?Nd*:Absorption 800810 wavelength (nu) 图3Nd:YAG晶体中Nd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 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Nd 离子部分取代YAlO12晶体中Y3离子的掺钕钇铝石榴石( Nd: YAG),由于具有量子效率高 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 甫的理想激光晶体之一。 Nd: Yag晶体的吸收光谱如图3所示 从 Nd: YAG的吸收光谱图我们可以看出, Nd: YAG在8075mm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 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。 端面泵浦固体激光器的模式匹配技术 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,镀输岀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 激光晶体 输出镜 图4端面泵浦的激光谐振腔形式 如图4所示,则平凹腔中的g参数表示为 L g1 1-r=1,g2 R R 根据腔的稳定性条件,0<g182<1时腔为稳定腔。故当L<R2时腔稳定
- 9 - 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 Y3Al5O12 晶体中 Y3+离子的掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG），由于具有量子效率高、 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 3 所示。 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。 端面泵浦固体激光器的模式匹配技术 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。 图 4 端面泵浦的激光谐振腔形式 如图 4 所示，则平凹腔中的 g 参数表示为： 1 1 1 1, L g R =− = 2 2 1 L g R = − 根据腔的稳定性条件， 1 2 0 1 < < g g 时腔为稳定腔。故当 L < R2 时腔稳定
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-DF2a 丌 本实验中,R1为平面,R2=200mm,L=80mm。由此可以算出o大小。 ,泵浦光在激光晶体输入面上的光斑半径应该≤ω’这样可使泵浦光与基模振荡模式匹配, 易获得基模输出 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 Cr.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。 Cr.YAG被动调Q的工作原理是:当 Cr.YAG被放置在激光谐振腔内时,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, Cr.YAG的透过率较低(初始透过率),随着泵 俌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, Cr. 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 Cr.Yag的透过率也开始减低。 当光子数密度降到初始值时, Cr.YAG的透过率也恢复到初始值,调Q脉冲结束。 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532mm绿光 常用的倍频晶体有KTP、KDP、LBO、BBO和LN等。其中,KTP晶体在1064m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 算出其最佳相位匹配角为:0=90°,c=23°,对应的有效非线性系数d=7.36×10V/m。 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。 实验内容与要求 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 泵浦电流为0-2.4A(每隔02A测量一次)的输出功率,绘出(电流卜功率P)曲 线,并确定阈值电流, 将耦合系统、激光晶体、输岀镜、Q开关、准直器等各元器件安裝在调整架和滑块上; 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 通过调整架旋钮微调耦合系统的倾斜和俯仰,使晶体反射光位于准直器中心,并且准直光 通过晶体后仍垂直进入LD
- 10 - 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： [ ] 1 2 2 0 LR L ( ) λ ω π − = 本实验中，R1为平面，R2=200mm，L=80mm。由此可以算出ω0 大小。 所以，泵浦光在激光晶体输入面上的光斑半径应该≤ω0 ，这样可使泵浦光与基模振荡模式匹配， 更容易获得基模输出。 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。 Cr4+:YAG 被动调 Q 的工作原理是：当 Cr4+:YAG 被放置在激光谐振腔内时，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+:YAG 的透过率也恢复到初始值，调 Q 脉冲结束。 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：θ=90°，φ=23.3°，对应的有效非线性系数 deff=7.36×10-12V/m。 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。 实验内容与要求 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 泵浦电流为 0—2.4A（每隔 0.2A 测量一次）的输出功率，绘出（电流 I—功率 P）曲 线，并确定阈值电流。 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； 通过调整架旋钮微调耦合系统的倾斜和俯仰，使晶体反射光位于准直器中心，并且准直光 通过晶体后仍垂直进入 LD；
通过调整架旋钮微调Nd:YAG晶体的倾斜和俯仰,重复上一步的调节步骤。 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。 半导体泵浦固体激光器实验 实验装置图 ≈20mtm≈15mm≈amm TEC和 散热片1D耦合系统 Nd: YAG 输出镜探测器 准直器 图5半导体泵浦固体激光器实验装置图 在准直器前安装T1输岀镜,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岀光,然后微调激光晶体、耦合系统,使激光输岀得到最大值; 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 测量一组固体激光器系统输出功率。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; 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 半导体泵浦固体激光器调Q实验 实验装置图 ≈20mm≈15m ≈8mm 示波器 口8冒心郎日 TFC和 散热片 LD耦合系统 NdYAG Cr: YAG输出镜探测器准直器 图6调Q实验装置图 安装 Cr YAG晶体,在准直器前准直后放入谐振腔内。LD电流调到17A,观察输出的平 均功率,微调调整架,使激光输岀平均功率最大 降低LD电流到零。然后从小到大缓慢増加,测量1.7A、2.0A、2.3A时输出脉冲的平均功 率 安装探测器,取三个不同的LD工作电流(17A、2.0A、2.3A),分别测量输出脉冲的脉宽 计算不同功率下的峰值功率,对不同功率下的输岀脉冲进行对比,并作简要分析。 半导体泵浦固体激光器倍频实验 实验装置图
- 11 - 通过调整架旋钮微调 Nd:YAG 晶体的倾斜和俯仰，重复上一步的调节步骤。 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。 半导体泵浦固体激光器实验 实验装置图 图 5 半导体泵浦固体激光器实验装置图 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； 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 测量一组固体激光器系统输出功率。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； 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。 半导体泵浦固体激光器调 Q 实验 实验装置图 图 6 调 Q 实验装置图 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； 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； 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； 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。 半导体泵浦固体激光器倍频实验 实验装置图
≈20mm≈15mm≈8mm ⊙ 散热片1耦合系统 Nd:YAG KTP输出镜 准直器 图7倍频实验装置图 将输岀镜换为短波通输岀镜,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,微调输岀镜、激光晶体、耦合系统的旋钮,使输出激光功率最大: 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,使得输岀绿光功率最亮;然后旋转κTP晶体(或LBO),观察旋转过程 中绿光输出有何变化 实验结果与思考 什么是半导体泵浦固体激光器中的光谱匹配和模式匹配? 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? 把倍频晶体放在激光谐振腔内对提高倍频效率有何好处?
- 12 - 图 7 倍频实验装置图 将输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； 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； 实验结果与思考 什么是半导体泵浦固体激光器中的光谱匹配和模式匹配？ 2. 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？ 把倍频晶体放在激光谐振腔内对提高倍频效率有何好处？
实验3HeNe激光的装调和参数测试 引言 虽然在1917年爱因斯坦就预言了受激辐射的存在,但在一般热平衡情况下,物质的受激 辐射总是被受激吸收所掩盖,未能在实验中观察到。直到1960年,第一台红宝石激光器才面世, 它标志了激光技术的诞生。 激光器由光学谐振腔、工作物质、激励系统构成,相对一般光源,激光有良好的方向性 也就是说,光能量在空间的分布高度集中在光的传播方向上,但它也有一定的发散度。在激光 横截面上,光强是以高斯函数型分布的,故称作高斯光束。同时激光还具有单色性好的特点 也就是说,它可以具有非常窄的谱线宽度。受激辐射后经过谐振腔等多种机制的作用和相互干 涉,最后形成一个或者多个离散的、稳定的谱线,这些谱线就是激光的模。 在激光生产与应用中,如定向、制导、精密测量、焊接、光通讯等,我们常常需要先知道 激光器的构造,同时还要了解激光器的各种参数指标。因此,激光原理与技术综合实验是光电 专业学生的必修课程。 实验目的 1.理解激光谐振原理,掌握激光谐振腔的调节方法。 2.掌握激光传播特性的主要参数的测量方法。 3.了解F-P扫描干涉仪的结构和性能,掌握其使用方法。 4.加深激光器物理概念的理解,掌握模式分析的基本方法 5.理解激光光束特性,学会对高斯光束进行测量与变换。 6.了解激光器的偏振特性,掌握激光偏振测量方法。 7.了解激光纵模正交偏振理论与模式竞争理论 实验原理 氮氖激光器原理与结构 氦氖激光器(简称He-Ne激光器)由光学谐振腔(输出镜与全反镜)、工作物质(密 封在玻璃管里的氦气、氖气)、激励系统(激光电源)构成。 对HeNe激光器而言增益介质就是在毛细管内按一定的气压充以适当比例的氦、氖气 体,当氦、氖混合气体被电流激励时,与某些谱线对应的上下能级的粒子数发生反转,使 介质具有增益。介质增益与毛细管长度、内径粗细、两种气体的比例、总气压以及放电电 流等因素有关 对谐振腔而言,腔长要满足频率的驻波条件,谐振腔镜的曲率半径要满足腔的稳定条 件。总之腔的损耗必须小于介质的增益,才能建立激光振荡。 内腔式He-Ne激光器的腔镜封装在激光管两端,而外腔式He-Ne激光器的激光管、输 出镜及全反镜是安装在调节支架上的。调节支架能调节输岀镜与全反镜之间平行度,使激 光器工作时处于输出镜与全反镜相互平行且与放电管垂直的状态。在激光管的阴极、阳极 上串接着镇流电阻,防止激光管在放电时出现闪烁现象。氦氖激光器激励系统采用开关电路 的直流电源,体积小,份量轻,可靠性高,可长时间运行
- 13 - 实验 3 He-Ne 激光的装调和参数测试 一．引言 虽然在 1917 年爱因斯坦就预言了受激辐射的存在，但在一般热平衡情况下，物质的受激 辐射总是被受激吸收所掩盖，未能在实验中观察到。直到 1960 年，第一台红宝石激光器才面世， 它标志了激光技术的诞生。 激光器由光学谐振腔、工作物质、激励系统构成，相对一般光源，激光有良好的方向性， 也就是说，光能量在空间的分布高度集中在光的传播方向上，但它也有一定的发散度。在激光 的横截面上，光强是以高斯函数型分布的，故称作高斯光束。同时激光还具有单色性好的特点， 也就是说，它可以具有非常窄的谱线宽度。受激辐射后经过谐振腔等多种机制的作用和相互干 涉，最后形成一个或者多个离散的、稳定的谱线，这些谱线就是激光的模。 在激光生产与应用中，如定向、制导、精密测量、焊接、光通讯等，我们常常需要先知道 激光器的构造，同时还要了解激光器的各种参数指标。因此，激光原理与技术综合实验是光电 专业学生的必修课程。 二．实验目的 1. 理解激光谐振原理，掌握激光谐振腔的调节方法。 2. 掌握激光传播特性的主要参数的测量方法。 3. 了解 F-P 扫描干涉仪的结构和性能，掌握其使用方法。 4. 加深激光器物理概念的理解，掌握模式分析的基本方法。 5. 理解激光光束特性,学会对高斯光束进行测量与变换。 6. 了解激光器的偏振特性，掌握激光偏振测量方法。 7. 了解激光纵模正交偏振理论与模式竞争理论。 三．实验原理 1．氦氖激光器原理与结构 氦氖激光器（简称 He-Ne 激光器）由光学谐振腔（输出镜与全反镜）、工作物质（密 封在玻璃管里的氦气、氖气）、激励系统（激光电源）构成。 对 He-Ne 激光器而言增益介质就是在毛细管内按一定的气压充以适当比例的氦、氖气 体，当氦、氖混合气体被电流激励时，与某些谱线对应的上下能级的粒子数发生反转，使 介质具有增益。介质增益与毛细管长度、内径粗细、两种气体的比例、总气压以及放电电 流等因素有关。 对谐振腔而言，腔长要满足频率的驻波条件，谐振腔镜的曲率半径要满足腔的稳定条 件。总之腔的损耗必须小于介质的增益，才能建立激光振荡。 内腔式 He-Ne 激光器的腔镜封装在激光管两端，而外腔式 He-Ne 激光器的激光管、输 出镜及全反镜是安装在调节支架上的。调节支架能调节输出镜与全反镜之间平行度，使激 光器工作时处于输出镜与全反镜相互平行且与放电管垂直的状态。在激光管的阴极、阳极 上串接着镇流电阻,防止激光管在放电时出现闪烁现象。氦氖激光器激励系统采用开关电路 的直流电源，体积小，份量轻，可靠性高，可长时间运行