【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 總的說來．光斑尺寸 w(z)是隨 z 的增加而增加的，成為兩條對(duì)稱曲線．在 z＝0 處最細(xì)．故形象地稱作光束的“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)致通過的激光功率下降，則圖2 所示。 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。2. 激光光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角測(cè)量原理：我們將（2）式變換一下形式，得： （9）1)/()2200????wz正是雙曲線方程．它表明光斑尺寸的軌跡是一組以 z＝0 為原點(diǎn)的雙曲線，見圖 3． 我們用全發(fā)散角 2θ 表征它的發(fā)散程度，定義： （10）2/1402)()(2??????zd 現(xiàn)在分析 2θ 在整個(gè)傳播光路中的變化情況．顯然．在 2＝0 處，2θ＝0．當(dāng) z 增大，2θ 增加．在 z＝0z＝z r這段范圍內(nèi)．全發(fā)散角變化較慢．我們稱 zr為準(zhǔn)直距離： （11)?20w?在 zzr，全發(fā)散角變化加快．當(dāng) z∞，2θ 變?yōu)槌?shù)．我們將此處的全發(fā)散角稱為遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，有：19 （12）02w????不難看出，遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角實(shí)際就是以光斑尺寸為軌跡的兩條雙曲線的漸近線間的夾角，見圖 4。 圖 3 平凹腔中基模 TEM00的剖面圖 圖 4 高斯光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角 實(shí)驗(yàn)中，我們?nèi)绾螠y(cè)量遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角呢?由于不可能在無窮遠(yuǎn)處測(cè)量，故(9)式只是理論上的計(jì)算式，不能作為測(cè)量公式，而需用近似測(cè)量來代替．可以證明，當(dāng) z7zr時(shí)．2θ(z)/ 2θ(∞)99％，即當(dāng) z 值大于 7 倍 zr 時(shí)所測(cè)得的全發(fā)散角．可和理論上的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角相比，誤差僅在 1％以內(nèi)．那么 z 值帶來的實(shí)驗(yàn)誤差已不是影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的主要因素了，這就為我們提供了實(shí)驗(yàn)上測(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角所應(yīng)選取的 z 值范圍．可采用以下兩種近似計(jì)算： 一種方法是，選取 zzr的兩個(gè)不同值 z1，z 2,根據(jù)光斑尺寸定義，從 I－ρ 曲線中分別求出 w(z1)，w(z 2)，利用公式： （13）12)(w??? 另一種方法是，由于 z 足夠大時(shí)，全發(fā)散角為定值，好像是從源點(diǎn)發(fā)出的一條直線，20所以實(shí)驗(yàn)上還可用一個(gè) z 值(z7z r)及與其對(duì)應(yīng)的 w(z),通過公式： （14）zw/)(2??來計(jì)算，選擇哪一個(gè)近似公式更好，要根據(jù)具體情況和誤差分析而定。四、實(shí)驗(yàn)主要儀器設(shè)備和材料序 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。 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。 計(jì)算每一處的光斑尺寸，利用兩種方法處理數(shù)據(jù)求出遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析距離 總功率 功率（mw） 相應(yīng)位置 光斑大小 W（z）發(fā)散角2? ? 2 w(z2)w(z1)/z2z1(94%) = (6%) (94%) = (6%) (94%) = (6%) (94%) = (6%) 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。 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。 切勿讓激光直接射入眼睛中，會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞眼睛。八、預(yù)習(xí)與思考題 思考如何提高測(cè)量光斑尺寸的精度。 思考兩種測(cè)量遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的特點(diǎn)并比較之。21說明：光功率計(jì)在測(cè)量過程中是全頻率接收，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） 。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。在使用刀口法測(cè)量的過程中，當(dāng)綠色激光完全被擋住的時(shí)候，由于 808nm 和 1064nm 的光的影響，功率計(jì)的示數(shù)并不是零。如果想達(dá)到理想的效果，可以在功率計(jì)前加 532nm 濾光片。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。觀察聲光調(diào) Q 激光器的調(diào) Q 現(xiàn)象。脈沖與連續(xù)激光器相對(duì)穩(wěn)定性的測(cè)量。二、實(shí)驗(yàn)類型驗(yàn)證型三、實(shí)驗(yàn)原理及說明激光調(diào) Q 技術(shù)又稱激光 Q 突變技術(shù)，它是通過激光諧振腔 Q 值產(chǎn)生的突變，使受激輻射在很短的時(shí)間內(nèi)建立并達(dá)到最大值的一種技術(shù)。也就是說，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。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。使激光諧振腔產(chǎn)生 Q 突變的方法有多種，常用的有電光、聲光、轉(zhuǎn)鏡 Q 開關(guān)的主動(dòng)調(diào) Q 方式，以及使用可飽和吸收體的被動(dòng)調(diào) Q 方式等。本實(shí)驗(yàn)采用的是聲光調(diào) Q 方式。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。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） 。調(diào) Q 巨脈沖能量為 (42)?????)/1(()/1(nVhEfi式中 為終止粒子反轉(zhuǎn)數(shù)密度。fn23調(diào) Q 巨脈沖寬度為 (43)??)/(1thithifin????如果把 Q 開關(guān)打開到光脈沖形成并增長(zhǎng)到極大值的 1/20 所需的時(shí)間定義為脈沖形成時(shí)間 ，則有dt (44)])/1([20max??????nGLtiRd式中， 、 分別為初始與最大光子數(shù)密度， 是工作物質(zhì)的增益系數(shù)， 為工作物i?max aL質(zhì)的長(zhǎng)度。2. 聲光調(diào) Q 器件（聲光 Q 開關(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。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。如圖 1 所示，當(dāng)聲光調(diào) Q 器件驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的高頻等幅振蕩電信號(hào)加在聲光調(diào) Q 器件的換能器上時(shí)，換能器產(chǎn)生超聲振動(dòng)，在聲光介質(zhì)內(nèi)形成縱向機(jī)械應(yīng)力波，引起介質(zhì)密度呈疏密交替的變化，從而使介質(zhì)的折射率也發(fā)生同樣的變化，形成等效的“相位光柵” 。當(dāng)光束通過聲光介質(zhì)時(shí)便產(chǎn)生衍射，造成損耗，使激光諧振腔的 Q 值下降。若損耗大于激光工作物質(zhì)的增益，就不能產(chǎn)生振蕩，或者說聲光調(diào) Q 器件將激光關(guān)斷。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。當(dāng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)被消耗減少到激光振蕩的閾值粒子數(shù)之下時(shí)，振蕩停止，緊接著高頻等幅振蕩再次形成，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。 本實(shí)驗(yàn)中，聲光調(diào) Q 器件驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的高頻等幅振蕩電信號(hào)的頻率約為 70MHz，調(diào)制方波的頻率范圍為 5kHz 至 10kHz。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。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。它們是根據(jù)超聲波波長(zhǎng) 、光波波長(zhǎng) 以及聲光相互作用距離 L 的不同而區(qū)分的。當(dāng) 《 ，即當(dāng)相s? ?L2s互作用距離短、超聲波頻率低，且入射光的方向與超聲波波面平行（正入射）時(shí)，產(chǎn)生喇曼—奈斯衍射，衍射光對(duì)稱地分布在零級(jí)光的兩則，通常有若干級(jí)。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。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。實(shí)際的聲光調(diào) Q 器件都使用布拉?格衍射，因?yàn)樗哂休^高的衍射效率。布拉格衍射角 由下式確定 (35))2(sins??所以，1 級(jí)衍射光與 0 級(jí)衍射光在介質(zhì)外的夾角 可近似地表示為?? (36)s?布拉格衍射效率 （37）?????????????so PMwLI221sin???式中， 、 分別為一級(jí)衍射光光強(qiáng)與入射光光強(qiáng)， 、 分別為超聲波場(chǎng)的寬度與長(zhǎng)度，1I0為聲光介質(zhì)的品質(zhì)因數(shù)， 為超聲功率。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。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。本實(shí)驗(yàn)使用的聲光調(diào) Q 器件的超聲換能器為 ，聲光介質(zhì)為熔石英。3Lib從（31） 、 （32） 、 （33） 、 （34）式可以看出影響調(diào) Q 光脈沖的一些主要因素。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。四、實(shí)驗(yàn)主要儀器設(shè)備和材料25序 號(hào) 名 稱 主要用途1連續(xù)脈沖 532nm 綠激光器教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)出激光2 直流穩(wěn)壓電源 調(diào) Q 器件電源3 光功率計(jì) 激光能量檢測(cè)4 光電接收器 激光脈沖檢測(cè)5 示波器 顯示信號(hào)五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟連續(xù)綠激光實(shí)驗(yàn)：● 諧振腔調(diào)整● 以 NeNe 激光光束作為準(zhǔn)直工具，進(jìn)行激光諧振腔的調(diào)整，得到綠激光輸出。具體步驟如下：● 連接激光器與其驅(qū)動(dòng)器，連接聲光 Q 開關(guān)與其驅(qū)動(dòng)器，暫不加電；● 從激光器底座上卸下反射鏡和 Q 開關(guān)；● 調(diào)整綠激光器和 HeNe 激光器的相對(duì)位置，使 HeNe 激光束?垂直入射到倍頻晶體KTP 的中心，并使此光束按原方向返回；● 固定綠激光器和 HeNe 激光器的相對(duì)位置； ● 把反射鏡安裝到激光器底板上，粗調(diào)它的位置和方位，使它和 HeNe 激光束垂直。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)。 輸出功率及其穩(wěn)定性測(cè)量●此項(xiàng)測(cè)量需要激光