【正文】 1 DGTQ 型 固體激光器綜合實驗系統(tǒng) 2 固體激光器綜合實驗 一 . 主要功能和特點 此套系統(tǒng)適用于光信息科學(xué)與技術(shù)、電子科學(xué)與技術(shù)、應(yīng)用物理等相關(guān)專業(yè)。可測量閾值、轉(zhuǎn)換效率，倍頻效率等參量，開設(shè)電光調(diào) Q，選模等實驗。使學(xué)生全面了解激光原理和激光技術(shù)，掌握電光調(diào) Q 系統(tǒng)的調(diào)試方法。 電光調(diào) Q 固體脈沖激光器外罩機(jī)殼，整體美觀大方，并可保護(hù)內(nèi)部裝置。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，采用內(nèi)置三角導(dǎo)軌，具有良好的穩(wěn)定性。所有器件均采用標(biāo)準(zhǔn)件，互換性強(qiáng)，并且都可以拆卸，便于學(xué)生動手裝調(diào)。 本裝置的準(zhǔn)直光源采用 650nmLD 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 HeNe 激光器，具有體積小、使用安全、調(diào)節(jié)方便、光強(qiáng)可調(diào)等優(yōu)點。本裝置采用脈沖氙燈泵浦 Nd3+:YAG 輸出1064nm 激光，經(jīng)倍頻后可以輸出 532nm 激光。采用 PKD* 電光晶體進(jìn)行電光調(diào) Q，可實現(xiàn) ns 級脈寬激光的輸出 二 : 實驗原理 （一） : 激光原理簡介 1：激光原理 （ 1）自發(fā)輻射 根據(jù)已知的理論，原子只能存在分立的能態(tài)，處在不同能態(tài)的原子具有不同的能量。若 原子處于內(nèi)部能量最低的能量狀態(tài)，稱此原子處于基態(tài)，其它比基態(tài)能量高的狀態(tài)，都叫做激發(fā)態(tài)。在熱平衡時，材料中處于下能態(tài)的原子數(shù)遠(yuǎn)比上能態(tài)的多，電磁波與其發(fā)生作用，能使原子從低能級上升到高能級。這種原子在兩個能級之間的變化叫做躍遷?？梢哉f，處于基態(tài)的原子，從外界吸收能量以后，將躍遷到能量較高的激發(fā)態(tài)。 在高能態(tài)上的原子是不穩(wěn)定的，它總是力圖使自己處于最低的能量狀態(tài)；即使在沒有任何外界作用的情況下，它也有可能從高能態(tài) 2E 躍遷到低能態(tài)并把相應(yīng)的能 量釋放出來。這種在沒有外界作用的情況下，原子從高能態(tài)向低能態(tài)的躍 3 遷方式有兩種：一種是在躍遷過程中，釋放的能量以熱量的形式放出，這稱為無輻射躍遷；另一種躍遷過程中，釋放出的能量是通過光輻射的形式放出，這稱為自發(fā)輻射躍遷。輻射的光子能量滿足波爾關(guān)系： ?hEE 12 ?? 1 （ ） 圖 自發(fā)輻射 圖 受激吸收 圖 受激 輻射 原子自發(fā)輻射的特點是原子的自發(fā)輻射幾率 A21只與原子本身性質(zhì)有關(guān)，與外界輻射場無關(guān)。即原子自發(fā)輻射是完全隨機(jī)的，各個原子在自發(fā)躍遷中彼此無關(guān)，這樣產(chǎn)生的自發(fā)輻射光在相位、偏振態(tài)以及傳播方向上都是雜亂無章的，光能量分布在一個很寬的頻率范圍內(nèi)。 （ 2）受激吸收 當(dāng)原子系統(tǒng)受到外來的能量為 hγ21 的光子照射時，如果 hγ21=E2E1，則處于低能態(tài) E1上的原子受到激發(fā)，躍遷到高能態(tài) E2上去，同時吸收一個能量為 hγ21的光子，這種過程稱為光的受激吸收。 原子的受激吸收幾率與外來的光輻射能量密度ρ (ν )的數(shù)值大 小有關(guān)，ρ (ν )越大，幾率 W12 就越大。所以，與自發(fā)輻射幾率不同，原子的受激吸收幾率是隨ρ (ν )而變化的。 （ 3）受激輻射 在光的受激吸收過程的同時，還有一個相反的過程，即當(dāng)原子受到外來的能量為 hγ21的光子照射時，如果 hγ21=E2E1，則處在高能態(tài) E2上的原子也會受到外來的能量為 hγ21的光子的誘發(fā)，而從高能態(tài) E2躍遷到低能態(tài) E1上去。這時原子將發(fā)射一個和外來光子能量相同的光子，這種過程叫做受激輻射。有這種輻射過程產(chǎn)生的光便是激光 [7]。 在激光器中，外部泵浦源使激光材料中的粒子（原子）從低能態(tài)躍遷到 高能態(tài)，即泵浦輻射導(dǎo)致“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。使頻率適中的電磁波入射到該“反轉(zhuǎn)”的 4 激光材料上，入射光子將使高能級的原子降落回低能級而發(fā)射出附加的光子，形成光波放大。最終，能量從原子系統(tǒng)萃取出來，供給到輻射場。這一切都是以之前所述的原子系統(tǒng)受激吸收 —— 受激輻射一系列機(jī)制為根據(jù)的。 簡言之，當(dāng)材料受到激勵，使得它的原子（分子）在高能級的分布多于低能級時，該材料就能夠以與能級差相應(yīng)的頻率使輻射放大，從而產(chǎn)生激光 [7]。 2: 調(diào) Q 技術(shù)原理 1) 調(diào) Q 的意義 普通脈沖固體激光器輸出的脈沖，是由許多振幅、脈寬和間隔作 隨機(jī)變化的尖峰脈沖組成的，如圖 。 圖 靜態(tài)激光脈沖中的遲豫振蕩 每個尖峰的寬度約為 s，間隔為微秒量級，脈沖序列的長度大致與閃光燈泵浦時間相等，這種現(xiàn)象稱為激光器遲豫振蕩。如此，激光器的能量分散在這樣一串脈沖中，因而不可能有很高的峰值功率，這是因為通常的激光諧振腔的損耗是不變的，一旦光泵浦使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到或略超過閾值時，激光器便開始振蕩，于是激光上能級的粒子數(shù)因受激輻射而減少，致使上能級不能積累很大的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，只能被限制在閾值 反轉(zhuǎn)數(shù)附近 [7]。 調(diào) Q 能夠抑制弛豫振蕩，將輸出激光的脈寬從微秒量級壓縮到納秒量級，從而大大提高峰值功率。 2) 調(diào) Q 的原理 5 從激光產(chǎn)生的原理得知，激光器振蕩的閾值條件可以表示為 thn? ≥211cgA ? () 而2c Q? ??? ，所以 thn? ≥212gAQ? () 式中 g 是模式數(shù)目， 21A 是自發(fā)輻射幾率， c? 是光子在腔內(nèi)的壽命。我們引入品質(zhì)因數(shù) Q，將它定義為 [8] 02Q ?? ??? ????腔內(nèi)存儲的能量每秒損耗的能量 式中， 0? 為激光的中心頻率。用 W 表示腔內(nèi)存圖 Q開關(guān)激光脈沖建立過程 儲的能量 ,δ表示光在腔內(nèi)傳播單次能量的損耗率，那么光在 一個單程中的能量損耗為δ W。設(shè) L 為腔長， n 為介質(zhì)折射率，c 為光速，則光在腔內(nèi)走一單程所需的時間為 nL/c。由此，光在腔內(nèi)每秒鐘損耗的能量為 /WnLc? 。這樣， Q 值就可表示為 0 022 /W n LQ W c n L ??? ? ???? 式中， 0? 為真空中激光中心波長。由（ ）式和（ ）式可見，當(dāng) ? 和 L 一定時， Q 值與諧振腔損耗成反比，即損耗大， Q 值就低，閾值高，不易起振；當(dāng)損耗小， Q 值就高，則閾值低，易于起振。由此提高振蕩閾值，振蕩不能形成，使激光工作物質(zhì)上能級的粒子數(shù)大量積累。當(dāng)積累到最大值，突然使腔內(nèi)損 耗變小，Q 值突增。這時，腔內(nèi)會像雪崩一樣以極快的速度建立起極強(qiáng)的振蕩，在短時間內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大量被消耗，轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)的光能量，并在輸出鏡一端輸出一個極強(qiáng)的激光脈沖，我們稱之為巨脈沖。 3) 調(diào) Q 激光的建立 （ ） 6 調(diào) Q 技術(shù)就是通過某種方法（如改變損耗）使腔的 Q 值隨時間按一定程序變化的技術(shù)。在泵浦開始時使腔處于低 Q 值狀態(tài)，即提高振蕩閾值使振蕩不能形成，上能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)就可以大量積累，能量可以儲存的時間決定于激光上能級的壽命；當(dāng)積累到最大值（飽和值）時，突然使腔的損耗減少， Q 值突增，激光振蕩迅速建立起來，在極短的時間 內(nèi)上能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)被消耗，轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)的光能量，從腔的輸出端以單一脈沖形式釋放出來，于是就獲得峰值功率很高的巨脈沖。 調(diào) Q 激光脈沖的建立過程，各參量隨時間的變化情況，如圖 所示。圖 （ a）表示泵浦速率 pW 隨時間的變化；圖 （ b） 表示腔的 Q 值是時間的階躍函數(shù)；圖（ c）表示粒子反轉(zhuǎn)數(shù) n? 的變化；圖（ d）表示腔內(nèi)光子數(shù) ? 隨時間的變化。在泵浦過程的大部分時間里諧振腔處于低 Q 值（ 0Q ）狀態(tài)，故閾值很高不能起振，從而激光上能級的粒子數(shù)不斷積累，直到 0t 時刻，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達(dá)到最大值 in? ，在這一時刻， Q 值突然升高（損耗下降），振蕩閾值隨之降低，于是激光振蕩開始建立。 由于 inn?? ?? （閾值粒子反轉(zhuǎn)數(shù)），因此受激輻射增強(qiáng)非常迅速，激光介質(zhì)存儲的能量在極短的時間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芗ぽ椛鋱龅哪芰?，結(jié)果產(chǎn)生了一個峰值功率很高的窄脈沖。