰，使晶体反射光位于准直器中心，并且 准直光通过晶体后仍垂

39、直进入LD；（4）在准直器前安装T1输出镜，调整旋钮使输出镜的反射光点位于准直器中心。2半导体泵浦固体激光器实验实验装置图图 3 半导体泵浦固体激光器实验装置图（1）在准直器前安装 T1 输出镜，调整旋钮使输出镜的反射光点位于准直器中心。根据实 验装置图设置其与晶体之间的距离。打开LD电源，缓慢调节工作电流到1.3A。微调输出 镜倾斜和俯仰使系统出光，然后微调激光晶体、耦合系统，使激光输出得到最大值；（2）将LD电流调到最小，然后从小到大渐渐增大LD电流，从激光阈值电流开始，每格 0.2A测量一组LD输出功率。结合LD的功率-电流关系，在实验报告上绘出激光输出功率- 泵浦功率曲线；（3）更换为

40、T2输出耦合镜，重复步骤，测试不同LD电流下的激光输出功率；（4）根据实验数据和曲线，计算两种耦合输出下的激光斜效率和光光转换效率，并作简要 分析。六、思考题：什么是半导体泵浦固体激光器中的光谱匹配和模式匹配？注意：1.半导体激光器（LD）对环境有较高要求，因此本实验系统需放置于洁净实验室内。实验完 成后，应及时盖上仪器罩，以免LD沾染灰尘。1. LD对静电非常敏感。所以严禁随意拆装LD和用手直接触摸LD外壳。如果确实需要拆 装，请带上静电环操作，并将拆下的LD两个电极立即短接。2. 不要自行拆装LD电源。电源如果出现问题，请与产家联系。同时,LD电源的控制温度 已经设定，对应于LD的最佳泵浦

41、波长，请不要自行更改。3. LD、耦合系统、激光晶体，两两滑块之间距离大约为32mm、8mm，经调整好以后最好不 要随意变动，以免影响实验使用。4. 准直好光路后需用遮挡物（如功率计或硬纸片）挡住准直器，避免准直器被输出的红外 激光打坏。5. 实验过程避免双眼直视激光光路。人眼不要与光路处与同一高度，最好能带上激光防护 镜操作。七、实验报告：1.包括实验目的、试验仪器、实验内容和实验结果。2实验结果记录（1）对T1输出镜绘出激光输出功率-泵浦功率曲线；（2）更换为T2输出耦合镜，绘出激光输出功率-泵浦功率曲线（3）根据实验数据和曲线，计算两种耦合输出下的 激光斜效率和光光转换效率例如：功出输泵

42、浦功率 /W记录LD电流(A)LD功率(W)快轴压缩后功率（W）T1输出(W)T2输出(W)12345实验四：半导体泵浦Q开关倍频激光器（2学时）一、实验目的：1、本实验以808nm半导体泵浦Nd： YVO4激光器为研究对象，让学生自己动手，调整激光器 光路，产生1064nm激光。2、在腔中插入KTP晶体产生532nm倍频光，观察倍频现象，测量倍频效率、相位匹配角等 基本参数。3、要求掌握测量倍频效率的方法二、实验内容1. 半导体泵浦固体激光器调 Q 实验本实验采用的Cr4+YAG是可饱和吸收调Q的一种，它结构简单，使用方便，无电磁干 扰，可获得峰值功率大、脉宽小的巨脉冲。在不同的LD工作电流

43、（1.7A、2.0A、2.3A）, 分别测量输出脉冲的脉宽、重频；并计算不同功率下的峰值功率，对不同功率下的输出脉冲 进行对比2. 半导体泵浦固体激光器倍频实验在Nd： YVO4晶体和输出镜之间插入KTP倍频晶体，产生532nm倍频绿光。调节输出 镜，LD调整架，使532nm绿光功率最大。三、实验原理1. 半导体激光泵浦固体激光器的被动调 Q 技术目前常用的调Q方法有电光调Q、声光调Q和被动式可饱和吸收调Q。本实验采用的 Cr4+:YAG是可饱和吸收调Q的一种，它结构简单，使用方便，无电磁干扰，可获得峰值功率 大、脉宽小的巨脉冲o Cr4+:YAG被动调Q的工作原理是：当Cg+:YAG被放置在

44、激光谐振腔内 时，它的透过率会随着腔内的光强而改变。在激光振荡的初始阶段，Cr4+:YAG的透过率较低 (初始透过率)，随着泵浦作用增益介质的反转粒子数不断增加，当谐振腔增益等于谐振腔 损耗时，反转粒子数达到最大值，此时可饱和吸收体的透过率仍为初始值。随着泵浦的进一 步作用，腔内光子数不断增加，可饱和吸收体的透过率也逐渐变大，并最终达到饱和。此时， Cr4+:YAG的透过率突然增大，光子数密度迅速增加，激光振荡形成。腔内光子数密度达到最 大值时，激光为最大输出，此后，由于反转粒子的减少，光子数密度也开始减低，则可饱和 吸收体Cr4+:YAG的透过率也开始减低。当光子数密度降到初始值时，Cr4+

45、:YAG的透过率也恢 复到初始值，调Q脉冲结束。2. 半导体激光泵浦固体激光器的倍频技术光波电磁场与非磁性透明电介质相互作用时，光波电场会出现极化现象。当强光激光产 生后，由此产生的介质极化已不再是与场强呈线性关系，而是明显的表现出二次及更高次的 非线性效应。倍频现象就是二次非线性效应的一种特例。本实验中的倍频就是通过倍频晶体 实现对Nd:YAG输出的1064nm红外激光倍频成532nm绿光。常用的倍频晶体有KTP、KDP、LBO、BBO和LN等。其中，KTP晶体在1064nm光附近有高的 有效非线性系数，导热性良好，非常适合用于YAG激光的倍频。KTP晶体属于负双轴晶体， 对它的相位匹配及有

46、效非线性系数的计算，已有大量的理论研究，通过KTP的色散方程，人 们计算出其最佳相位匹配角为=90,对应的有效非线性系数def7.36X10-i2V/mo倍频技术通常有腔内倍频和腔外倍频两种。腔内倍频是指将倍频晶体放置在激光谐振腔 之内，由于腔内具有较高的功率密度，因此较适合于连续运转的固体激光器。腔外倍频方式 指将倍频晶体放置在激光谐振腔之外的倍频技术，较适合于脉冲运转的固体激光器。四、实验设备1、半导体激光器 2、耦合系统3、Nd:YAG晶体 4、KTP晶体 5、输出镜6、Cr4+:YAG 晶体7、功率计 8、探测器 9、示波器五、实验方法1半导体泵浦固体激光器调Q实验图1调Q实验装置图(

47、1)安装Cr4+:YAG晶体，在准直器前准直后放入谐振腔内。LD电流调到1.7A,观察输出 的平均功率，微调调整架，使激光输出平均功率最大；(2) 降低LD电流到零。然后从小到大缓慢增加，测量1.7A、2.0A、2.3A时输出脉冲的平 均功率；(3) 安装探测器，取三个不同的LD工作电流(1.7A、2.0A、2.3A)，分别测量输出脉冲的 脉宽、重频；(4) 计算不同功率下的峰值功率，对不同功率下的输出脉冲进行对比，并作简要分析。2.半导体泵浦固体激光器倍频实验实验装置图20mm p15mm80mm电源TEC和LD耦合系统Nd:YAG KTP输出镜准直器散热片图 2 倍频实验装置图(1) 将输

48、出镜换为短波通输出镜，微调调整架使其反射光点在准直器中心。打开LD电源， 取工作电流1.7A，微调输出镜、激光晶体、耦合系统的旋钮，使输出激光功率最大；(2) 安装KTP晶体(或LBO)，在准直器前准直后放入谐振腔内，倍频晶体尽量靠近激光 晶体。调节调整架，使得输出绿光功率最亮；然后旋转KTP晶体(或LBO)，观察旋转过 程中绿光输出有何变化；六、思考题：1. 可饱和吸收调 Q 中的激光脉宽、重复频率随泵浦功率如何变化？为什么？2. 把倍频晶体放在激光谐振腔内对提高倍频效率有何好处？七、实验报告1. 包括实验目的、试验仪器、实验内容和实验结果。2. 实验结果记录记录LD电流(A)T1输出(W)调Q输出(W)脉宽(ns)重频(kHz)123453. 思考题回答