激光原理实验(山科大)

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1、实验一 He-Ne 激光器模式分析（一）实验目的与要求 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，掌 握模式分析的基本方法。对本实验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。要求：用共焦球面扫描干涉仪测量He-Ne激光器的相邻纵横模间隔，判别高阶横模的阶次； 观察激光器的频率漂移记跳模现象，了解其影响因素；观察激光器输出的横向光场分布花样， 体会谐振腔的调整对它的影响。（二）实验原理1激光器模的形成我们知道，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，在介质的某一对能级间形成粒子数反转分布，由于自发

2、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，如图 1-1 所示。实际上，由于能级总有一定的宽度 以及其它因素的影响，增益介质的增益有 一个频率分布，如图1-2所示，图中G（v ） 为光的增益系数。只有频率落在这个范围 内的光在介质中传播时，光强才能获得不同程度的放大。但只有单程放大，还不足以产生激 光，要产生激光还需要有谐振腔对其进行光学反馈，使光在多次往返传播中图 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，光在谐振腔内往返一周的光程差应是波长的整数倍，即2pL 二 q 九（1-1）q式中，卩为折射率，对气体卩1； L为腔 长；

3、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强。每一 个 q 对应纵向一种稳定的电磁场分布，叫作 一个纵模，q称作纵模序数。q是一个很大的数，通常我们不需要知道它的数值，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（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1-2)1-3)cV = qq2pL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Av= c 沁 cq=12pL2 L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

4、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 的增益曲线范围内，纵模个数就越少。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。光波在腔内往返振荡时，一方面有增益，使光不断增强；另一方面也存在着多种损耗， 使光强减弱，如介质的吸收损耗、散射损耗、 镜面的透射损耗、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2-3 所示，有五个纵模满足 谐振条件，其中有两个纵模的增益小于损耗， 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

5、光仪器无法分辨，必须使用 精度较高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？回答是肯定的，这是因为光每经过放电毛细管反馈一次，就相当于一次 图 1-3 纵模和纵模间隔衍射，多次反复衍射，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，给出了几种常见的基本横模光斑图样。我们所看到的复杂的光斑则是这些基本光斑的叠加。激光的模式用TEM来表示，其中，m、n为横模的标记，q为纵模的mnq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。零阶横模r * . * - 1te

6、m00一阶横模宅;F芦tem10TEMqi二阶横模晶：1总？.隔逬:叽tem20TEMyTEM”图 1-4常见的横模光斑图前面已知，不同的纵模对应不同的频率，那么同一个纵模序数内的不同横模又如何呢？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。经推导得厂L1Av c1(Am + An) arccos(1 - )(1 -)2Am+An2pL冗RR121-4)其中，Am、An分别表示x、Y方向上横模模序差，R、笃为谐振腔的两个反射镜的曲率半径，相邻的横模频率间隔为AvAm+An=1=Av 。这样，才能保证频谱图上不重序，腔长

7、与模的波长（或频率）间是一一对应 S.R.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 /4时所对应的扫描范围因为，光在共焦腔内呈x型路径行进，四倍路程的光程差正好等于，干涉序数改变为1。另外，还可以看出，当满足 条件后，如果外加电压足够大，使腔长最大的S.R.变化量是九/4的i倍，那么将会扫描出i个干涉序，激光器的所有模将周期性地重复出现在干涉序k、k +1k + i中。（三）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、放大器示波器等实验装置如下图2点燃激光器，注意，激光管内与铝筒相连的伸出端为阴极，不要接反。3. 调整光路，首先使激光束从

8、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，在细调干涉仪板架上的两个方位螺丝，以使从干涉仪腔镜反射的最高的光点回到 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。4. 将放大器的接收部位对准扫描干涉仪的输出端。5. 接通放大器、锯齿波发生器、示波器的电源开关。6. 观察使波器上展现的频谱图，进一步细调干涉仪的两个方位螺丝，使谱线尽量强，噪声 很小。7. 分辨共焦强球面扫描干涉仪的自由光谱区，确定示波器横轴上每cm所对应的频率数。8. 观察多模激光器的模谱，记下其波形及光斑图形（可在远场直接观察），并且（1）测出纵模间隔（2）由干涉仪的自由光谱区计算激光器

9、相邻纵模间隔 ，并与理论值相比较（3）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（通常认为He-Ne激光器的多普勒线宽约1300MHz）（4）分析判断是否存在高阶横模，估计其阶数，并与远场光斑加以比较9. 根据横模的频率频谱特征，在同一干涉序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，检查辨认是否正确。代入公式（1-5），解出 的值。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，既没厘米 代表的频率间隔值。11. 改变放电电流，加入小孔，

10、观察以上因素对激光模式的影响12. 用吹风的方法观察模谱频率的漂移和“跳模”现象，并解释其原因。实验二 激光工作物质的发射和吸收谱（一）实验目的与要求 目的：学习发射谱和吸收谱的基本概念和基本操作方法。研究激光工作物质的发射谱和吸收 谱，以及改进光源提高激光工作物资对光源的吸收的效率。要求：掌握激光工作物质的发射谱和吸收谱的测试方法（二）实验原理红宝石是掺有少量Cr的A10单晶，Cr的外层电子组态为3d54S】，掺入A0晶格后，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+离子在3d壳上三个电 rr子发生能级跃迁的反映，人们根据红宝石晶体的吸收光谱和晶体场理论推知C3+离子

11、参与激r光作用的能级结构图如图2-1所示，图中4A是基态，2E能级（14400cm-1 ）是亚稳态，寿命2比较长，约为3ms，4F （25000cm-1 ）和4F （17000cm-1）是两个吸收带，红宝石晶体的激光 作用在2E和4A2能级之间产生，输出的波长是694.3nm,由于2E能级的电场分裂，在2E和叽 能级之间跃迁对应两条强荧光线R和R，R线的波长是694.3nm, R线的波长是692.9nm， 由于高能级粒子数少于低能级，所以激光输出总是R线。3025201510Ri5/L egEi图2-1 红宝石晶体中C匸的能级wgz(R2)=2二1 E22gcm_1g2 (Ri)=2_ 4p2

12、2a2 口 _/红宝石晶体对不同波长的入射光吸收不同，吸收系数随入射光波长而变化的关系就是吸 收光谱特性。Cr3+所吸收中心波长为410.0nm的兰紫光而跃迁到强吸收带4F态，也能吸收波 长为550.0nm的黄绿光而跃迁到另一强吸收带4F态，这两个吸收带的带宽都在lOO.Onm左右, 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采用氙灯或汞弧灯泵浦。由于红宝石晶体的各向异性，它的吸收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（E丄C）或相互平行（EC）,其吸收曲线稍有不同，如图22所示。通常红宝石晶体中，其生长轴与光轴C 一致的叫0晶体，生长轴与光轴C相垂直的叫90晶

13、体，另外还有60晶体,0晶体发射无规律偏光，60和90晶体发射线偏振光。测量某一物质的吸收系数时，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，即可求出吸收系数。设两个待测样品的厚度分别为di和d2,在某一波长时，入射光强为1,透过两个样品后的光强分别变为I1和12,设样品的吸收系数为K则I =I e-e-kd11021)联立方程（21）和（22）求出I =I e-ekd22022)1IK 二一In 4d d1223)如果改变入射光的波长，则可以得到一条吸收系数随入射光波长而变化的曲线。、 实验装置实验装置原理框图如图23 所示图 23 吸收光谱测量实验装置框图1.光栅单色仪的光学原

14、理实验中所使用的仪器是WGD3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，是集光学精密机械，电子学，计算机技术为一体的设备。如图24 所示，光源 发出的光束进入入射狭缝si, si位于反射式准直镜m2的焦面上，通过si射入的光束经m2反 射成平行光束投向平面光栅G上，衍射后的平行光束经物镜M3成像在出射狭缝S2或S3上。S入射狭缝，M反射镜，M准直镜，M物镜，M反射镜，S出射狭缝（光电倍增管接收）,112342S3出射狭缝（观察窗）2.红宝石样品室红宝石样品室（如图25），要有较好的密封，以免杂光进入影响测量精度，室内有两块厚度分别为d=3mm和d2=20mm的红宝石晶体样品，

15、它们安装在一个可旋转90的支架上,以便分别测量透过两样品的光强。为了测量准确，要求两片红宝石样品的吸收特性一致，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）实验设备UV-754型分光光度计、光栅光谱仪、He-Ne激光器、红宝石晶体棒、光电倍增管等（四）实验步骤与内容1用卡尺测量红宝石片的厚度，记下红宝石厚度x来。2 打开仪器的样品盒，把红宝石片放入的二个样品室中。3 关闭样品盒盖。4打开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。5 旋转波长旋钮，选择测量波长。6 把第一个样品盒推入光路中。稳定后仪器的指示出100%7 把第二个样品盒推

16、入样品室中。稳定后仪器显示出在这个波长下的透射率来。记下测得的 数据。8 改变波长进行下一次测量。9 选择不同的波长，从350 测量到 65010 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收系数。11 用一条光滑的曲线连接数据点。12 在曲线上找出两个吸收峰，并确定吸收峰的波长13 用光谱仪观察工作物质发射谱实验三 He-Ne 激光器高斯光束与发散角测量（一）实验目的与要求 目的：加深对高斯光束物理图像的理解；加强对高斯光束传播特性的了解，掌握用逐点扫描 法测量高斯光束横向光强分布的方法和技能；对He-Ne激光器输出的光斑大小，远场发散角 有个定量了解。要求：测量He-N

17、e激光器高斯光束曲线，计算远场发散角。（二）实验原理1. 激光束的模式 由光学谐振腔理论可以知道，光腔模式可以分解为纵模和横模。它们分别代表光腔模式 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：Vmnqc2qL1 (m + n +兀Vmnqc2qLq + 丄 6 + 2n + 1)cos-1 ： g g兀12（方形镜）（圆形镜）LL其中：g = 1 ，g = 1 为腔参数；L为谐振腔的腔长；R、R为两个球面反射镜1 R 2 R 1 2 12的曲率半径；m和n为横模序数（对于方形镜和圆形镜的定义不同）q为纵模序数；n为激光工

18、作介质的折射率。激光不同的横模有不同的光强分布，见图31。图 31 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结构。2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）是紧密相关的。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、激励方式以及 激光器的工作状态有关。 由激光原理可知，一般稳定球面腔都可以找到与其唯一对应的等价共焦腔。稳定腔的光场为 高斯光束。高斯光

19、束沿 z 轴是一个变曲率中心和曲率半径的球面波，其光束特性如图32 所示。在束腰和无穷远处的波阵面是平面,曲率半径无限大;兀W在z = f （f二九0为共焦参量）,曲率半径有最小值Rf |二2f ；光斑尺寸W（z）随坐标z按双曲线规律变W2 （z） z2化：二1，其中z=0处的W（0）最小，称为束腰，记为W ;W 2 f 200图 3 2. 高斯光束的特征c2W （z） 九IT0 = lim= 2= 2为共焦腔基模远场发散角（相应高阶横模的远场发0 zw Z兀W加0 1散角02m（n） +10 （方镜）、0m + 2n +10 （圆镜）该发散角（全角）定义为m（ n）0mn0双曲线的两根渐近线

20、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，e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：实际光束的腰斑半径与远场发散角的乘积 W 0= mn mn 基模高斯光束的腰斑半径与远场发散角的乘积W 000其中，W000匚，W0m ( n ) m ( n )（方镜），W0mn mn(m + 2n +（圆镜）.由以上论述可知，基模高斯光束具有最小的M2值（M2=l）,其光腰半径和发散角也最 小，达到衍射极限高阶、多模高斯光束或其他非理想光束（如波前畸变）的M2值均大于1. M2 值可以表征实际光束偏

21、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）实验设备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 光光束分析仪、计算机等。实验装置如下图：（三）实验步骤与内容1. 用逐点扫描法测定曲线，确定不同z处的光斑半径。调整He-Ne激光器和反射镜的方位,使平面反射镜的入射光和反射光基本保持在同一垂直面内，并正入射到探测器的小孔光阑上，再小做调整，同时观察记录仪得到的最大光强信号时的幅值为止。注意光斑位置，一定要使小孔扫描时是沿着通过光斑直径的方向进行。确定合适的记录仪灵敏度和扫描速度，然后，分别取2个大于7z的z值，正是记录曲线,

22、 r并按定义计算不同 z 处的光斑半径 。2. 鉴定激光束是 TEM 模的高斯光束。3. 计算远场发散角。用讲义上的两种方法进行计算。实验四 半导体泵浦全固态激光器(一)实验目的与要求目的：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实验。本实验以808nm半导体泵浦Nd： YVO激光器为研究对象，让学生自己动手，调整激光器光路，产生41064nm激光。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。从而对激光原理及倍频等激光技术有一定了解。要求：掌握测量倍频效率的方法(二)实验原理全固态倍频Nd:YVO激光器即是以半导体激光器(

23、LD)为泵浦源、Nd:YVO晶体为激光介质、并44对1064nm激光进行倍频、输出532nm绿光的固体激光器。1. LD 泵浦的固体激光器的特点LD 泵浦的固体激光器与传统闪光灯泵浦固体激光器相比具有以下优点：(1) LD发射光波长可以与激活介质的吸收峰很好匹配。由于 LD 发光带宽很窄，仅有几个纳米，可根据工作物质的吸收峰来选择与之相近发光波长的LD,减少热效应。(2) 总体效率提高5-10倍由于 LD 发出的光大部分被激光介质所吸收，极大的提高了光泵效率，其电光转换效 率可高达 15%以上。(3) 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减少，同时泵浦源 LD 输出功率稳定性

24、很高，泵浦功率的波动对 线宽的影响大大降低。(4) 提高输出光的质量。 激光晶体热负荷减少，提高了光束质量，在纵向泵浦时，可获得近于衍射极限的激光。(5) 可靠性提高，使用寿命大大延长。LD 连续工作寿命可达105小时以上，远高于闪光灯泵浦源的寿命。(6) 小型化。体积小、重量轻、供能简便、可全固化。2. 全固态倍频Nd:YVO激光器的结构41 3 6图4-1 LD泵浦的倍频Nd:YVO激光器结构示意图41. 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(1) 激光二极管(LD)LD采用AlGaAs量子阱结构

25、激光器，工作波长810 4nm.,由于半导体激光器为P-n结注 入型器件，因此用改变注入电流的大小来改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，随温度升高而增长，漂移量为0.20.3nm/C。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。(2) 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收峰时，可实现 良好的光谱匹配，达到较高的泵浦效

26、率。但LD的峰值波长随温度而变，而增益介质Nd:YVO4 晶体在808nm吸收峰处吸收带宽仅为2nm左右，因此必须采用温控组件，使LD的峰值波长 对准增益介质的吸收峰。采用半导体制冷片来制冷，制冷片冷面紧贴LD管壳，以降低由于 注入电功率引起的结温上升，采用热敏电阻测量LD的环境温度(与结温有误差)。当半导体 制冷片制冷量不足以消除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 置以带走多余的热量，本装置的下面垫的铝板就是起散热的作用。另外在制冷片与制冷片电 源之间串入温控仪，自动控温使LD在要求设定的温度下工作。(3) 光学耦合系统由于LD发光源尺寸1p m X 280|J m,

27、发散角大且不对称，远场光斑为椭圆。为增大泵 浦光束和振荡光束的重叠程度，获得较高的转换效率，需要补偿两个方向的不对称，将远场 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。本装置采用非球面透镜作为光学耦合 系统。(4) 增益介质Nd:YVO晶体4Nd:YVO晶体属于单轴晶体，在a轴切割时对O偏振光(E丄c轴)和n偏振光(E/c轴)4的吸收系数是不同的，最强的吸收系数和最强激射都发生在n偏振取向，因此常采用a轴切 割n偏振光。Nd:

28、YVO晶体与立方晶系的Nd:YAG晶体光谱结构非常接近，Nd:YVO晶体的吸44收峰值波长为808nm,其发射波长为1064.3nm。Nd:YVO晶体与掺钕浓度相同的Nd:YAG晶体相比，Nd:YVO晶体有着较大的发射截面、44较宽的吸收带宽、较高的吸收系数、较短的寿命及偏振输出的特点。因此，Nd:YVO晶体的4发射截面较高，意味着具有较高的激光增益，激光阈值较低；Nd:YV0晶体宽的吸收带不仅 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。 本装置使用的激光介质尺寸为3x3xlmm3。Nd:YVO晶体的转换效率可达到60-70%以上。激光4介质的两端面加工

29、成光学平面，前端面镀三色膜，对泵浦光波长808nm高透、对1064nm和 532nm高反，前端面作为谐振腔的全反镜，激光介质的后端面镀对1064nm和532nm的增透 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也减少谐振腔独立调节数目。(5) 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w的光， 通过晶体中的非线性作用，产生频率为23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发射出次级电磁辐射。 当外加光场的电场强度比物质

30、原子的内场强小的多时，物质感生的电极化强度与外界电场强度成正比。P= X E0在激光没有出现之前，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，不会产生新的频率。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=a E+B e2+y e3+式中a , B, y，均为与物质有关的系数，且逐次减小，它们数量级之比为P _ Y _ 1 . a BE原子其中E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等均是小原子量，可忽略，如果E很大，非线性项就不能忽略。考虑电场的平方项E= E0

31、COS t1p _ Be2 _ Be 2 cos2_ e 2(1 + cos2t)0 2 0出现直流项和二倍频项cos2t，直流项称为光学整流，当激光以一定角度入射到倍频 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：BLi sin2(AkL/2)(AkL /2)式中L为晶体长度，I、I分别为入射的基频光、输出的倍频光的光强,23k=k -2k 分别为基频光和倍频光的额传播矢量。23在正常色散的情况下，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，23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

32、传播方向与光轴间夹角的变化 而改变，可以利用双折射晶体中。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。倍频晶体采用KTP晶体，KTP是正双轴晶体，采用II类相位匹配。其尺寸为2x2x5mm3。（6）输出耦合镜输出镜为凹面镜，镀对1064nm高反、对532nm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），被介质所吸收，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KTP晶体时产生532nm的倍频光，经由耦合镜输出

33、。 当LD的发射功率为1W时，激光器可输出1064nm光功率大于600mW, 532nm的倍频光大于 150mW。三）实验设备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）实验步骤与内容1. 将808nm LD固定在二维调节架上，将650nm红光通过白屏小孔聚到折射率梯度透镜上。 让650nm的红光和小孔及808nm LD在同一轴线上。2. 将Nd： YVO晶体安装在二维调整架上，红色标记与LD座的标记对齐。将红光通过晶体4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。调节输出镜使返回的光点通过小孔。对于有 一定

34、曲率的输出镜，会有几个光斑，应区分出从球心返回的光斑。4. 接通电源。5调节输出镜，通过观察红外卡片，产生1064nm的激光。6.在Nd： YVO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，4LD调整架，使532nm绿光功率最大。 测量激光器的参数1 .阈值利用上面的探测仪器，不断地降低泵浦能量，一直到某一临界能量，高于这个泵浦能量激光 器出光。这个临界能量就为该器件的阈值能量。2. 倍频效率 用能量计测量激光器的输出能量，即基频光的能量，然后利用一滤光片仅让倍频光透过，用 能量计测量倍频光的能量，并利用公式，计算倍频效率。3相位匹配角在同一输入能量下，在匹配角附近

35、某一角度范围内，测量不同角度下的倍频光的能量，做出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，即为最佳匹配角。实验五 电光调Q技术一、实验目的1. 掌握固体激光器中电光调Q技术的基本原理；2. 掌握调Q激光器输出能量、脉冲宽度等主要指标的测量方法;3. 了解影响电光调Q效果的因素，并掌握调试技术。二、实验原理一般不加调 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成的。这种输出特性称为激光的弛豫振荡，脉冲的峰值功率约为几十千瓦量级，总的脉冲宽 度为毫秒量级。为了提高固体激光器输出激光脉冲的峰值功率，需要采用调Q技术。采用此技术脉冲输出峰值功率可达几十兆瓦以上

36、。目前电光调Q技术是较常用的调Q技术。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:nx一一n 3丫E2 0 63ny+n 3丫E2 0 63n = nze式中n为0光折射率，n为E光折射率，y为光电系数，E为z方向电场强度，沿z方向 0e63入射的线偏光进入长度为e晶体后，沿新主轴X、y方向分解相互垂直的偏振分量，并 产生相位差:.2兀/、，2兀，2兀A =（n 一 n ） -1 = n 3丫 E -1 =加丫 V九xy九 0 63 X九 0 63 Z式中VZ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 只取决于外加电压Vz。当位相差为n弧度时所需要

37、的电压称为“半波电压”，用V2表 Z入/2示；当相位差为n /2弧度时所需要的电压称为“四分之一波电压”用V 表示，即:入/4V九/4九4n 3丫0 63对于 KD*P 晶体：n =1.51 r =23.6X 10-i2m/V063小孔光栏 He-NeT2图 5-1 电光 Q 开关红宝石激光器示图光电调Q红宝石激光器如图51所示，由反射镜M和M2构成激光谐振腔，其中M2为 部分反射镜；R为60生长红宝石激光晶体（即晶轴与光轴成60角）；KD*P为磷酸二氘钾 电光晶体，由于KD*P晶体易潮解，因此密封在晶体盒内。盒的两端用布儒特斯窗密封，其 作用是减少反射损耗，提高激光的线偏振度。He-Ne激光

38、器和小孔光栏用于调整光路，T?为转向反射镜。红宝石激光工作物质在脉冲氙灯照射（泵浦）下产生荧光，沿谐振腔轴方向传播的荧 光在红宝石激光工作物质中不断得到放大，形成偏振方向与晶轴平面垂直的线偏振光（因为 红宝石激光工作介质对不同偏振方向的光有不同的放大率，通常0光放大率与E光放大率之 比为10： 1。）线偏振光到达加有四分之一波电压的电光晶体时，被分解成沿x折射率主轴 方向振动的光和沿y折射率主轴方向振动的光。通过晶体后产生n /2的位相延迟，此光通 过全反射镜的反射后再次通过电光晶体后产生n位相延迟，合成为偏振方向与入射时垂直的 线偏振光。该线偏振光通过激光工作物质时获得的放大率很小，不能形成

39、激光振荡，这时激 光腔的 Q 值很低。红宝石激光工作物质在脉冲氙灯继续泵浦下，在上激光能级不断积累粒子 数，形成集居数反转，当集居数反转达到最大值（或称达到饱和反转粒子数）时，将光电晶 体上的四分之一波电压突然去掉，电光效应消失，这时通过晶体的线偏振光的偏振方向不变， 能在激光腔内形成自由振荡，在极短时间内将存储在上激光能态中的反转粒子数消耗掉，形 成峰值功率很高、脉冲宽度很窄的激光巨脉冲。三、实验装置电光调Q红宝石激光器一台红宝石棒Q 9.5X 150mm 脉冲氙灯Q 7X 150mmTDS210示波器一台频率：60MH 存贮：1GS/S光电接受装置两套适于测量仿真线波形、非调 Q 激光脉冲

40、和调 Q 微光脉冲宽度波形。145A 型激光能量计一台测量范围：020J 分3档适用波长： 694.3nm四、实验步骤1.电光晶体 KD*P 在未加电压时，调整好激光器并能正常出光，连接光电接收装置，接 收散射出来的激光和氙灯的光。通过示波器观察脉冲氙灯放电波形和弛豫振荡激光的波形， 并记录激光尖峰振荡的包络线，确定脉冲宽度等，同时用能量计接收输出能量。2. Q 开关晶体加电压，仔细调整晶体的方位（晶体在谐振腔中应使光的偏振方向与晶体 的x轴与y轴一致）。3. 调整Q开关方位的同时并寻找V /。入/4（1）晶体方位固定，改变晶体上的电压，并使激光器运转出光（此时按下“消光”按 钮使晶体上的电压

41、不退），用黑相纸或能量计接收激光，找出使激光器输出最小所对应的电 压。（2）固定上述电压，调整晶体方位，使x轴或y轴与入射偏振光方向一致，反复调整， 直到激光器输出最小为止。（3）重复（1）、（2），直到激光器没有激光输出为止。（4）将“消光”按钮抬起，恢复调 Q 电路的功能，观察激光器的输出能量。4. 确定延迟时间，使激光器调 Q 工作，每次改变退压时间，用示波器和能量计观测输 出波形和能量，找出最佳延迟时间。5. 测量静态和动态的激光能量，然后计算出动静比。五、实验报告1. 记录实验和测试条件。2. 与计算出的 V /4进行比较，分析二者是否不同，为什么？3. 画出并简述电光调Q激光器的时序关系。六、思考题1.为什么电光晶体的x轴或y轴与入射偏振光振动方向必须一致？如果调整有误差， 对激光器工作有什么影响？2从原理上分析，延迟时间太早或太晚，对调Q激光器的输出特性会有什么影响？3. 若在一次泵浦中，使调 Q 激光器输出多个脉冲（序列脉冲），采用什么方法实现？