hv-hvVhvaE(c）受激发射●高能态原子O低能态原子图1双能级原子中的三种跃迁3.粒子数反转一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级地原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。由此可见为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。4.LD泵浦Nd:YVO4固体激光器半导体激光器（LD）是以半导体材料作为工作介质的。这种激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固，特别适于在飞机、车辆、宇宙飞船上用。在70年代末期，由于光纤通讯和光盘技术的发展大大推动了半导体激光器的发展。但是这种激光器的光束质量相对较差。LD泵浦的固体激光器，其泵浦源为半导体激光二极管，用它给激光增益介质提供能源，可以得到光束质量更好的激光。这类的激光器具有以下特点4.1.光谱匹配性好如果采用闪光灯泵浦固体激光器，由于闪光灯的发射光谱和工作物质吸收光谱之匹配不好，将导致器件的泵浦效率很低，比如，氪灯或氙灯的发射光谱都是范围很宽的连续谱，而Nd3+的吸收光谱是一些有着很强峰值的分立光谱，这将使其发射光谱的很小一部分光能能够被工作物质吸收，其余部分将转变为器件的热能。而采用激光二极管作为泵浦源可以较好的解决上述问题，因为它的输出谱线很窄，通常为几个纳米。4.2.体积小，结构简单，装调方便，使用寿命长激光二极管体积小，其供电电源也很小，只有闪光灯电影体积的十分之一，采用激光二极管泵浦，由于热效应与闪光灯泵浦的器件相比很小，因此，可以减小冷却系统，使器件结构简单，装调维修方便，为固体器件的小型化创造了有利的条件：同时，激光二激光二极管4
4 3. 粒子数反转 一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级 地原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。由此可见， 为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的 多，这种情况，称为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。 因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。 4. LD 泵浦 Nd:YVO4 固体激光器 半导体激光器（LD）是以半导体材料作为工作介质的。这种激光器体积小、质量轻、寿 命长、结构简单而坚固，特别适于在飞机、车辆、宇宙飞船上用。在 70 年代末期，由于光 纤通讯和光盘技术的发展大大推动了半导体激光器的发展。但是这种激光器的光束质量相对 较差。LD 泵浦的固体激光器，其泵浦源为半导体激光二极管，用它给激光增益介质提供能 源，可以得到光束质量更好的激光。这类的激光器具有以下特点 4.1. 光谱匹配性好 如果采用闪光灯泵浦固体激光器，由于闪光灯的发射光谱和工作物质吸收光谱之匹配不 好，将导致器件的泵浦效率很低，比如，氪灯或氙灯的发射光谱都是范围很宽的连续谱，而 Nd3+的吸收光谱是一些有着很强峰值的分立光谱，这将使其发射光谱的很小一部分光能能够 被工作物质吸收，其余部分将转变为器件的热能。而采用激光二极管作为泵浦源可以较好的 解决上述问题，因为它的输出谱线很窄，通常为几个纳米。 4.2. 体积小，结构简单，装调方便，使用寿命长 激光二极管体积小，其供电电源也很小，只有闪光灯电影体积的十分之一，采用激光二 极管泵浦，由于热效应与闪光灯泵浦的器件相比很小，因此，可以减小冷却系统，使器件结 构简单，装调维修方便，为固体器件的小型化创造了有利的条件；同时，激光二激光二极管 hν E2 E2 E1 hν hν (c) 受激发射 高能态原子 低能态原子 图 1 双能级原子中的三种跃迁
的使用寿命长，其典型寿命为10°小时，这使得固体激光器系统的寿命和可靠性大大提高了。LD泵浦Nd:YVO.固体激光器中的LD的波长为808nm，它泵浦Nd：YVO激光晶体，得到1064nm的激光输出。5.倍频利用一些非线性材料，可以将某个频率的激光改变成另一种频率。比如，我们实验中用KTP晶体将1064nm激光变换成532nm的激光，则称为倍频。我们的实验中，KTP晶体被置于激光谐振腔内，叫内腔倍频。6.LD泵浦Nd:YVO4固体（倍频）激光器主要参数及实验6.1.泵浦功率(Pin)一输出功率(Pout)特性曲线LD作为固体激光器的泵浦光源，其输出功率作为固体激光器的泵浦功率Pin，而固体激光器的输出功率为Pout，其曲线为Pm-Pou曲线。图3所示。随泵浦功率增加，激光器首先是渐渐地增加自发辐射，直至超过阈值，发生受激辐射。最感兴趣的参数是开始发生受激辐射时的泵浦功率值，通常把这个功率值称之为值功率，用P表示。Pout PthPin图3Pin-Pou曲线6.2.阀值功率（Pth）阅值功率是LD泵浦Nd：YVO.固体激光器开始受激辐射时的对应的泵浦功率。测量阅值功率如下：利用激光器的Pin-Pout曲线可以找到Pt，其作法有三种：第一是双斜法，它是将Pm-Pout曲线中两条直线延长线交点所对应的功率作为激光器的阅值功率Pt（如图4a所示）；第二种作法是，输出光功率延长线与功率轴的交点作为激光器的P（如图4b所示），这是一种比较5
5 的使用寿命长，其典型寿命为 105 小时，这使得固体激光器系统的寿命和可靠性大大提高了。 LD泵浦Nd:YVO4固体激光器中的LD的波长为 808nm，它泵浦Nd:YVO4激光晶体，得到 1064nm 的激光输出。 5. 倍频 利用一些非线性材料，可以将某个频率的激光改变成另一种频率。比如，我们实验中用 KTP 晶体将 1064nm 激光变换成 532nm 的激光，则称为倍频。我们的实验中，KTP 晶体被置于 激光谐振腔内，叫内腔倍频。 6.LD 泵浦 Nd:YVO4 固体（倍频）激光器主要参数及实验 6.1. 泵浦功率(Pin)－输出功率(Pout)特性曲线 LD作为固体激光器的泵浦光源，其输出功率作为固体激光器的泵浦功率Pin，而固体激 光器的输出功率为Pout，其曲线为Pin－Pout曲线。图 3 所示。随泵浦功率增加，激光器首先是 渐渐地增加自发辐射，直至超过阈值,发生受激辐射。最感兴趣的参数是开始发生受激辐射 时的泵浦功率值,通常把这个功 率值称之为阈值功率，用Pth表示。 6.2. 阈值功率（Pth） 阈值功率是LD泵浦Nd:YVO4固体激光器开始受激辐射时的对应的泵浦功率。测量阈值功 率如下： 利用激光器的Pin－Pout曲线可以找到Pth,其作法有三种：第一是双斜法，它是将Pin－Pout 曲线中两条直线延长线交点所对应的功率作为激光器的阈值功率Pth（如图 4a所示）；第二种 作法是，输出光功率延长线与功率轴的交点作为激光器的Pth（如图 4b所示），这是一种比较 Pout Pth Pin 图 3 Pin－Pout 曲线
常规的作法：第三种方法是在Pm-Pout曲线中，将输出功率对泵浦功率求二阶导数，求导数波峰所对应的功率值为Pt，这种作法的测量精度较高，如图4c所示。6.3.Pin一Pout曲线的斜率（%）表示这种能力的直接量值是Pa以上的Pin-Pout曲线的斜率用△Pot/△Pin。在Pa以上的Pm-Pou曲线的斜率表示波长为808nm的泵浦功率有多少转换成1064nm固体激光器的输出功率。这是一种光一光转换效率。4b4a4c图4Pi-Pout曲线法求Pth三.实验装置和光路图本实验包含下列设备。图5为实验光路示意图。1、功率可调808nm激光二极管2、Nd:YVO4固体激光器一套3、光功率指示仪（功率计）01,LD22，耦合镜3，全反镜4，Nd:YV04晶体5，KTP6，输出镜7，功率计图5，实验装置示意图a
6 常规的作法；第三种方法是在Pin－Pout曲线中，将输出功率对泵浦功率求二阶导数，求导数 波峰所对应的功率值为Pth，这种作法的测量精度较高，如图 4c所示。 6.3. Pin－Pout 曲线的斜率（％） 表示这种能力的直接量值是Pth以上的Pin－Pout曲线的斜率用△Pout/△Pin。在Pth以上的Pin －Pout曲线的斜率表示波长为 808nm的泵浦功率有多少转换成 1064nm固体激光器的输出功率。 这是一种光－光转换效率。 4a 4b 4c 图 4 Pin－Pout曲线法求Pth 三. 实验装置和光路图 本实验包含下列设备。图 5 为实验光路示意图。 1、功率可调 808nm激光二极管 2、Nd:YVO4固体激光器一套 3、光功率指示仪（功率计） 1 2 3 4 5 6 7 1，LD 2，耦合镜 3，全反镜 4，Nd:YVO4 晶体 5，KTP 6，输出镜 7，功率计 图 5，实验装置示意图
四.实验内容和步骤1，连上电线，保证旋纽位置对应的电流为最小。2，打开激光电源，此时激光器上有电流显示为03，调节电流旋钮，逐步增大电流，同时检测激光功率计的读数4，记录不同电流下（LD的电流正比于其功率）的功率绘制激光器的Iin-Pout特性曲线5，6，用两种以上方法确定激光器的阅值功率7，计算室温时激光器的I-Pou曲线的斜率五.实验报告要求除一般报告要求的常规内容外，在实验结果重要对数值部分归纳整理，列表示之。思考题LD泵浦Nd:YVO4固体激光器体激光器受激发射的条件是什么？7
7 四. 实验内容和步骤 1， 连上电线，保证旋纽位置对应的电流为最小。 2， 打开激光电源 ，此时激光器上有电流显示为 0 3， 调节电流旋钮，逐步增大电流，同时检测激光功率计的读数 4， 记录不同电流下（LD 的电流正比于其功率）的功率 5， 绘制激光器的Iin－Pout特性曲线 6， 用两种以上方法确定激光器的阈值功率 7， 计算室温时激光器的Iin－Pout曲线的斜率 五. 实验报告要求 除一般报告要求的常规内容外，在实验结果重要对数值部分归纳整理，列表示之。 思考题 LD泵浦Nd:YVO4固体激光器体激光器受激发射的条件是什么？
实验二、LD泵浦Nd：YVO4固体激光器光斑尺寸的测量一.实验目的：1：了解基模激光光束的传播特性及其横截面光强的高斯分布特性2：掌握刀口法逐点测量法测量光斑尺寸的原理方法3：掌握激光基模判断方法及其数据拟合方法二.实验原理：在许多应用激光的场合都希望激光光斑的光强分布是均匀的，但是实际的光强分布是不均匀的：在各种不同光强分布形式中，基横模的光强分布不均匀性最小，因此需要激光器工作在基横模状态.激光是现代光学的重要组成部分，让学生掌握研究激光基横模的实验原理和方法是非常必要的过去研究激光的基横模是用扫描法，本文介绍一种称为刀口法的实验研究方法，这种方法能够验证激光基横模的光强分布是高斯分布，能够方便地测定光斑的大小。光强分布和光斑大小：1.激光在谐振腔内振荡的过程中。在光束横截面上的光强形成各种不同形式的稳定分布。在光束横截面上的这种稳定分布，称为激光束的横向模式，简称横模。取激光器的轴向为直角坐标系的z轴，以谐振腔的中心为原点，并在与主轴z垂直的平面上取x轴和y轴，用符号TEMm。来表示各种横向模式．这里m,n均为正整敷，分别表示在x轴和y轴方向上光强为零的那些零点的序数，称为模式序数。基横模是光斑中间没有光强为零的光斑，称为TEM模：而TEM1o模则表示在x方向上有一个光强为零的光斑；TEMo模表示在y方向上有一个光强为零的光斑：以此类推，模式序数m，n越大，光斑图形中光强为零的数目就越多。基横模的光强分布不均匀性最小是显而易见的激光束基横模的光强分布是高斯分布，在垂直于z轴的xy平面上的光强分布I(x，y)为2(x2+y)2P(1)I(x,y)=exp[-W?元W2或者2(x2 + y2)I(x,y)= I,exp[-(2)W?其中P.为光束的总功率，I.为光束截面上的中央最大光强，W称为光斑半径，它定义为光强衰减到中央最大光强的1/e”的位置与z轴之间的距离，称为半宽度。衡量光斑大小也常用半极大全宽度（FWHMD，它定义为光强衰减到中央最大光强的一半的位置与z轴之间距离的2倍，称为半功率直径，记为D1/2，它与W的关系由式(1)或式(2)可得：Di/2=/2ln2W=1.1774W(3)2.刀口法测量原理用刀口法可以测定光斑的大小和验证光斑的光强分布是高斯分布：实验中使刀口平行于8
8 实验二、LD 泵浦 Nd:YVO4固体激光器光斑尺寸的测量 一. 实验目的： 1：了解基模激光光束的传播特性及其横截面光强的高斯分布特性 2：掌握刀口法逐点测量法测量光斑尺寸的原理方法 3：掌握激光基模判断方法及其数据拟合方法 二. 实验原理： 在许多应用激光的场合都希望激光光斑的光强分布是均匀的，但是实际的光强分布是不 均匀的．在各种不同光强分布形式中，基横模的光强分布不均匀性最小，因此需要激光器工 作在基横模状态．激光是现代光学的重要组成部分，让学生掌握研究激光基横模的实验原理 和方法是非常必要的．过去研究激光的基横模是用扫描法，本文介绍一种称为刀口法的实验 研究方法．这种方法能够验证激光基横模的光强分布是高斯分布，能够方便地测定光斑的大 小。 1. 光强分布和光斑大小： 激光在谐振腔内振荡的过程中．在光束横截面上的光强形成各种不同形式的稳定分 布．在光束横截面上的这种稳定分布，称为激光束的横向模式．简称横模。取激光器的轴向 为直角坐标系的z轴，以谐振腔的中心为原点，并在与主轴z垂直的平面上取x轴和y轴，用符 号TEMnm。来表示各种横向模式．这里m,n均为正整敷，分别表示在x轴和y轴方向上光强为零 的那些零点的序数，称为模式序数。基横模是光斑中间没有光强为零的光斑，称为TEM00模； 而TEM10模则表示在x方向上有一个光强为零的光斑；TEM01模表示在y方向上有一个光强为零 的光斑；以此类推，模式序数m,n越大．光斑图形中光强为零的数目就越多。基横模的光强 分布不均匀性最小是显而易见的． 激光束基横模的光强分布是高斯分布，在垂直于z轴的xy平面上的光强分布I(x,y)为 ] 2( ) exp[ 2 ( , ) 2 2 2 2 0 W x y W P I x y + = − π (1) 或者 ] 2( ) ( , ) exp[ 2 2 2 0 W x y I x y I + = − （2） 其中P0为光束的总功率，I0为光束截面上的中央最大光强，W称为光斑半径，它定义为光强 衰减到中央最大光强的l/e2 的位置与z轴之间的距离，称为半宽度。衡量光斑大小也常用半 极大全宽度（FWHM)，它定义为光强衰减到中央最大光强的一半的位置与z轴之间距离的2倍， 称为半功率直径，记为D1/2，它与W的关系由式(1)或式(2)可得： D1/ 2 = 2ln 2W =1.1774W （3） 2. 刀口法测量原理 用刀口法可以测定光斑的大小和验证光斑的光强分布是高斯分布．实验中使刀口平行于