YAG激光实验装置实验讲义模板

试验一Nd3＋:YAG激光器阈值和斜效率测量

一、试验目标

1. 了解并掌握激光形成机理

2. 了解激光阈值概念,学会测量阈值

3. 测量输入输出曲线及其斜效率计算

二、试验原理

1.一般光源发光—受激吸收和自发辐射

一般常见光源发光（如电灯、火焰、 太阳等地发光）是因为物质在受到外

来能量（如光能、电能、 热能等）作用时,原子中电子就会吸收外来能量而从

低能级跃迁到高能级,即原子被激发。激发过程是一个“受激吸收”过程。 处

于高能级（E2）电子寿命很短（通常为10－8～10－9秒）,在没有外界作用下会

自发地向低能级（E1）跃迁,跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量

为

h



E

2



E 1

这种辐射称为自发辐射。原子自发辐射过程完全是一个随机过程,各发光

原子发光过程各自独立,互不关联,即所辐射光在发射方向上是无规则射向四面

八方,另外末位相、偏振状态也各不相同。 因为激发能级有一个宽度,所以发

射光频率也不是单一,而有一个范围。在通常热平衡条件下,处于高能级E2上

原子数密度N2,远比处于低能级原子数密度低,这是因为处于能级E原子数密度

N大小时随能级E增加而指数减小,即N∝exp(-E/kT),这是著名波耳兹曼分布

规律。于是在上、 下两个能级上原子数密度比为

N

2

/

N

1



exp[



(

E

2



E 1

)

/

kT

]

式中k为波耳兹曼常量,T 为绝对温度。因为E2>E1,所以N2<N1。比如,已

知氢原子基态能量为E1＝－13.6eV,第一激发态能量为E2=-3.4eV,在20℃时,

kT≈0.025eV,则

N

2

/

N

1



exp(

400 )



0

可见,在20℃时,全部氢原子几乎全部处于基态,要使原子发光,必需外界

提供能量使原子抵达激发态,所以一般广义发光是包含了受激吸收和自发辐射

两个过程。通常说来,这种光源所辐射光能量是不强,加上向四面八方发射,更

使能量分散了。

2.受激辐射和光放大

由量子理论知识知道,一个能级对应电子一个能量状态。电子能量由主量

子数n(n=1,2,…)决定。不过实际描写原子中电子运动状态,除能量外,还有轨

道角动量L和自旋角动量s,它们全部是量子化,由对应量子数来描述。对轨道

角动量,波尔曾给出了量子化公式Ln＝nh,但这不严格,因这个式子还是在把电

子运动看作轨道运动基础上得到。严格能量量子化和角动量量子化全部应该有

量子力学理论来推导。

量子理论告诉我们,电子从高能态向低能态跃迁时只能发生在l（角动量量

子数）量子数相差±1两个状态之间,这就是一个选择规则。假如选择规则不

满足,则跃迁几率很小,甚至靠近零。在原子中可能存在这么部分能级,一旦电

子被激发到这种能级上时,因为不满足跃迁选择规则,可使它在这种能级上寿命

很长,不易发生自发跃迁到低能级上。这种能级称为亚稳态能级。 不过,在外

加光诱发和刺激下能够使其快速跃迁到低能级,并放出光子。这种过程是被“激”

出来,故称受激辐射。受激辐射概念是爱因斯坦于19在推导普朗克黑体辐射公

式时,第一个提出来。她从理论上预言了原子发生受激辐射可能性,这是激光

基础。

受激辐射过程大致以下:原子开始处于高能级E2,当一个外来光子所带能

量hυ恰好为某一对能级之差E2-E1,则这原子能够在另外来光子诱发下从高能级

E2向低能级E1跃迁。这种受激辐射光子有显著特点,就是原子可发出和诱发光

子全同光子,不仅频率（能量）相同,而且发射方向、偏振方向和光波相位全部完全一样。 于是,入射一个光子,就会出射两个完全相同光子。这意味着原来光信号被放大,这种在受激过程中产生并被放大光,就是激光。

h

E2

h

E2

(a) 自发辐射	E1 E2	E2	(b) 受激吸收	E1 E2
	h

h	h	E1 E2
h
	h

(c) 受激发射

高能态原子

低能态原子

图1－1双能级原子中三种跃迁

3.粒子数反转

一个诱发光子不仅能引发受激辐射,而且它也能引发受激吸收,所以只有当处于高能级地原子数目比处于低能级还多时,受激辐射跃迁才能超出受激吸收,而占优势。由此可见,为使光源发射激光,而不是发出一般光关键是发光原子处于高能级数目比低能级上多,这种情况,称为粒子数反转。但在热平衡条件下,原子几乎全部处于最低能级（基态）。所以,怎样从技术上实现粒子数反转则是产生激光必需条件。

4.激光产生条件

激光器由泵浦源、激光增益介质、 腔镜组成。 泵浦源提供能量给增益介质,介质中激活离子吸收能量后跃迁到高能级,进而在激光上能级和下能级之间形成粒子数反转,并产生受激发射。不过因为激光谐振腔存在着多种多样损耗,比如谐振腔镜不平行造成光逸出,散射,及透射（这对于输出镜来说是尤其显著）,还有因为腔镜有限尺寸造成衍损耗,激光晶体吸收损耗等,产生受激发射需要一个门槛,用g表示激光增益系数,表示激光谐振腔损耗系数,只有当激光谐振腔产生增益大于损耗时,即:g>时,才能形成激光。这个门槛所对应泵浦能量值或功率值叫做激光阈值。当形成激光后,在一定范围内,输出激光能量正比于注入能量（能够用激光电源能量、工作电压、 闪光等功率等来表示）。经过测量不一样注入能量下激光输出能量,能够得到一条能量输入-输出曲线。该曲线斜率称为激光斜效率。

三、试验装置

我们试验装置是闪光灯泵浦Nd3+:YAG激光器,图1-2为经典Nd3+:YAG激光器结构示意图。

图1-2 Nd3+:YAG激光器结构示意图

通常Nd3+:YAG 晶体被加工成直径为Ф4-8mm、长60-100mm棒状(依据实际需要而定),两端磨成光学平面,平面法线和棒轴有一个小夹角,光学表面镀有增激发(泵浦)用氙灯（连续激光常见透膜,棒侧面加工为毛面,以预防寄生振荡。

氪灯）做成和YAG棒长度相近直管形状,方便和YAG棒达成最好配合。为了有效地利用灯光能,把棒和灯放在一个内壁镀金或其它高反膜空心椭圆柱面反光镜中,它们各占据椭圆一根焦线。附图1-3表示了这一结构横截面。不难想象,闪光灯发出光经过椭圆柱面镜反射,标准上百分之百地抵达YAG棒上。其它仪器:能量计。

图1.3聚光腔横截面示意图

四、试验内容和步骤

1、打开激光器,此时确保激光电源工作电压为0V周围,并将能量计探头置 于激光输出位置,打开能量计。

2、慢慢增大电压,同时亲密检测能量计读数。

3、当能量计读数大于0时（注意排除噪声影响）,表明有激光输出,此时

对应电压即为阈值电压, 能够计算出对应阈值能量（	1	CV2）, C 为充电电
	2

容,本激光器为100uF。V为工作电压
4、继续提升电压,每隔50V测量一个能量值。5、画出输入-输出曲线,计算斜效率。

6、做拟合直线反向延长线,和X轴交点横坐标即位阈值电压。

五、试验汇报要求

列出每项试验测量到原始数据,并做图。

试验二Nd3＋:YAG激光器特征试验:电光调Q及倍频技术

一、试验目标:

1、掌握电光Q开关原理及调试方法。

2、学会电光Q开关装置调试及关键参数测试。3、掌握倍频基础原理和调试技能。

4、了解影响倍频效率关键原因。

二、试验原理

1.电光调Q调Q技术发展和应用,是激光发展史上一个关键突破。通常固体脉冲激光器输出光脉冲,其脉宽连续在几us甚至几ms,其峰值功率也只有kw级水平,所以,压缩脉宽,增大峰值功率一直是激光技术所需处理关键课题。调Q技术就是为了适应这种要求而发展起来。

调Q基础概念:用具质因数Q值来衡量激光器光学谐振腔质量优劣,是对腔内损耗一个量度。

调Q技术中,品质因数Q定义为腔内贮存能量和每秒钟损耗能量之比,可表示为:

Q		2	腔内贮存的激光能量
		0	每秒钟损耗的激光能量

式中v0为激光中心频率。

如用E表示腔内贮存激光能量,γ为光在腔内走一个单程能量损耗率．那么光在这一单程中对应损耗能量为γE。用L表示腔长;n 为折射率;c 为光速。则光在腔内走一个单程所用时间为nL／c。由此,光在腔内每秒钟损耗能量为γEc/nL.这么Q值可表示为

Q		2	E				2nL
		0	Ec	/	nL		0

式中为真空中激光波长。可见Q值和损耗率总是成反比改变,即损耗大Q

值就低;损耗小Q值就高。

固体激光器因为存在弛豫振荡现象,产生了功率在阈值周围起伏尖蜂脉冲序列,从而阻碍了激光脉冲峰值功率提升。假如我们设法在泵浦开始时使谐振腔内损耗增大,即提升振荡阈值,振荡不能形成,使激光工作物质上能级粒子数大量积累。当积累到最大值(饱和值时),忽然使腔内损耗变小,Q 值突增。这时,腔内会像雪崩一样以飞快速度建立起极强振荡,在短时间内反转粒子数大量被消耗,转变为腔内光能量,并在透反镜端面耦合输出一个极强激光脉冲。通常把这种光脉冲称为巨脉冲。调整腔内损耗实际上是调整Q值,调Q技术即由此而得名。也称为Q突变技术或Q开关技术。

用不一样方法去控制不一样损耗,就形成了不一样调Q技术。 有转镜调Q技术,电光调Q技术、可饱和染料调Q技术、声光调Q技术、透射式调Q技术。 利用晶体本试验以电光Q开关激光器原理、调整、 特征测试为关键内容。

电光效应制成Q开关,含有开关速度快;所取得激光脉冲峰值功率高,可达几Mw至Gw,脉冲宽度窄,通常可达ns至几十ns,器件效率高,可达动态效率1％,器件输出功率稳定性很好,产生激光时间控制程度度高,便于和其它仪器联动,器件能够在高反复频率下工作等优点．所以这是一个已获广泛应用Q开关。

YAG棒在闪光灯激励下产生无规则偏振光,经过偏振器后成为线偏振光,若起偏方向和KD*P晶体晶袖x(或y)方向一致,并在KD*P上施加一个V1/4外加电场。因为电光效应产生电感应主轴X′和y′和入射偏振光偏振方向成450角,这时调制器起到了一个1/4波片作用,显然,线偏振光经过晶体后产生了π/2位相差,可见往返一次产生总相差为π,线偏振光经这一次往返后偏振面旋转了90°,不能经过偏振器。这么,在调制晶体上加有I/4波长电压情况下,由介质偏振器和KD*P调制晶体组成电光开关处于关闭状态,谐振腔Q值很低,不能形成激光振荡。

即使这时整个器件处于低Q值状态,但因为闪光灯一直在对YAG棒进行抽运,

工作物质中亚稳态粒子数便得到足够多积累,当粒子反转数达成最大时,忽然去

掉调制品体上l／4波长电压,即电光开关快速被打开,沿谐振腔轴线方向传输

激光可自由经过调制晶体,而其偏振状态不发生任何变比,达时谐振腔处于高Q

值状态,形成雪崩式激光发射。

2.倍频技术原子是由原子核和核外电子组成。当频率为w光入射介质后,

引发介质中原子极化,即负电中心相对正电中心发生位移r形成电偶极矩m＝

er, 其中e是负电中心电量．我们定义单位体积内原子偶极矩总和为极化强度矢

量P＝Nm,N 是单位体积内原子数。极化强度矢量和入射场关系式为

r, t:23

其中1) ,2) ,3)

…分别称为线性极化率、二级非线性极化率、 三级非线

性极化率…。而且在通常情况下1) ,2) ,3)

…,每增加一次极化,值减小七八

个数量级。因为人射光是改变,其振幅为EE0sin,所以极化强度也是改变。

依据电磁理论,改变极化场可作为辐射源产生电磁波——新光波．在入射光电场

比较小时(比原于内场强还小),1) ,2) ,3)等极小,P 和E成线性关系为

P1) E, 新光波和入射光含有相同频率,这就是通常线性光学现象。但当

入射光电场较强时,不仅有线性现象,而且非线性现象也不一样程度地表现出来。

新光波中不仅含有入射基波频率,还有二次谐波、三次谐波等频率产生,形成

能量转移,频率变换。这就是只有在高强度激光出现以后,非线性光学才得到

快速发展原因。设有下列两波同时作用于介质:

介质产生极化强度应为二列光波叠加。有

经推导得出,二级非线性极化波应包含下面多个不一样频率成份:

从以上看出,二级效应中含有基频波倍频分量(21)．(22)、和频分量

(1十2)、差频分量(1—2)和直流分量。故二级效应可用于实现倍频、

光人射介质时,那么二级

θ称为相位匹配角。这种方法成为第一类角度相位匹配,即o+o->e。

图2－1负单轴晶体折射率面

三、试验装置

1.调Q技术

M 1

YAG

B

Q

M 2

光光

KD P

光光光光

光光光光光光光

光光光光光

图2-2试验装置图
KDP:倍频晶体（或KTP）
M1:输出镜（输出透过率T=80%）
YAG:闪光灯、聚光腔和YAG棒组件
B:布氏角偏振片
Q:调Q晶体（布氏角偏振片和调Q晶体组成调Q单元）M2:全反射镜（M1和M2组成激光谐振腔）
2.倍频技术

试验装置见图3－2,并说明以下:

1

2

3

4

5

6

图2－3试验装置
①一④组成YAG激光器振荡级．其中:①是1.06微米全反射镜;②是DKDP电光调Q晶体及介质膜起偏器;③为YAG激光器主体．包含YAG棒、氙灯、 聚光腔和冷却系统;④是输出端平面反射镜．对1.06微米激光T＝80%。经边束调制YAG调Q激光器产生1.06微米激光是全偏振光,通常为偏振方向在竖直方向上o光,以满足倍频晶体相位匹配要求。

⑤KTP倍频晶体,将1.06微米红外激光转变成0.53微米绿光．晶体入射面镀有对1.06微米增透膜,出射面镀有对0.53微米增透膜,倍频效率约5％～15％。KTP晶体易损伤,操作时要细心。

⑥能量计。

四、试验内容和步骤

1.调Q技术
1、用He-Ne激光束或自准直平行光管,调整激光器各光学元件高低水平位置,使各光学元件对称中心基础在同一直线上。再调整各光学元件俯仰方位,使介质膜反射镜、偏振器、 电光晶体通光面和激光工作物质端面相互平行,不平行度小于一弧分。

2、开启电源,在不加/4晶体电压情况下,工作电压取550V,反复调整两块谐振腔片,
使静态激光输出最强,记下输出激光能量。通常称不加调Q元件激光输出为静态激光,而加调Q元件激光输出为动态激光或巨脉冲激光。

/4),绕光轴转动KD*P晶体,充电并打激光,反复微调电光晶体,直至其x、y轴有偏振器起偏方向平行。同时合适微调电压V/4,直到激光器几乎不能振荡为止(出光显著比静态激光能量低)。此即说明电光Q开关已处于关闭状态(低Q值状态)。

4、接通电光晶体退压电路,打动态激光,微调闪光灯开始泵浦至退去V 一面观察激光强弱,一面微调延迟电位器旋钮,直/4电压之间延迟时间电位器,
到激光输出最强。记下巨脉冲能量值。

5、改变脉冲泵浦能量,每增加工作电压50V测量一次,用能量计分别测出几组静、动态输出能量。 一直测到800V,计6组数据。

2.倍频技术
为确保安全,必需首先仔细阅读试验室注意事项、因为本试验含有强光和高压电,
然后才开始操作。

1、调整激光器出射光方向,使其和基座导轨同方向并和导轨上各光学器件处于等高水平方向,这么便于接收调整．检测YAG激光器输出光能量是否正常。 对1.06微米不可见微调YAG放大器基座,和激光器保持共轴,使输出能量最好．

红外激光除可用能量计正确测定其能量值外．还可用烧斑纸对光有没有和能量大小进行粗略捡查。

2、将倍频晶体、 能量计放置在同一水平高度上。 使KTP晶体处于o+o->e第一类相位匹配方法。

3、因为晶体切割时,截面法线和晶体光轴夹角即为该晶体相位匹配角,入射光只要垂直射到晶体上,就可取得最好倍频效果。转动倍频晶体,使1.06微米基频光以不一样角度入射于晶体。从光强改变中也可看出,当倍频光由弱圆环或散开光斑缩为一刺眼光点时,即达成了最好匹配状态。鉴于光束发散,能量计和倍频晶体通常保持在10cm处。在测量过程中,能量计放置角度也会伴随出射光方向改变稍有改变。

4、将倍频晶体固定在最好倍频位置,用能量计分别测出1.06微米输人光强

五、试验汇报要求

1.利用公式分别计算出在同一泵浦能量下动态和静态激光输出能量之比,称

为动静比。=动态激光输出能量/静态激光输出能量

2.总结相位匹配原理,对试验数据进行列表整理

六、思索题

1.试述改变退压延迟时间t0和加在晶体上电压值为何会影响调Q激光器输出？

2.怎样知道本试验倍频为第一类相位匹配?若改用第二类相位匹配,应怎样做?