【文章內(nèi)容簡介】 ? ? HLSSHLPsssS 2322 2121 ????? ???????? （ 16） 因此， 32 SS HLPS ??? （ 17） 于是 3333221221SSSS IPnHL PPnn ???? ????? （ 18） 式中， HLPI ss ? 稱為超聲強度。 將（ 18）式代入（ 14）式，便得到 衍射效率 ????????????????????????? ssSis IMLIPnLII 22326212s in2s in ??????? (19) 或者 ???????? ???????? sis PMHLII221 2s in ??? (20) 式中 ，是聲光介質的物理參數(shù)組合，是由介質本身性質決定的量，稱為 聲光材料的品質因數(shù)（或聲光優(yōu)質指標） ，它是選擇聲光 介質的主要指標之一 。從（ 20）式可見：（ a） 若在超聲功率 PS一 定的情況下， 欲使 衍射光強盡量大，則要求選擇 M2大的材料，并要把換能器做成長而窄（即 L 大 H ?。┑男问?； (b)當超聲功率 PS 足夠大，使???????? ?????? sPMHL 22??達到 2? 時， %1001 ?iII ；（ c） 當改變超聲功率 Ps 時， I1/Ii 也隨之改變，因而通過控制超聲功率 PS（即控制加在電聲換能器上的電功率）就可以達到控制衍射光強的目的，實現(xiàn)聲光調制。 三、實驗 儀器 光學導軌， HeNe 激光器及電源，駐波聲光調制器及其驅動源，可變光闌，聲光調制器，透鏡，觀察屏， 光強分布測量系統(tǒng)， 光電接收器，示波器， 支架若干 。 四、實驗 內(nèi)容與 步驟 （一）超聲駐波場中光衍射的實驗觀察 1．按照圖 7 塔好光路； 2．開啟激光電源，點亮激光器； 3．令激光束垂直于聲光介質的通光面入射，觀察屏上的光點，可觀察到三個光點，它們分別由透射光以及聲光介質兩個通光面反射并進一步經(jīng)激光器輸出鏡反射的光線形成，如圖 8 所示，當此三個光點在觀察屏上處于與聲傳播方向相同的一條直線上即可，這時可認為入射光已垂直于聲 傳播方向。 (但如果反射回來的光又進入激光器，會引起激光器工作不穩(wěn)定。 ) 3262 / svPnM ??11 4．開啟聲光調制器驅動源，觀察衍射光斑，同時調節(jié)阻抗匹配磁芯，令衍射最強，觀察衍射光斑形狀。 5．改變聲光調制器的方位角，觀察不同入射角情況下的衍射光斑。 【思考題】 為什么入射角增大衍射光斑數(shù)目減少 ? （二） 觀察超聲駐波場的像，測量聲波的傳播速度。 1． 在圖 9 中移開透鏡， 重復 實驗內(nèi)容 (一 )的步驟，令觀察屏上的衍射光點最多。 2． 如圖 9 安上透鏡 和光闌 ，改變透鏡與調制器之間的位置，用光闌限定聲光調制器前表面入射光斑的尺寸。 3． 當入射光 充滿通光面時，數(shù)出衍射條紋的數(shù)目 N，利用下式計算聲光介質中的聲速 Ⅴ 。 V=df/2N 式中 d= 是光斑直徑， f=10MHz 為超聲波的頻率。 【思考題】 推導聲速測量公式 。 （ 三 ） 超聲駐波衍射光強的測量 衍射效率 12 1． 如圖 10 搭好實驗儀器， 重復實驗 內(nèi)容 （ 一 ） 的步驟，令觀察屏上的衍射光點最多。 2． 移開觀察屏，用激光功率計測出入射光強 0I 3． 利用光闌分別讓 0， ? 1， ? 2， ? 3?級衍射光打到激光功率計的光敏面上，測出 各級衍射光的強度 mI ， 衍射效率為 0IImm?? 4． 改變驅動電壓，測出對應的衍射效率，作出 各級光的 衍射效率與驅動電壓的關系曲線。 （ 四 ） 衍射光強分布的測量 光柵常數(shù) 如圖 11 搭好實驗儀器， 重復實驗 內(nèi)容（ 一 ） 的步驟，令觀察屏上的衍射光點最多。 將光強分布測量系統(tǒng)置于導軌另一端。 用適當?shù)墓?闌 測量 各 點上的光強，繪出光強分布曲線。 讀出聲光調制器距光 闌 的距離。 利用光柵公式求出光柵常數(shù)。并與實驗 內(nèi)容（ 二 ） 進行比較，求出聲波傳播速度。 激光波長 635nm。 （ 五 ） 衍射光強波形的測量 13 1． 重復實驗 內(nèi)容（ 一 ） 的步驟，令觀察屏上的衍射光點最多。 2． 如圖 12，用 光電接收器分別接收不同級衍射光，改變驅動功率，用示波器觀察調制光強波形。 3． 分析驅動功率與衍射光強波形的關系。 【思考題】 試分析在什么條件下，衍射光強可獲得最好的 2 倍聲頻調制？ 14 實驗三 Nd： YAG 激光器調腔實驗 一、實 驗目的 掌握固體激光器的裝配和調試方法； 熟悉脈沖固體激光器的主要性能； 學會選取最佳輸出耦合條件。 二、實驗原理 1． Nd3+： YAG（摻釹釔鋁石榴石）晶體的光譜及物化特性： Nd3+： YAG 晶體是以釔鋁石榴石晶體（簡稱 YAG，分子式為 Y3 Al3O12）為基質，摻雜適量的三價稀土元素釹離子（ Nd3+）構成的，其中 Nd3+置換 YAG 中的部分釔離子（ Y3+），晶體呈淡紫色。 Nd3+是激活離子，從提高工作物質的增益來看，其濃度應越大越好，但由于Nd3+的半徑（ ?A ）大于 Y3+的半徑（ ?A ），將 Nd3+摻入 YAG 中有結構上的困難，其濃度過大會造成材料的缺陷，因此 Nd3+的摻雜濃度通常嚴格控制在 %~%。一般 Nd3+的含量為 1%左右（即 100 個 Y3+中約有一個被 Nd3+所取代），即 Nd3+的密度約為 1020cm3。 Nd3+： YAG 屬于立方晶體系，是各向同性晶體，在實際生產(chǎn)過程中是將 Al2OY2O3 和 Nd2O3 按一定比例放入單晶爐中溶化，沿著籽晶 [111]或 [001]方向拉制而成的。 Nd3+：YAG 的物理和化學性質主要取決于 YAG 的性質，具有良好的導熱性能和很大的硬度。 Nd3+： YAG 的激活離子 Nd3+的能級圖如圖 1 所示。在常態(tài)下 4I9/2 為基態(tài)， 4F7/2+4S3/2，4F5/2+2H9/2，4F3/2等為激發(fā)態(tài)， Nd3+處在 4I11/2 和4I13/2 的離子數(shù)近于零。 Nd3+： YAG 的吸收譜如圖 2 所示。它有五條主要吸收帶，這些吸收帶的中心波長分別是 m、 m、 m、 m 和 m，其中 m 的吸收帶較強。在各激發(fā)態(tài)中， Nd3+在 4F3/2能級上 的壽命較長（約 230μ s），稱之為亞穩(wěn)態(tài)，也是激光的上能級。Nd3+其余的激發(fā)態(tài)的壽命都很短，而不穩(wěn)定，迅速地無輻射躍遷到 4F3/2 上，故在亞穩(wěn)態(tài)上能夠積累更多的粒子。在實現(xiàn)激光躍遷時主要有三條譜線： 4F3/2→ 4I9/2 的中心波長為 μ m， 4F3/2→ 4I11/2為 m， 4F3/2→ 4I13/2 為 m 和 m。 4I11/2 和 4I13/2 能級上的粒子很不穩(wěn)定，很快馳豫到基態(tài) 4I9/2上，故在 4I11/2 和 4I13/2 上的粒子數(shù)基本上為零。因此在 4I3/2→ 4I11/2和 4F3/2→ 4I13/2 之間較容易實現(xiàn)粒子數(shù)的反轉分布。其中 m 的熒光譜線最強，在激光振蕩過程中由于粒子數(shù)競爭， 4F3/2→ 4I11/2 的躍遷幾率最大，可以抑制其它譜線的振蕩，這樣就構成了激發(fā)態(tài)→亞穩(wěn)態(tài)（激光上能級 4F3/2）→激光下能級 4I11/2 的四能級系統(tǒng)。由于四能級系統(tǒng)的激光下能級通常是空的，故上能級只要有少量的粒子就可達到粒子數(shù)的反轉分布狀態(tài)。因此，四能級系統(tǒng)的激光振蕩閾值較三能級系統(tǒng)低很多。 2．固體激光器基本結構 本實驗所用的實驗裝置如圖 3 所示，其中 Nd3+： YAG 激光器為長脈沖固體激光器 ，主要包括如下三個部分： （ 1） 工作物質 本實驗選用 Nd3+： YAG 激光晶體棒為工作物質。為了保證激光器的高效穩(wěn)定運轉，所用 Nd3+： YAG 激光棒應具有如下特性： 15 ? 光學均勻性好，無氣泡、條紋等； ? 兩端面的平行度誤差小于 10″，端面平面度小于 1/2 光圈； ? 棒的側面要打毛以利于均勻吸收泵浦光的能量和減少寄生振蕩； ? 兩端面鍍增透膜，以防自激振蕩的產(chǎn)生； ? 棒的長度與直徑之比在 10： 1~20： 1 之間選取 圖 1 Nd3+： YAG 晶體的能級結構 圖 2 Nd3+： YAG 晶體在 300K 時的吸收譜 16 全 反 膜Y A G 棒聚 光 腔部 分 反 射 膜儲 能 電 容 器充電電源觸發(fā)電源打火線圈T電 極氙 燈水 冷 系 統(tǒng) 圖 3 長脈沖 Nd3+： YAG 激光器裝置示意圖 （ 2） 激光諧振腔 通常選用平行平面腔，它是由兩個鍍有干涉介質膜層的光學玻璃片（也稱為膜片或腔鏡）組成的，其中一個腔鏡是全反射鏡，鍍 m 的全反射膜（反射率應大于 %），另一個膜片鍍對 m 的光有一定反射率的部分反射鏡。對鍍膜的玻璃基片的光學要求與對激光棒的精度要求相同，其形狀和大小可根據(jù)使用要求而定。平行平面腔可以看作是曲率半徑為無窮大的球面腔，滿足 g1g2=1，屬于介穩(wěn)腔。平行平面腔的特點是 調整精度高、模體積大，需要仔細調整激光諧振腔。 （ 3） 泵浦源系統(tǒng) 泵浦源系統(tǒng)的作用是為工作物質達到粒子數(shù)反轉分布提供必要的能量，并控制激光器按使用要求正常運轉。它主要由泵浦光源、聚光腔和電氣系統(tǒng)組成。 目前常用的泵浦光源有惰性氣體燈（氙燈、氪燈）、鹵化物燈、半導體激光器等。其中氙燈和氪燈不僅輻射強度和輻射效率高，而且具有較寬的發(fā)射譜帶，并與 Nd3+： YAG 等吸收譜有較好的匹配，通常脈沖激光器選用氙燈，連續(xù)激光器則選用氪燈。半導體激光泵浦固體激光器是近年來發(fā)展起來的一種新型激光器件，其利用輸出波長與激光晶體的某一 吸收峰對應的半導體激光作為泵浦源，具有體積小、效率高的優(yōu)點。對于 Nd3+： YAG 晶體，泵浦光波長一般選 808nm。本實驗中選用脈沖氙燈對激光棒進行泵浦，其一般由燈管、充入的氣體和電極所構成，結構如圖 3 所示。燈管是由耐高溫、機械性能和透光性能好石英玻璃制做的。如果在石英玻璃中摻入適量的鈰，還可吸收小于 m 的紫外光，并能產(chǎn)生 ~μ m 的熒光，可大大減小工作物質的熱效應，提高泵浦效率。燈的電極通常是用釷鎢、鋇鎢、鈰鎢等制成。燈管和電極之間用過渡玻璃直接封接或氣泡封接，管內(nèi)充入適量的氙氣。 泵浦 燈的工作過程是：先給貯能電容器充電至某一電壓、此電壓應大于燈的點火電壓，小于其自閃電壓。然后用一個萬伏以上的脈沖高壓觸發(fā)之，使其內(nèi)部氣體電離，在燈兩電極間的電場作用下，正負離子沿相反方向做加速運動，又激發(fā)和電離其它原子，進而形成雪崩式電離。燈內(nèi)的阻值瞬間由原來的無窮大突然變得很小，造成導電通道，貯能電容器通過燈管內(nèi)放電，使燈發(fā)出閃光。燈的觸發(fā)方式有兩種：外觸發(fā)式――脈沖高壓通過繞在燈管上的17 觸發(fā)絲來觸發(fā)泵浦燈；內(nèi)觸發(fā)式――脈沖高壓直接通過燈的電極來觸發(fā)泵浦燈。為了提高轉換效率和泵浦燈的使用壽命，常采用預燃或準 預燃方式。預燃式電源的結構如圖 4 所示。 V0V1V2L1L貯 能 電 容 CK預 燃 電 源觸 發(fā) 電 源C2 圖 4 預燃式電源原理示意圖 電氣系統(tǒng)的作用是為光泵提供能量，控制整機按設計要求正常運轉，其主要部分就是貯能電容器的充、放電回路和觸發(fā)電路，或再加上控制回路、乃至預燃和調制電路等。在圖 4所示的預燃式電源中包括了充放電電路、預燃電路和觸發(fā)電路，燈一經(jīng)觸發(fā)，它便可維持其小電流（約 100~200mA）輝光放電。然后控制開關元件（通常采用可控硅）按要求重復工作，而不需要再行觸發(fā)。此類裝置必須配備冷卻系統(tǒng)。 聚光腔 的作用是將脈沖氙燈發(fā)出的，對工作物質激光上能級實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布有貢獻的光波，有效地會聚到工作物質上，以提高泵浦效率。本實驗采用脈沖氙燈側面泵浦激光晶體，因此對側面泵浦所用的聚光腔作以簡介。這種聚光腔的種類較多，如單橢圓柱面腔、雙橢圓柱面腔、相交圓柱面腔和緊包腔等。為了提高聚光效率，在腔內(nèi)反射面拋光后需鍍上高反射膜層（如鍍金、銀、鋁等金屬膜），或采用具有高反射率的陶瓷或聚四氟乙烯。本實驗裝置采用聚四氟乙烯緊包腔。 3．激光器的運轉特性 在脈沖氙燈發(fā)出的泵浦光的作用下， Nd3+： YAG 晶體被激發(fā)，可實現(xiàn)粒子 數(shù)反轉分布，并產(chǎn)生受激輻射。腔內(nèi)產(chǎn)生的光子在激光器諧振腔的作用下往返得到放大，腔內(nèi)光子數(shù)急劇增加。當腔內(nèi)的增益能夠補償由于腔鏡的