【正文】 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。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(kāi)始受激輻射時(shí)的對(duì)應(yīng)的泵浦功率。這是一種光－光轉(zhuǎn)換效率。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。（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 激光器進(jìn)行自準(zhǔn)直調(diào)節(jié)（方法同上） ；調(diào)好后將倍頻晶體移動(dòng)到盡可能靠近激光晶體位置固定。（6）光強(qiáng)的調(diào)節(jié)儀器組裝完畢看到綠色激光發(fā)出后，仔細(xì)調(diào)節(jié)泵浦源的聚焦位置及其俯仰，以及微調(diào)輸出鏡的上下左右的位置，使綠色激光光強(qiáng)最大。 記錄不同電流下（LD 的電流正比于其功率）的功率。七、注意事項(xiàng) 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。1. 光強(qiáng)分布和光斑大?。? 激光在諧振腔內(nèi)振蕩的過(guò)程中．在光束橫截面上的光強(qiáng)形成各種不同形式的穩(wěn)定分．在光束橫截面上的這種穩(wěn)定分布，稱(chēng)為激光束的橫向模式．簡(jiǎn)稱(chēng)橫模?；鶛M模的光強(qiáng)分布不均勻性最小是顯而易見(jiàn)的．激光束基橫模的光強(qiáng)分布是高斯分布，在垂直于z軸的xy平面上的光強(qiáng)分布I(x,y)為 (1)])(2exp[),( 220WyPyxI????或者 （2）])(e[),(20yIyxI其中P 0為光束的總功率，I 0為光束截面上的中央最大光強(qiáng)，W稱(chēng)為光斑半徑，它定義為光強(qiáng)衰減到中央最大光強(qiáng)的l/e 2 的位置與z軸之間的距離，稱(chēng)為半寬度。算出σ值后就可計(jì)算P/P 0的理論值，進(jìn)行曲線擬臺(tái)．如果擬合得好，就證明基橫摸光強(qiáng)是高斯分布．用ep的值可計(jì)算光斑大?。篧 ＝ (2ep) (8)D1/2 = (2ep) (9)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。緩慢旋轉(zhuǎn)螺旋測(cè)微器，推進(jìn)刀口，每 （也可取最小精度 ）測(cè)一對(duì)應(yīng)的激光功率 P，記錄下來(lái)，重復(fù) 4，直到光斑全部被刀片擋住，即功率計(jì)顯示為零，由此建立 P－x 曲線。 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。掌握激光遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的測(cè)量方法。 (2)z＝z 00 處 波陣面：從(1)式相位部分看出，它雖比均勻球面波多了一個(gè)相位因子 ψ(z 0)，但 ψ(z 0)是個(gè)常數(shù)，不影響波陣面的形狀，所以它的波陣面仍是一個(gè)球面．曲率半徑為 R(z)．從(4)式中還可看到，波陣面的曲率半徑 R(z)是隨 z 而變化的，R(z)總大于 z0,即不同 z 處的球面波的中心都不在原點(diǎn)，但隨 z 的增加逐漸趨于原點(diǎn)． 振幅：與 z=0 處具有相同的變化規(guī)律．仍是中心最大．由中心向外以高斯函數(shù)形式逐漸減小．所以它不同于點(diǎn)光源發(fā)射的球面波． (3)z= z00 處 與 z＝z 00 處一樣，都是高斯球面波．不同的是．R(z 0)是沿 z 傳播的會(huì)聚球面波，R(z0)0 是沿 z 傳播的發(fā)散球面波．它們以 z＝0 平面為對(duì)稱(chēng)分布． 總的說(shuō)來(lái)．光斑尺寸 w(z)是隨 z 的增加而增加的，成為兩條對(duì)稱(chēng)曲線．在 z＝0 處最細(xì)．故形象地稱(chēng)作光束的“腰” ，它位于雙凹腔的中心．對(duì)于平凹腔激光器．它相當(dāng)于雙凹18腔的一半、不難看出腰應(yīng)位于平面鏡的中心．平凹腔情況見(jiàn)圖 2．1. 激光光斑尺寸測(cè)量原理：本實(shí)驗(yàn)采用刀口法來(lái)測(cè)量激光光斑尺寸，當(dāng)利用一刀口垂直于光束傳播方向，比如x 方向移動(dòng),將遮蓋部分光束,這將導(dǎo)致通過(guò)的激光功率下降，則圖2 所示。四、實(shí)驗(yàn)主要儀器設(shè)備和材料序 號(hào) 名 稱(chēng) 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)量光功率五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟調(diào)好光路，使得 532nm 的激光穩(wěn)定輸出。 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。21說(shuō)明：光功率計(jì)在測(cè)量過(guò)程中是全頻率接收，所以功率計(jì)只能測(cè)量單一波長(zhǎng)的光的功率（具體內(nèi)容請(qǐng)查閱功率計(jì)原理的相關(guān)資料） 。22實(shí)驗(yàn)四、聲光調(diào) Q 技術(shù)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求掌握調(diào) Q 技術(shù)的基本原理。也就是說(shuō)，在初始時(shí)使諧振腔的 Q 值很低，在持續(xù)激勵(lì)的作用下，高能態(tài)的粒子得以不斷的積累，并達(dá)到最大值，此時(shí)激光工作物質(zhì)具有最大的增益，但由于諧振腔處于低 Q 值高損耗的狀態(tài)，并不形成激光振蕩。1. 調(diào) Q 脈沖主要特性的一些表達(dá)式：我們從激光速率方程出發(fā)，可以得到表示調(diào) Q 脈沖主要特性的一些表達(dá)式。2. 聲光調(diào) Q 器件（聲光 Q 開(kāi)關(guān)）的工作原理：聲光調(diào) Q 技術(shù)是以聲光相互作用所形成的衍射損耗的突變得以實(shí)現(xiàn)的。若損耗大于激光工作物質(zhì)的增益，就不能產(chǎn)生振蕩，或者說(shuō)聲光調(diào) Q 器件將激光關(guān)斷。圖 2 表示連續(xù)泵浦的聲光調(diào) Q 激光器光脈沖的形成與諧振腔 Q 值、反轉(zhuǎn)粒子數(shù)之間的關(guān)系。若超聲波頻率提高，聲光相互作用距離增加，即 》 ,且光束以偏離正入射一小角度 （即入射光的方向與?L2s ?24超聲波波面的夾角為 ）入射時(shí)，為布拉格衍射。2MsP圖 2 在連續(xù)泵浦的固體激光器中光脈沖的形成聲光調(diào) Q 器件中的超聲換能器一般為 ，聲光介質(zhì)為熔石英或重火石玻璃等。在實(shí)際的聲光調(diào) Q 激光器中，情況遠(yuǎn)為復(fù)雜，在重復(fù)率提高的情況下，脈沖之間沒(méi)有足夠的時(shí)間使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到最大值，導(dǎo)致峰值功率下降，且由于增益減小，使脈寬與脈沖形成時(shí)間都會(huì)增加。此平凹反射鏡有一大一小兩個(gè)反射光斑；使大光斑和入射光束同心，并使小光斑盡量和入射光束接近（同心最好） ；● 按激光器驅(qū)動(dòng)器使用要求，接通激光器驅(qū)動(dòng)器，并使 LD 在適當(dāng)?shù)碾娏飨鹿ぷ?；此時(shí)應(yīng)當(dāng)看到有綠激光輸出；如果沒(méi)有激光輸出，可以微調(diào)反射鏡的角度（在小范圍內(nèi)掃描） ，直到有綠激光輸出；● 微調(diào)反射鏡角度，使輸出綠激光最強(qiáng)。在調(diào) Q 狀態(tài)下電流不宜超過(guò) 安培。要形成激光，第一，首先要有激勵(lì)能源（以 HeNe 氣體激光器為例）激勵(lì)能源為直流高壓，當(dāng)玻璃管里充上不同比例的氦氣和氖（激活物質(zhì)）在激活物質(zhì)內(nèi)部通過(guò)氣體放電，在某些能級(jí)之間，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。e2GL≥I (式中 r1，r 2為兩諧振腔的反射率，L 為激活物質(zhì)的長(zhǎng)度) dIγ (Z) G 為激活物質(zhì)的增益系數(shù)，定義為：G(γ)= Iγ 當(dāng)在激光器正、負(fù)極加直流高壓時(shí)（一般 3KV 以上） ，氖離子發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。諧振腔 B 也要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格檢測(cè)，當(dāng)與光軸垂直時(shí)才能出光。在十字叉絲中間有一小孔，眼睛通過(guò)小孔，看到激光管的毛細(xì)管另一端，被諧振腔 A 反射到眼睛中的一個(gè)“小白點(diǎn)” （即眼睛、小孔、毛細(xì)管在一條直線上） 。若諧振腔與毛30細(xì)管光軸調(diào)節(jié)的范圍大于 λ/4 就不出激光，還需繼續(xù)調(diào)節(jié)諧振腔的兩個(gè)螺絲，直到諧振腔與毛細(xì)管光軸調(diào)節(jié)范圍小于 λ/4，激光才能出來(lái)，否則不出光。原因可能是由于不同軸，光點(diǎn)打在氦氖激光器的激光管管壁上（歪了） 。若沒(méi)有氦氖激光器的光，說(shuō)明光軸與諧振腔的角度大于 λ/4，還需繼續(xù)調(diào)節(jié)諧振腔 B 的兩個(gè)螺絲，直到出光為止。31實(shí)驗(yàn)六、HeNe 激光器的模式分析相對(duì)一般光源，激光具有單色性好的特點(diǎn)，也就是說(shuō)，它具有非常窄的譜線寬度。相鄰兩個(gè)模的光頻率相差很小，我們用分辨率比較高的分光儀器可以觀測(cè)到每個(gè)模。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求1．了解激光器的模式結(jié)構(gòu)，加深對(duì)模式概念的理解。如果用某種激勵(lì)方式，在介質(zhì)的某一對(duì)能級(jí)間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，由于自發(fā)輻射和受激輻射的作用，將有一定頻率的光波產(chǎn)生，在腔內(nèi)傳播，并被增益介質(zhì)逐漸增強(qiáng)、放大，如圖 1 所示。形成持續(xù)振蕩的條件是，光在諧振腔內(nèi)往返一周的光程差應(yīng)是波長(zhǎng)的整數(shù)倍，即 （1）qL???232式中， 為折射率，對(duì)氣體 ≈1； 為腔??L長(zhǎng)； 為正整數(shù)。從（1）式中，我們還看出，這也是駐波形成的條件，腔內(nèi)的縱模是以駐波形式存在的， 值反映的恰是駐波波腹的q圖 22 光的增益曲線 數(shù)目，縱模的頻率為 （2）Lcq??2?同樣，一般我們不去求它，而關(guān)心的是相鄰兩個(gè)縱模的頻率間隔 （3）cq1???從（3）式中看出，相鄰縱模頻率間隔和激光器的腔長(zhǎng)成反比，即腔越長(zhǎng)，相鄰縱模頻率間隔越小，滿足振蕩條件的縱模個(gè)數(shù)越多；相反，腔越短，相鄰縱模頻率間隔越大，在同樣的增益曲線范圍內(nèi)，縱模個(gè)數(shù)就越少。如圖 3 所示，有五個(gè)縱模滿足諧振條件，其中有兩個(gè)縱模的增益小于損耗，所以，有三個(gè)縱模形成持續(xù)振蕩。圖 4 中，給出了幾種常見(jiàn)的基本橫模光斑圖樣。圖 4 常見(jiàn)的橫模光斑圖前面已知，不同的縱模對(duì)應(yīng)不同的頻率，那么同一個(gè)縱模序數(shù)內(nèi)的不同橫模又如何呢？同樣，不同的橫模也對(duì)應(yīng)不同的頻率。分?jǐn)?shù)的大小由激光器的腔長(zhǎng)和曲率半徑?jīng)Q定，腔長(zhǎng)與曲率半徑的比值越大，分?jǐn)?shù)值越大。序數(shù)越高的橫模，其衍射損耗越大，形成穩(wěn)定的振蕩就越困難，但激光器輸出光中橫模的強(qiáng)弱絕不能僅從衍射損耗一個(gè)因素考慮，而是由多種因素共同決定的。但階數(shù) 和 無(wú)法僅從頻譜圖上確定，因?yàn)轭l譜圖上只能看到有幾個(gè)不同的 ，可以測(cè)mn nm?出 的差值，然而不同的 或 可對(duì)應(yīng)相同的 ，在頻譜圖上則是相同的，因此?mnnm?要確定 和 各是多少，還需結(jié)合激光器輸出的光斑圖形進(jìn)行判斷。但由于我們有頻譜圖，知道了橫模的個(gè)數(shù)及彼此強(qiáng)度上的大致關(guān)系，就可縮小考慮的范圍，從而能準(zhǔn)確地確定出每個(gè)橫橫的 和 值。共焦球面掃描干涉儀是一個(gè)無(wú)源諧振腔，它由兩塊球形凹面反射鏡構(gòu)成共焦腔，即兩塊反射鏡的曲率半徑和腔長(zhǎng) 相等（ ） 。②為壓電陶瓷環(huán)，其特性是若在環(huán)的內(nèi)外壁上加一定數(shù)值的電壓，環(huán)的長(zhǎng)度35將隨之發(fā)生變化，而且長(zhǎng)度的變化量與外加電壓的幅度成線性關(guān)系，這是掃描干涉儀被用來(lái)掃描的基本條件。光在腔內(nèi)每走一個(gè)周期都會(huì)有一部分光從鏡面透射出去。值得注意的是，若入射光的波長(zhǎng)范圍超過(guò)某一限度，外加電壓雖可使腔長(zhǎng)線性變化，但一個(gè)確定的腔長(zhǎng)有可能使幾個(gè)不同波長(zhǎng)的模同時(shí)產(chǎn)生相干極大，造成重序。經(jīng)推導(dǎo)，可dl d?a得 (8)dadl4??由于 與 之間相差很小，腔長(zhǎng)的變化僅為波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)，上式可近似表示為d?a （9）lRS42.???式中 為平均波長(zhǎng)。?因?yàn)?，光在共焦腔?nèi)呈 X 型路徑行進(jìn)，四倍路程的光程差正好等于 ，干涉序數(shù)改變?yōu)?。即在自由光譜范圍內(nèi)能分辨的最多的譜線數(shù)目。（3） 小孔光欄：調(diào)光的輔助工具，起正負(fù)兩方向光束準(zhǔn)直作用。δλ38（7） 鋸齒波發(fā)生器：為掃描干涉儀上的壓電陶瓷提供電壓，同時(shí)輸入到示波器 X 軸上作同步掃描。2．點(diǎn)燃激光管：注意電源輸出的正負(fù)極與激光管的正負(fù)極一一對(duì)應(yīng)，正負(fù)極不要接錯(cuò)（一般黑顏色為負(fù)極，紅顏色為正極） 。調(diào)節(jié)掃描干涉儀的上下、左右位置，使激光束正入射到掃描干涉儀中，再細(xì)調(diào)干涉儀上的四個(gè)鼓輪，使干涉儀腔鏡反射回來(lái)的光點(diǎn)回到光闌的小孔附近（注意：不要使光點(diǎn)回到光闌的小孔中） ，且使反射光斑的中心與光闌的小孔大致重合，這時(shí)入射光束與掃描干涉儀的光軸基本平行。6．降低驅(qū)動(dòng)器的頻率，觀察光屏上的干涉條紋,調(diào)節(jié)干涉儀上的四個(gè)鼓輪，使干涉條紋最寬。將峰值調(diào)到 150V 時(shí)，觀察示波器上干涉序的個(gè)數(shù)。10．根據(jù)自由光譜范圍的定義，確定哪兩條譜線之間對(duì)應(yīng)著自由光譜范圍 (??驗(yàn)使用的掃描干涉儀的自由光譜范圍 = )。L提示：本實(shí)驗(yàn)使用的 HeNe 激光器發(fā)出的激光的偏振態(tài)有兩個(gè)，它們互相垂直，相互獨(dú)立。提示：激光器剛開(kāi)啟時(shí)，放電管溫度逐漸升高，腔長(zhǎng) 逐漸增大，根據(jù)（2）式，L39逐漸變小。nm?? 1R214．觀察激光束在遠(yuǎn)處光屏上的光斑形狀。計(jì)算干涉儀的光譜