因为光在共焦腔内呈ⅹ型,四倍路程的光程差正好等于λ,干涉序数改变1。 另外,还可看出,当满足△vsR>Av条件后,如果外加电压足够大,可使腔长的变化 量是λ4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,k+1,…,k+i中,如图所示 序 (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的谱线数目。精细常数的理论 公式为 F (19) 1-R R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。因此精细常薮的实际值应由实验来确定,根据精细常数的定义 △s F 显然,δλ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△Δλ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.实验步骤 4.1激光器的调整 当输出镜与全反镜平行度偏离到一定程度,激光器无功率输出。这时可用十字叉调光将激 光调出,其方法是:用白炽灯照十字叉丝板,在放电管处在工作状态时,用眼睛在十字叉丝板 背后通过小孔观察放电管,当眼睛适应放电管亮度后,可看到放电管内的亮白点,调准观察角 度,使亮白点与出光孔同心,然后使十字叉丝板勿动,调节谐振腔镜架螺纹副使十字叉丝中心 与亮白点出光孔同心即可出光
- 19 - 因为光在共焦腔内呈 x 型，四倍路程的光程差正好等于 λ，干涉序数改变 1。 另外，还可看出，当满足 ΔvS.R.> Δv 条件后，如果外加电压足够大，可使腔长的变化 量是 λ/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，k＋1，...，k＋i 中，如图所示。 q-1 q q+1 q-1 q q+1 ν Δ ν S .R . （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的谱线数目。精细常数的理论 公式为 R R F − = 1 π (19) R 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 δλ λS .R. F Δ = (20) 显然，δλ 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 Δλ 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．实验步骤 4．1 激光器的调整 当输出镜与全反镜平行度偏离到一定程度，激光器无功率输出。这时可用十字叉调光将激 光调出，其方法是：用白炽灯照十字叉丝板，在放电管处在工作状态时，用眼睛在十字叉丝板 背后通过小孔观察放电管，当眼睛适应放电管亮度后，可看到放电管内的亮白点，调准观察角 度，使亮白点与出光孔同心，然后使十字叉丝板勿动，调节谐振腔镜架螺纹副使十字叉丝中心 与亮白点出光孔同心即可出光
十字叉调光板 光时的十字叉位置 出光孔、亮自点、十字叉同轴) 不出光时的十字叉位置 布氏 放电 放电官调直邮丝 调应邮熊 放电管调直然 出光孔 亮白点 调右面螺丝移动此线 调左面螺丝移动此线 42He-Ne激光器模式分析 1.点燃激光器,待出光稳定 2.调整扫描干涉仪光路。 首先加入光阑,使激光束从光阑小孔垂直通过,调整扫描干涉仪共焦腔上下、左右位置,使光 束正入射孔中心,再细调共焦腔夹持架上的两个俯仰旋钮,使从干涉仪入射孔内腔镜反射出的 最亮的光点(光斑)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共焦腔的光轴 基本重合。 3.将光电探测放大器的接收孔对准从共焦腔后出射的光点(如果看到有明显两个光点出射,需 要进一步调整共焦腔的位置,使两个光点合一)。连接好各种接线,接通放大器、锯齿波发生器、 示波器的电开关,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。在锯齿波一个下降沿(或一个上升沿)范围内观察,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△vs),为减 测量误差,需要对ⅹ轴增幅,测出与Δvε相对应的标尺长度,计算出两者比值,即每厘米 (格)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,并根据之前算出的 格对应的频率间隔值,推测出纵模频率间隔Δⅴ△a-1。与公式(3)算出的理论值比较,检查 辨认和测量的值是否正确。 7.根据所测量的数据计算出激光器的腔长。 五、思考题 1、HeNe激光管中的布儒斯特窗有什么作用? 2、激光器模式(纵模)的多少与哪些因素有关? 附录
- 20 - 4.2 He-Ne 激光器模式分析 1．点燃激光器，待出光稳定。 2．调整扫描干涉仪光路。 首先加入光阑，使激光束从光阑小孔垂直通过，调整扫描干涉仪共焦腔上下、左右位置，使光 束正入射孔中心，再细调共焦腔夹持架上的两个俯仰旋钮，使从干涉仪入射孔内腔镜反射出的 最亮的光点（光斑）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共焦腔的光轴 基本重合。 3．将光电探测放大器的接收孔对准从共焦腔后出射的光点（如果看到有明显两个光点出射，需 要进一步调整共焦腔的位置，使两个光点合一）。连接好各种接线，接通放大器、锯齿波发生器、 示波器的电开关，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。在锯齿波一个下降沿（或一个上升沿）范围内观察，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 ΔvS.R. ），为减 少测量误差，需要对 x 轴增幅，测出与 ΔvS.R.相对应的标尺长度，计算出两者比值，即每厘米 （格）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，并根据之前算出的 每格对应的频率间隔值，推测出纵模频率间隔 ΔvΔq＝1。与公式（3）算出的理论值比较，检查 辨认和测量的值是否正确。 7．根据所测量的数据计算出激光器的腔长。 五、思考题 1、He-Ne 激光管中的布儒斯特窗有什么作用？ 2、激光器模式（纵模）的多少与哪些因素有关？ 附录
共焦球面扫描干涉仪腔长:L=20mm 共焦球面扫描干涉仪(电部分)使用说明 1接好工作负载电路(见仪器馈线连接指导),用馈线接通220V电源 2将扫描‘幅度、频率、偏置’旋钮放置中间位置。 按“开关电源”按钮,调节“扫描频率”旋钮,可改变锯齿波输出频率;锯齿波输出”和“锯 齿波监测”有锯齿波输出 4调节“扫描幅度”旋钮,改变“锯齿波输出”和“锯齿波监测”的锯齿波电压幅度 调节“偏置调节”旋钮,可以改变偏压值 6按“偏压开关”,则有电压加到锯齿波输出1和2上。“偏压显示”表头显示偏压值 7使用完后,按“开关电源”按钮,关机。 注意事项 1该电源负载为压电陶瓷类的高阻元件。不适用低阻负载。 2偏压调节操作应缓慢,使电压缓慢加载到压电陶瓷上 3信号输出切勿短路,否则损坏电路。 4该仪器出现问题,及时与厂家联系,不得自行拆卸 测试数据图 Tek几● M POS-C0,00Us SAVE RE MPos=40.00 SAVE REC 动作 存图像 存图像 存图像 存图像 文件夹 文件夹 储存 W TEKO015EMP 3.76V 16-J-0711:40
- 21 - 共焦球面扫描干涉仪腔长：L＝20mm 共焦球面扫描干涉仪（电部分）使用说明 1 接好工作负载电路（见仪器馈线连接指导），用馈线接通 220V 电源; 2 将扫描‘幅度、频率、偏置’旋钮放置中间位置。 3 按“开关电源”按钮，调节“扫描频率”旋钮，可改变锯齿波输出频率；锯齿波输出”和“锯 齿波监测”有锯齿波输出； 4 调节“扫描幅度”旋钮，改变“锯齿波输出”和“锯齿波监测”的锯齿波电压幅度 5 调节“偏置调节”旋钮，可以改变偏压值； 6 按“偏压开关”，则有电压加到锯齿波输出 1 和 2 上。“偏压显示”表头显示偏压值； 7 使用完后，按“开关电源”按钮，关机。 注意事项: 1 该电源负载为压电陶瓷类的高阻元件。不适用低阻负载。 2 偏压调节操作应缓慢，使电压缓慢加载到压电陶瓷上； 3 信号输出切勿短路，否则损坏电路。 4 该仪器出现问题，及时与厂家联系，不得自行拆卸； 测试数据图
实验4灯泵YAG激光器综合实验 、实验目的 1、掌握电光Q固体激光器的基本原理和基本结构 2、了解电光Q固体激光器的输出特性 3、掌握电光Q固体激光器主要输出参数的测试方法 ★本实验输出的激光为高峰值功率脉冲激光,做本实验前必须佩戴对防护1064m和532m激 光的防护眼镜 、实验原理 调ρ技术是获得短脉冲高峰值功率激光输岀的重要方法。一般情况下,自由运转的脉冲溦 光器输出的激光脉冲的脉宽在几百μs~几ms之间,峰值功率也较低。为了获得高峰值功率的 激光输出,人们发明了调Q技术。 1、激光器调Q的概念 激光器的ρ值又称品质因数,是表征激光谐振腔的腔内损耗一个重要参数,其定义为腔内 贮存的能量与每秒钟损耗的能量之比: 腔内贮存的激光能量 秒钟损耗的激光能量 式中u为激光的中心频率 假定腔内贮存的激光能量为E,光在腔内走一个单程能量的损耗率为y,则光在一个单程 中对应的损耗能量为yE。如果谐振腔长度为L,则光在腔内走一个单程所需时间为mL/c,其中 n为折射率,c为光速。因此光在腔内每秒钟损耗的能量为 n’Q值可表示为 E 0=2TU (2) yEc/nL yi 式中=c/为真空中激光波长。由公式(2)可知,Q值与损耗率成反比变化,即损耗大Q 值就低,损耗小Q值就高 由于固体激光器存在弛豫振荡现象,产生了功率在阈值附近起伏的尖峰脉冲序列,从而阻 碍了激光脉冲峰值功率的提高。如果我们设法在泵浦开始时使谐振腔内的损耗増大,即提高振 荡阈值,使振荡不能形成,激光工作物质上能级的粒子数大量积累。当积累到最大值(饱和值 时),突然使腔内损耗变小,ρ值突增。这时腔内会像雪崩一样以极快的速度建立起极强振荡, 在短时间内反转粒子数大量被消耗,转变为腔内的光能量,并在输出镜端输出一个极强的激光 脉冲,其脉宽窄(106~-103s量级),峰值功率高(大于MW),通常把这种光脉冲称为巨脉冲。 由于调节腔内的损耗实际上是调节Q值,因此这种产生巨脉冲的技术被称为调Q技术,也称为
- 22 - 实验 4 灯泵 YAG 激光器综合实验 一、实验目的 1、 掌握电光 Q 固体激光器的基本原理和基本结构； 2、 了解电光 Q 固体激光器的输出特性 3、 掌握电光 Q 固体激光器主要输出参数的测试方法 ★ 本实验输出的激光为高峰值功率脉冲激光，做本实验前必须佩戴对防护 1064nm 和 532nm 激 光的防护眼镜。 二、实验原理 调 Q 技术是获得短脉冲高峰值功率激光输出的重要方法。一般情况下，自由运转的脉冲激 光器输出的激光脉冲的脉宽在几百 μs～几 ms 之间，峰值功率也较低。为了获得高峰值功率的 激光输出，人们发明了调 Q 技术。 1、激光器调 Q 的概念 激光器的 Q 值又称品质因数，是表征激光谐振腔的腔内损耗一个重要参数，其定义为腔内 贮存的能量与每秒钟损耗的能量之比： Q=2πυ0 腔内贮存的激光能量 每秒钟损耗的激光能量 （1） 式中υ0 为激光的中心频率。 假定腔内贮存的激光能量为 E，光在腔内走一个单程能量的损耗率为γ ，则光在一个单程 中对应的损耗能量为γ E 。如果谐振腔长度为 L,，则光在腔内走一个单程所需时间为 nL/c, 其中 n 为折射率,c 为光速。因此光在腔内每秒钟损耗的能量为 / E nL c γ ，Q 值可表示为 0 0 2 2 / E nL Q Ec nL π πυ γ γλ = = （2） 式中 0 0 λ = c /υ 为真空中激光波长。由公式（2）可知，Q 值与损耗率成反比变化，即损耗大 Q 值就低，损耗小 Q 值就高。 由于固体激光器存在弛豫振荡现象，产生了功率在阈值附近起伏的尖峰脉冲序列，从而阻 碍了激光脉冲峰值功率的提高。如果我们设法在泵浦开始时使谐振腔内的损耗增大，即提高振 荡阈值，使振荡不能形成，激光工作物质上能级的粒子数大量积累。当积累到最大值（饱和值 时），突然使腔内损耗变小，Q 值突增。这时腔内会像雪崩一样以极快的速度建立起极强振荡， 在短时间内反转粒子数大量被消耗，转变为腔内的光能量，并在输出镜端输出一个极强的激光 脉冲，其脉宽窄（10-6~10-9 s 量级），峰值功率高（大于 MW），通常把这种光脉冲称为巨脉冲。 由于调节腔内的损耗实际上是调节 Q 值，因此这种产生巨脉冲的技术被称为调 Q 技术，也称为
Q开关技术。 谐振腔的损耗γ一般包括有反射损耗、吸收损耗、衍射损耗、散射损耗和输出损耗等。用 不同的方法去控制不同的损耗就形成了不同的调ρ技术,如控制反射损耗的有转镜调Q技术和 电光调Q技术,控制吸收损耗的可饱和吸收体调Q技术、控制衍射损耗的声光调Q技术、控 制输出损耗的透射式调Q技术等。 本实验主要研究灯泵固体激光器的电光调Q技术,所用的Q开关利用晶体的电光效应制成 具有开关速度快、脉冲峰值功率高、脉冲宽度窄、器件输出功率稳定性较好等优点,是一种已 获广泛应用的调Q技术。另外,本实验也简单了解可饱和吸收体调Q技术 2、电光调O的基本原理 (1)KTP晶体的纵向电光效应 本实验所用的电光晶体为KTP晶体,属于四方晶系42m晶类,光轴C与主轴z重和,未加 电场时,在主轴坐标系中KTP晶体的折射率椭球方程为 其中n0、n2分别为寻常光和异常光的折射率。加电场后,由于晶体对称性的影响,42m晶类只 有y3、y4两个独立的线性电光系数。y63是电场方向平行于光轴的电光系数,ya是电场方向垂 直于光轴的电光系数。KTP晶体外加电场后的折射率椭球方程是 x2+y2,z2 +2y1(E,y+E,x)+2y63xy=1 (4) 当只在KTP晶体光轴z方向加电场时上式变成 坐标变换,可求出此时在三个感应主轴上的主折射率 2663E 当光沿KDP光轴z方向传播时,在感应主轴x,y两方向偏振的光波分量由于晶体在这两 者方向上的折射率不同,经过长度为l的晶体后产生位相差: 式中V=E为加在晶体向两端的直流电压
- 23 - Q 开关技术。 谐振腔的损耗γ 一般包括有反射损耗、吸收损耗、衍射损耗、散射损耗和输出损耗等。用 不同的方法去控制不同的损耗就形成了不同的调 Q 技术，如控制反射损耗的有转镜调 Q 技术和 电光调 Q 技术，控制吸收损耗的可饱和吸收体调 Q 技术、控制衍射损耗的声光调 Q 技术、控 制输出损耗的透射式调 Q 技术等。 本实验主要研究灯泵固体激光器的电光调 Q 技术，所用的 Q 开关利用晶体的电光效应制成， 具有开关速度快、脉冲峰值功率高、脉冲宽度窄、器件输出功率稳定性较好等优点，是一种已 获广泛应用的调 Q 技术。另外，本实验也简单了解可饱和吸收体调 Q 技术。 2、电光调 Q 的基本原理 （1）KTP 晶体的纵向电光效应： 本实验所用的电光晶体为 KTP 晶体，属于四方晶系 42m 晶类，光轴 C 与主轴 z 重和，未加 电场时，在主轴坐标系中 KTP 晶体的折射率椭球方程为： 22 2 2 2 1 o e xy z n n + + = （3） 其中 no、ne分别为寻常光和异常光的折射率。加电场后，由于晶体对称性的影响， 42m 晶类只 有 63 γ 、 41 γ 两个独立的线性电光系数。 63 γ 是电场方向平行于光轴的电光系数， 41 γ 是电场方向垂 直于光轴的电光系数。KTP 晶体外加电场后的折射率椭球方程是： 22 2 2 2 41 63 2 ( )2 1 x y o e xy z E yz E xz xy n n γ γ + + + ++ = （4） 当只在 KTP 晶体光轴 z 方向加电场时上式变成： 22 2 2 2 63 0 2 1 x e xy z E xy n n γ + + + = （5） 经坐标变换，可求出此时在三个感应主轴上的主折射率： ' 3 0 0 63 1 2 x z nn nE = − γ ' 3 0 0 63 1 2 y z nn nE = − γ （6） ' z e n n = 当光沿 KDP 光轴ｚ方向传播时，在感应主轴 x’, y’两方向偏振的光波分量由于晶体在这两 者方向上的折射率不同，经过长度为l 的晶体后产生位相差： 3 ' ' 63 2 2 ( ) yx oz n nl n V π π δ γ λ λ = −= （7） 式中V El z = z 为加在晶体 z 向两端的直流电压