【正文】 此時(shí)在示波器上可以看到脈沖綠激光的波形、頻率/周期、脈沖寬度及激光脈沖的穩(wěn)定性等；平均功率、峰值功率、脈沖能量及其穩(wěn)定性測(cè)量●用功率計(jì)測(cè)量輸出綠激光的平均功率，用示波器測(cè)量脈沖綠激光的重復(fù)頻率和脈沖寬度，從而得到綠激光器的平均功率、峰值功率、單脈沖能量；●測(cè)量平均功率的穩(wěn)定性，可以計(jì)算得到綠激光器的平均峰值功率穩(wěn)定性、平均單脈沖能量穩(wěn)定性；●從示波器的波形上可以得到激光脈沖峰值功率的不穩(wěn)定性；衍射實(shí)驗(yàn)●按前法調(diào)出綠激光；●使此激光束垂直通過聲光 Q 開關(guān)工作介質(zhì)的中部，然后使聲光 Q 開關(guān)驅(qū)動(dòng)器工作，在聲光 Q 開關(guān)后的屏上可以看到透射光斑和衍射光斑；仔細(xì)調(diào)整聲光 Q 開關(guān)的位置和角度，可以觀察到相對(duì)于透射光斑對(duì)稱和不對(duì)稱的、或強(qiáng)或弱的各級(jí)衍射光斑，也可以得到最大的衍射效率及相應(yīng)的位置；●通過簡(jiǎn)單的幾何測(cè)量，可以得到衍射角等有關(guān)衍射的參量；●通過功率測(cè)量，可以得到衍射效率等參量；調(diào)制信號(hào)、超聲載波和已調(diào)制超聲載波測(cè)量（波形、頻率和幅度）●此項(xiàng)測(cè)量需要高頻示波器●具體作法： Q 開關(guān)驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)輸入端的 Q9 插座和示波器，可以在示波器上觀察和測(cè)量控制信號(hào)的波形、重復(fù)頻率、脈沖寬度、幅度和占空比等； Q 開關(guān)驅(qū)動(dòng)器的輸出端的 Q9 插座（和輸出到聲光 Q 開關(guān)并聯(lián)）和示波器，可以在示波器上觀察和測(cè)量聲光 Q 開關(guān)輸出波形（ 70MHz 超聲波正弦信號(hào)和調(diào)制后的波形） 。此外，開關(guān)速度變慢、高 Q 狀態(tài)持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)，還會(huì)產(chǎn)生多脈沖的不利影響。3LiNbO重火石玻璃器件的衍射效率高，但它的光學(xué)質(zhì)量差些，在激光平均功率高的情況下，吸收與散射比較大。這時(shí)只產(chǎn)生位于零級(jí)光一側(cè)的一級(jí)衍射，?一級(jí)衍射光與超聲波波面的夾角也為 ，如圖 31 所示。聲光相互作用產(chǎn)生的衍射可分為喇曼—奈斯衍射與布拉格衍射兩種。當(dāng)高頻等幅振蕩在方波調(diào)制的作用下，突然有短暫的停歇時(shí)，聲光調(diào) Q 器件內(nèi)部的衍射也突然消失，使諧 振腔 Q 值產(chǎn)生突變，從而產(chǎn)生 圖 1 產(chǎn)生布拉格衍射的聲光器件調(diào) Q 巨脈沖。它是一項(xiàng)重要的激光技術(shù)，可以大大壓縮激光的脈沖寬度，從而使輸出的激光峰值功率大為提高。由調(diào) Q 激光器產(chǎn)生的巨脈沖峰值功率為 (41)???????????????????????thithicp nnVPl1???式中 為工作物質(zhì)的體積， ， 、 為能級(jí)的簡(jiǎn)并度， 、 分別是初始V12g2ithn和閾值粒子反轉(zhuǎn)數(shù)密度， 為腔內(nèi)的輻射衰耗時(shí)間常數(shù)，其表達(dá)式為c???1)ln(?????Rt式中 是光子在諧振腔內(nèi)往返一周的時(shí)間， 是輸出鏡的反射率， 為諧振腔的往返損耗Rt ?（不包括輸出損耗） 。此后，若突然將激光諧振腔的 Q 值提高，在高增益的作用下，激光振蕩的建立非常迅速，因此在極短的時(shí)間內(nèi)輸出一個(gè)很強(qiáng)的巨脈沖。觀察聲光調(diào) Q 激光器的調(diào) Q 現(xiàn)象。半導(dǎo)體泵浦所發(fā)出的光是由 532nm、808nm和 1064nm 等波長(zhǎng)的混合光，所以光功率計(jì)所接收的功率實(shí)際上是這三種光所疊加的功率。 切勿讓激光直接射入眼睛中，會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞眼睛。 以輸出鏡為原點(diǎn)，在光路方向上利用刀口法分別測(cè)量距離原點(diǎn)為 , 處的光斑尺寸。 圖 2：刀片與光斑相對(duì)位置當(dāng)?shù)犊谔幱?x = ω 位置時(shí),透過的激光功率與總功率(P 0) 之比為： （7）?????wdxp/2exp(1)/()(0?同理，當(dāng)?shù)犊谔幱?x =ω 時(shí)，透過的激光功率與總功率(P 0) 之比為： （8）)(0由 P(ω)/ P0=，P(ω)/ P0= 可知,刀口沿 x 方向移動(dòng)分別測(cè)出激光透過功率為 94 %和 6 %二值所對(duì)應(yīng)的刀口相對(duì)位置,即可測(cè)得光束腰斑直徑 2ω 值。二、實(shí)驗(yàn)類型 驗(yàn)證型三、實(shí)驗(yàn)原理及說明相對(duì)一般光源，激光束具有方向性好的特點(diǎn)．也就是說，光能量在空間的分布高度集中在光的傳播方向上．但是它仍有一定的發(fā)散度，同時(shí)光強(qiáng)分布有著特殊結(jié)構(gòu)．如由球面鏡構(gòu)成諧振腔產(chǎn)生的激光束，既不是均勻的平面波．也不是均勻的球面波．在它的橫截面上，光強(qiáng)是以高斯函數(shù)型分布的、故稱作高斯光束．此種激光束有廣泛的實(shí)際應(yīng)用．同時(shí)它也是研究其他分布類型激光束的基礎(chǔ)．本實(shí)驗(yàn)是以 LD 泵浦 KTP 倍頻 Nd:YVO4固體激光器基橫模輸出的高斯光束為例，分析和研究其光強(qiáng)在空間的分布情況——傳播特性．光波是光振動(dòng)在空間的傳播．根據(jù)波動(dòng)方程．一束沿某一方向(設(shè)為 z)傳播的高斯光束，其電矢量 E 的空間變化表示為： )]}()([exp{])(exp[)(,( 220 zzRykizwyzAyx ??????（1）其中等式右邊，乘點(diǎn)前的那部分表示 E 的振幅，乘點(diǎn)后的部分為 E 的相位．A 0/w(z)為 z 軸上(x ＝y(tǒng) ＝0)各點(diǎn)的電矢量振幅 A(0,0,z)。 切勿讓激光直接射入眼睛中，會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞眼睛。再將刀口拉回，重新測(cè)量一組 P－x 數(shù)據(jù)。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)量光功率實(shí)驗(yàn)裝置如圖 2 所示．激光器是工作波長(zhǎng)為 532nm 的基橫模固體激光器，刀口裝在移動(dòng)精度可達(dá) 0．02mm 的螺旋測(cè)微器上．如果要求精度更高，可裝在邁克耳孫干涉儀可動(dòng)臂上．光電探測(cè)器是與光功率計(jì)主機(jī)配套的硅光電探測(cè)器．功率計(jì)有較大的量程，保證激光最大功率在其測(cè)量范圍內(nèi)。衡量光斑大小也常用半極大全寬度（FWHM)，它定義為光強(qiáng)衰減到中央最大光強(qiáng)的一半的位置與z軸之間距離的2倍，稱為半功率直徑，記為D 1/2，它與W的關(guān)系由式(1)或式(2)可得： （3）?2. 刀口法測(cè)量原理用刀口法可以測(cè)定光斑的大小和驗(yàn)證光斑的光強(qiáng)分布是高斯分布．實(shí)驗(yàn)中使刀口平行于 y軸，沿垂直于x軸方向移動(dòng)當(dāng)?shù)犊诰徛迫斯馐鴷r(shí)，設(shè)刀口擋住了x≤a的所有點(diǎn)。取激光器的軸向?yàn)橹苯亲鴺?biāo)系的z軸，以諧振腔的中心為原點(diǎn)，并在與主軸z垂直的平面上取x軸和y軸，用符號(hào)TEM nm。 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。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析 記錄不同電流下的功率,表格如下：Iin（A）Pout(mv)Iin（A）Pout(mv)Iin（A）Pout(mv11)Iin（A）Pout(mv) 繪制激光器的 Iin－ Pout特性曲線。 連上電線，保證旋紐位置對(duì)應(yīng)的電流為最小。并觀察晶體后面的光斑是否完整，不要存在擋光的現(xiàn)象。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。 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。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。圖 2 所示。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。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?。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。由此可見，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)。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。這種過程是被“激”出來的，故稱受激輻射。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。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。一般說來，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。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。處在高能級(jí)（E2）的電子壽命很短（一般為 10－8 ～10 －9 秒） ，在沒有外界作用下會(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。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。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。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)的過高，否則容易擊穿，燒毀管子。工作溫度： 10～15 oC相對(duì)濕度： ＜70%工作電源： 220V177。調(diào)節(jié)螺釘不要擰的太緊。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。激發(fā)的過程是一個(gè)“受激吸收”過程。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。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，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)過程。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)來描述。如果選擇規(guī)則不滿足，則躍遷的幾率很小，甚至接近零。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。受激輻射的過程大致如下：原子開始處于高能級(jí) E2，當(dāng)一個(gè)外來光子所帶的能量 hυ正好為某一對(duì)能級(jí)之差 E2E1,則這原子可以在此外來光子的誘發(fā)下從高能級(jí) E2 向低能級(jí)E1 躍遷。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受激吸收，而占優(yōu)勢(shì)。 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。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。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。 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