【正文】 《激光原理與技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告廣東技術(shù)師范學(xué)院電子與信息學(xué)院1目錄儀器要求與安全保護(hù) ............................................................2實(shí)驗(yàn)一、 LD泵浦 ND:YVO4固體激光器的基本概念與主要參數(shù)測(cè)量 ..........................3實(shí)驗(yàn)二、LD 泵浦 ND:YVO4固體激光器光斑尺寸的測(cè)量 ...............................12實(shí)驗(yàn)三、LD 泵浦 ND:YVO4固體激光器遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的測(cè)量 .............................16實(shí)驗(yàn)四、聲光調(diào) Q 技術(shù)實(shí)驗(yàn)五、HE－NE 激光器諧振腔調(diào)節(jié) ..............................................28實(shí)驗(yàn)六、HENE 激光器的模式分析 ...............................................312儀器要求與安全保護(hù)儀器安裝在干燥、無(wú)灰塵、通風(fēng)良好、遠(yuǎn)離熱源和強(qiáng)（電）磁場(chǎng)的地方。工作溫度： 10～15 oC相對(duì)濕度： ＜70%工作電源： 220V177。15% 50HZ安全防護(hù)（1）使用 HeNe 激光器時(shí)， “+”， “”（正，負(fù)）極不要插（接）錯(cuò)（2）激光管的電流不要調(diào)的過(guò)高，否則容易擊穿，燒毀管子。 （最好接廠方給定的最佳電流）（3）激光出光后，眼睛不要直接直射觀察激光點(diǎn)，否則容易損壞眼睛。（4）HeNe 激光管都是玻璃制品，易碎，小心輕拿輕放。調(diào)節(jié)螺釘不要擰的太緊。日常維護(hù)（1）外腔（或半內(nèi)腔）激光管，外部活動(dòng)的諧振腔，不要弄臟布儒斯特窗面，不要沾上灰塵否則不出光。（2）激光管不要放在潮濕的地方，長(zhǎng)時(shí)間不用時(shí)，最好隔幾天點(diǎn)燃一次（特別是夏天）時(shí)間 20～30 分鐘。（3）半導(dǎo)體泵浦激光器實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)注意防潮，放置于比較干燥的地方。在不使用時(shí)請(qǐng)將儀器上蓋蓋好，端蓋旋緊，防止灰塵進(jìn)入儀器。注意：1 激光對(duì)人眼睛有傷害，注意眼睛不要直接對(duì)著光源。2 激光器的電源電壓上千伏，注意小心，不要觸摸。3實(shí)驗(yàn)一、 LD泵浦 Nd:YVO4固體激光器的基本概念與主要參數(shù)測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求掌握 LD 泵浦 Nd:YVO4 固體激光器的基本概念與激光器的調(diào)節(jié)掌握連續(xù)激光器閾值概念及測(cè)量方法掌握連續(xù)激光器斜率效率及測(cè)量方法二、實(shí)驗(yàn)類型綜合型三、實(shí)驗(yàn)原理及說(shuō)明1. 普通光源的發(fā)光—受激吸收和自發(fā)輻射普通常見(jiàn)光源的發(fā)光（如電燈、火焰、太陽(yáng)等地發(fā)光）是由于物質(zhì)在受到外來(lái)能量（如光能、電能、熱能等）作用時(shí)，原子中的電子就會(huì)吸收外來(lái)能量而從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，即原子被激發(fā)。激發(fā)的過(guò)程是一個(gè)“受激吸收”過(guò)程。處在高能級(jí)（E2）的電子壽命很短（一般為 10－8 ～10 －9 秒） ，在沒(méi)有外界作用下會(huì)自發(fā)地向低能級(jí)（E1）躍遷，躍遷時(shí)將產(chǎn)生光（電磁波）輻射。輻射光子能量為 12Eh???這種輻射稱為自發(fā)輻射。原子的自發(fā)輻射過(guò)程完全是一種隨機(jī)過(guò)程，各發(fā)光原子的發(fā)光過(guò)程各自獨(dú)立，互不關(guān)聯(lián)，即所輻射的光在發(fā)射方向上是無(wú)規(guī)則的射向四面八方，另外未位相、偏振狀態(tài)也各不相同。由于激發(fā)能級(jí)有一個(gè)寬度，所以發(fā)射光的頻率也不是單一的，而有一個(gè)范圍。在通常熱平衡條件下，處于高能級(jí) E2 上的原子數(shù)密度 N2，遠(yuǎn)比處于低能級(jí)的原子數(shù)密度低，這是因?yàn)樘幱谀芗?jí) E 的原子數(shù)密度 N 的大小時(shí)隨能級(jí) E 的增加而指數(shù)減小，即 N∝exp(E/kT)，這是著名的波耳茲曼分布規(guī)律。于是在上、下兩個(gè)能級(jí)上的原子數(shù)密度比為 ]/)(exp[/1212 kTN??式中 k 為波耳茲曼常量，T 為絕對(duì)溫度。因?yàn)?E2E1，所以 N2《N1。例如，已知?dú)湓踊鶓B(tài)能量為 E1＝－，第一激發(fā)態(tài)能量為 E2=，在 20℃時(shí)，kT≈，則 0)4exp(/12???N4可見(jiàn)，在 20℃時(shí)，全部氫原子幾乎都處于基態(tài)，要使原子發(fā)光，必須外界提供能量使原子到達(dá)激發(fā)態(tài)，所以普通廣義的發(fā)光是包含了受激吸收和自發(fā)輻射兩個(gè)過(guò)程。一般說(shuō)來(lái)，這種光源所輻射光的能量是不強(qiáng)的，加上向四面八方發(fā)射，更使能量分散了。由量子理論知識(shí)知道，一個(gè)能級(jí)對(duì)應(yīng)電子的一個(gè)能量狀態(tài)。電子能量由主量子數(shù)n(n=1,2,…)決定。但是實(shí)際描寫原子中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，除能量外，還有軌道角動(dòng)量 L 和自旋角動(dòng)量 s，它們都是量子化的，由相應(yīng)的量子數(shù)來(lái)描述。對(duì)軌道角動(dòng)量，波爾曾給出了量子化公式 Ln＝nh，但這不嚴(yán)格，因這個(gè)式子還是在把電子運(yùn)動(dòng)看作軌道運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上得到的。嚴(yán)格的能量量子化以及角動(dòng)量量子化都應(yīng)該有量子力學(xué)理論來(lái)推導(dǎo)。量子理論告訴我們，電子。如果選擇規(guī)則不滿足，則躍遷的幾率很小，甚至接近零。在原子中可能存在這樣一些能級(jí)，一旦電子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)只能發(fā)生在 l（角動(dòng)量量子數(shù)）量子數(shù)相差177。1 的兩個(gè)狀態(tài)之間，這就是一種選擇規(guī)則被激發(fā)到這種能級(jí)上時(shí)，由于不滿足躍遷的選擇規(guī)則，可使它在這種能級(jí)上的壽命很長(zhǎng)，不易發(fā)生自發(fā)躍遷到低能級(jí)上。這種能級(jí)稱為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。但是，在外加光的誘發(fā)和刺激下可以使其迅速躍遷到低能級(jí)，并放出光子。這種過(guò)程是被“激”出來(lái)的，故稱受激輻射。受激輻射的概念是愛(ài)因斯坦于 1917 年在推導(dǎo)普朗克的黑體輻射公式時(shí)，第一個(gè)提出來(lái)的。他從理論上預(yù)言了原子發(fā)生受激輻射的可能性，這是激光的基礎(chǔ)。受激輻射的過(guò)程大致如下：原子開始處于高能級(jí) E2，當(dāng)一個(gè)外來(lái)光子所帶的能量 hυ正好為某一對(duì)能級(jí)之差 E2E1,則這原子可以在此外來(lái)光子的誘發(fā)下從高能級(jí) E2 向低能級(jí)E1 躍遷。這種受激輻射的光子有顯著的特點(diǎn)，就是原子可發(fā)出與誘發(fā)光子全同的光子，不僅頻率（能量）相同，而且發(fā)射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一樣。于是，入射一個(gè)光子，就會(huì)出射兩個(gè)完全相同的光子。這意味著原來(lái)光信號(hào)被放大，這種在受激過(guò)程中產(chǎn)生并被放大的光，就是激光。5一個(gè)誘發(fā)光子不僅能引起受激輻射，而且它也能引起受激吸收，所以只有當(dāng)處在高能級(jí)地原子數(shù)目比處在低能級(jí)的還多時(shí)，受激輻射躍遷才能超過(guò)受激吸收，而占優(yōu)勢(shì)。由此可見(jiàn)，為使光源發(fā)射激光，而不是發(fā)出普通光的關(guān)鍵是發(fā)光原子處在高能級(jí)的數(shù)目比低能級(jí)上的多，這種情況，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。但在熱平衡條件下，原子幾乎都處于最低能級(jí)（基態(tài)） 。因此，如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)則是產(chǎn)生激光的必要條件。 泵浦 Nd:YVO4 固體激光器半導(dǎo)體激光器（LD）是以半導(dǎo)體材料作為工作介質(zhì)的。這種激光器體積小、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而堅(jiān)固，特別適于在飛機(jī)、車輛、宇宙飛船上用。在 70 年代末期，由于光纖通訊和光盤技術(shù)的發(fā)展大大推動(dòng)了半導(dǎo)體激光器的發(fā)展。但是這種激光器的光束質(zhì)量相對(duì)較差。LD 泵浦的固體激光器，其泵浦源為半導(dǎo)體激光二極管，用它給激光增益介質(zhì)提供能源，可以得到光束質(zhì)量更好的激光。這類的激光器具有以下特點(diǎn). 光譜匹配性好如果采用閃光燈泵浦固體激光器，由于閃光燈的發(fā)射光譜和工作物質(zhì)吸收光譜之匹配不好，將導(dǎo)致器件的泵浦效率很低，比如，氪燈或氙燈的發(fā)射光譜都是范圍很寬的連續(xù)譜，而 Nd3+的吸收光譜是一些有著很強(qiáng)峰值的分立光譜，這將使其發(fā)射光譜的很小一部分光能E2E2E1?h(a) 自發(fā)輻射E2E2E1?h(b) 受激吸收?hE2E2E1?h(c) 受激發(fā)射 高能態(tài)原子 低能態(tài)原子圖 1 雙能級(jí)原子中的三種躍遷6能夠被工作物質(zhì)吸收，其余部分將轉(zhuǎn)變?yōu)槠骷臒崮?。而采用激光二極管作為泵浦源可以較好的解決上述問(wèn)題，因?yàn)樗妮敵鲎V線很窄，通常為幾個(gè)納米。. 體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝調(diào)方便，使用壽命長(zhǎng)激光二極管體積小，其供電電源也很小，只有閃光燈電影體積的十分之一，采用激光二極管泵浦，由于熱效應(yīng)與閃光燈泵浦的器件相比很小，因此，可以減小冷卻系統(tǒng)，使器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝調(diào)維修方便，為固體器件的小型化創(chuàng)造了有利的條件；同時(shí)，激光二激光二極管的使用壽命長(zhǎng)，其典型壽命為 105小時(shí)，這使得固體激光器系統(tǒng)的壽命和可靠性大大提高了。LD 泵浦 Nd:YVO4固體激光器中的 LD 的波長(zhǎng)為 808nm，它泵浦 Nd:YVO4激光晶體，得到1064nm 的激光輸出。利用一些非線性材料，可以將某個(gè)頻率的激光改變成另一種頻率。比如，我們實(shí)驗(yàn)中用 KTP 晶體將 1064nm 激光變換成 532nm 的激光，則稱為倍頻。我們的實(shí)驗(yàn)中，KTP 晶體被置于激光諧振腔內(nèi)，叫內(nèi)腔倍頻。 泵浦 Nd:YVO4 固體（倍頻）激光器主要參數(shù)及實(shí)驗(yàn). 泵浦功率(Pin)－輸出功率(Pout)特性曲線LD 作為固體激光器的泵浦光源，其輸出功率作為固體激光器的泵浦功率 Pin，而固體激光器的輸出功率為 Pout，其曲線為 Pin－ Pout曲線。圖 2 所示。隨泵浦功率增加，激光器首先是漸漸地增加自發(fā)輻射，直至超過(guò)閾值,發(fā)生受激輻射。最感興趣的參數(shù)是開始發(fā)生受激輻射時(shí)的泵浦功率值,通常把這個(gè)功 率值稱之為閾值功率，用 Pth表示。PoutPinPth圖 2 Pin－ Pout 曲線7. 閾值功率（Pth）閾值功率是 LD 泵浦 Nd:YVO4固體激光器開始受激輻射時(shí)的對(duì)應(yīng)的泵浦功率。測(cè)量閾值功率如下：利用激光器的 Pin－ Pout 曲線可以找到 Pth,其作法有三種：第一是雙斜法，它是將Pin－ Pout 曲線中兩條直線延長(zhǎng)線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的功率作為激光器的閾值功率 Pth（如圖 3a 所示）；第二種作法是，輸出光功率延長(zhǎng)線與功率軸的交點(diǎn)作為激光器的 Pth（如圖 3b 所示） ，這是一種比較常規(guī)的作法；第三種方法是在 Pin－ Pout曲線中，將輸出功率對(duì)泵浦功率求二階導(dǎo)數(shù)，求導(dǎo)數(shù)波峰所對(duì)應(yīng)的功率值為 Pth，這種作法的測(cè)量精度較高，如圖 3c 所示。. Pin－Pout 曲線的斜率（％）表示這種能力的直接量值是 Pth以上的 Pin－ Pout曲線的斜率用△P out/△P in。在 Pth以上的 Pin－ Pout曲線的斜率表示波長(zhǎng)為 808nm 的泵浦功率有多少轉(zhuǎn)換成 1064nm 固體激光器的輸出功率。這是一種光－光轉(zhuǎn)換效率。 3a 3b 3c 圖 3 Pin－ Pout 曲線法求 Pth四、實(shí)驗(yàn)主要儀器設(shè)備和材料本實(shí)驗(yàn)包含下列設(shè)備。圖 4 為實(shí)驗(yàn)光路示意圖, 圖 5 為實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖。序 號(hào) 名 稱 主要用途1 功率可調(diào) 808nm 激光二極管 泵浦源2 Nd:YVO4 固體激光器一套 激光器主體3 光功率指示儀（功率計(jì)） 測(cè)量光功率 1 2 3 4 5 6 7 8LD 耦合鏡 全反鏡 Nd:YVO4 晶體 KTP 輸出鏡 功率計(jì) 圖 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 圖 5 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟 半導(dǎo)體激光器實(shí)驗(yàn)裝置的調(diào)整:(1) 泵浦光源的調(diào)整首先將儀器中的其它調(diào)整架取下，只留下泵浦光源及調(diào)整架固定在儀器導(dǎo)軌上；采用外置 HeNe 激光器進(jìn)行自準(zhǔn)直調(diào)整。見(jiàn)下圖然后調(diào)節(jié)激光器使激光器光斑中心對(duì)準(zhǔn)泵浦光源中心；將泵浦光源調(diào)整架沿著導(dǎo)軌前后移動(dòng)，觀察激光器光斑是否始終在泵浦光源中心，如果不在中心則調(diào)節(jié)激光器或者調(diào)節(jié)激光器固定立板，直至激光器光斑始終在泵浦光源中心位置。泵浦光源 HeNe 激光器泵浦光源 匯聚物鏡 激光晶體 倍頻晶體輸出鏡準(zhǔn)直氦氖激光器9（2）匯聚物鏡的調(diào)整首先將泵浦光電源開關(guān)打開，旋轉(zhuǎn)泵浦光源調(diào)焦旋鈕進(jìn)行調(diào)焦，焦點(diǎn)距離泵浦光源約30～50mm；將匯聚物鏡調(diào)整架放到導(dǎo)軌上，距離泵浦光源約為焦點(diǎn)距離泵浦光源的兩倍，泵浦光源光斑不應(yīng)打到物鏡的外面。并 HeNe 激光器光點(diǎn)照到物鏡后返回的光點(diǎn)應(yīng)與發(fā)出的光點(diǎn)重合。見(jiàn)下圖（3）激光晶體的調(diào)節(jié)將激光晶體調(diào)整架放到導(dǎo)軌上，并調(diào)節(jié)其位置使泵浦光經(jīng)匯聚物鏡成像點(diǎn)的位置，仔細(xì)觀察泵浦光匯聚到激光晶體的現(xiàn)象，微調(diào)匯聚物鏡調(diào)節(jié)螺釘，直到觀察到激光晶體上有最亮的白光為止，此時(shí)泵浦光源成像在激光晶體的位置外最佳，固定激光晶體調(diào)整架。（4）倍頻晶體的調(diào)節(jié)將倍頻晶體調(diào)整架放到導(dǎo)軌上，并用 HeNe 激