【正文】 參數(shù)，其定義為腔內(nèi)貯存的能量與每秒鐘損耗的能量之比： 0=2Q ?? 腔 內(nèi) 貯 存 的 激 光 能 量每 秒 鐘 損 耗 的 激 光 能 量 （ 1） 式中 0? 為激光的中心頻率。一般情況下，自由運(yùn)轉(zhuǎn)的脈沖激光器輸出的激光脈沖的脈寬在幾百 μs～幾 ms 之間，峰值功率也較低。 ： 輸入電壓（ V） （ mJ） （ mJ） 350 400 450 500 550 600 215 201 650 258 256 700 305 301 750 355 348 800 391 388 850 429 425 900 471 469 長(zhǎng)沙學(xué)院激光課程設(shè)計(jì) 第 17 頁(yè) ： YAG 激光器調(diào) Q 實(shí)驗(yàn) ： 一． 了解利用晶體線性電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)激光調(diào) Q 的原理； 二． 熟悉主動(dòng)和被動(dòng)調(diào) Q 固體激光器的結(jié)構(gòu)，并掌握其調(diào)試技術(shù)； 三． 了解電光晶體的開(kāi)關(guān)效率和延遲特性； 四． 掌握調(diào) Q 激光器輸出能量、脈沖寬度的測(cè)量方法。分析不同輸入電壓情況下的最佳透過(guò)率。利用同樣方法可以測(cè)量激光器在其它輸出鏡透過(guò)率情況下的輸出輸入曲線。 3．最佳透過(guò)率的測(cè)定 (1) 保持激光晶體和全反鏡不變，取下輸出鏡膜片，并換用另一種透過(guò)率的輸出鏡膜片，按上述實(shí)驗(yàn)步驟將激光器調(diào)整到最佳輸出狀態(tài)（主要是微調(diào)輸出鏡）。每個(gè)電壓處測(cè)量 3 次并取輸出能量的平均值作為輸出能量值。將激光電源工作狀態(tài)設(shè)定為單次工作 ，并在激光器輸出光路上放置激光能量計(jì)。 (6)在激光器輸出激光后，繼續(xù)微調(diào)激光器的全反鏡和輸出鏡，直到打到相紙上的激光光斑均勻、圓整，然后減小激光器電壓至激光器剛能出光，此時(shí)注入的泵浦能量為激光器的閾值能量。若此時(shí)沒(méi)有激光輸出，繼續(xù)增大激光電源電壓。順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)可變電位器，此時(shí)可以看到激光電源顯示的電壓值逐漸變大。 (5)在水冷系統(tǒng)正常工作的前提下，按下激光器預(yù)燃開(kāi)關(guān)，預(yù)燃指示燈亮。 (4)檢查激光器的電源與激光頭之間以及激光頭和水箱之間的連接是否正確以及激光電源的多圈電位計(jì)逆時(shí)針旋至最小。若 HeNe 激光器不與實(shí)驗(yàn)臺(tái)平行，則需首先調(diào)整 HeNe 激光器的高低和俯仰并使其水平。 (2)仔細(xì)調(diào)節(jié)與 Nd:YAG 激光器同軸的 HeNe 激光器，使 HeNe 激光通過(guò)激光棒兩個(gè) 端面中心，如圖 8 所示。 ： 1．激光器的裝調(diào) (1)連接好所有電纜（除晶體高壓），插上電源插頭，檢查電源輸出正極接線端子（ POS）和負(fù)極接線端子（ NEG）是否連接正確。由 此可以算出 0w 大小。故當(dāng) 2LR? 時(shí)腔穩(wěn)定。這種平凹腔容易形成穩(wěn)定的輸出模，同時(shí)具有高的光光轉(zhuǎn)換效率，但在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到模式匹配問(wèn)題。 5．固體激光器的模式匹配技術(shù) 圖 5 是典型的平凹腔型結(jié)構(gòu)圖。但這些只是定性的分析，在實(shí)際應(yīng)用中，除憑經(jīng)驗(yàn)粗略選取外，必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。 4．最佳輸出耦合條件的選取 所謂最佳輸出耦合條件是指在一定輸出能量的情況下獲得最大激光輸出的輸出腔鏡透過(guò)率條件。理論分析得到，四能級(jí)系統(tǒng)脈沖激光器的閾值能量為 1???? abcLpRthth hvVNE ?? （ 2） 其中 VR 為激活介質(zhì)的體積； h 為普朗克常數(shù)； p 為激光頻率；η L 為電能轉(zhuǎn)換為有效光能的效率；η c為聚光腔的聚光效率；η ab 為工作物質(zhì)的吸收效率，η 1 是吸收能級(jí)向激光上能級(jí)無(wú)輻射躍遷的量子效率 。理論上可以推導(dǎo)閾值增益系數(shù)應(yīng)滿足如下條件： Rlith avG 12121 ln)( ?? （ 1） 其中 )( 21vGth 為閾值增益系數(shù)， i 是腔內(nèi)除去輸出損耗外的其它腔內(nèi)損耗系數(shù)， R 為輸出腔鏡的反射率，l 為工作物質(zhì)的長(zhǎng)度。當(dāng)腔內(nèi)的增益能夠補(bǔ)償由于腔鏡的透射、衍射及工作物質(zhì)的吸收、散射等因素所造成的損耗時(shí)，就可以形成激光振蕩。 3．激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，并產(chǎn)生受激輻射。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(shí)驗(yàn)采用脈沖氙燈側(cè)面泵浦激光晶體，因此對(duì)側(cè)面泵浦所用的聚光腔作以簡(jiǎn)介。此類(lèi)裝置必須配備冷卻系統(tǒng)。在圖 4 所示的預(yù)燃式電源中包括了充放電電路、預(yù)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。預(yù)燃式電源的結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。燈的觸發(fā)方式有兩種：外觸發(fā)式――脈沖高 壓通過(guò)繞在燈管上的觸發(fā)絲來(lái)觸發(fā)泵浦燈；內(nèi)觸發(fā)式――脈沖高壓直接通過(guò)燈的電極來(lái)觸發(fā)泵浦燈。然后用一個(gè)萬(wàn)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(chǎng)作用下，正負(fù)離子沿相反方向做加速運(yùn)動(dòng)，又激發(fā)和電離其它原子，進(jìn)而形成雪崩式電離。燈管和電極之間用過(guò)渡玻璃直接封接或氣泡封接，管內(nèi)充入適量的氙氣。如果在石英玻璃中摻入適量的鈰，還可吸收小于 μ m 的紫外光，并能產(chǎn)生 ~ m 的熒光，可大大減小工作 物質(zhì)的熱效應(yīng)，提高泵浦效率。本實(shí)驗(yàn)中選用脈沖氙燈對(duì)激光棒進(jìn)行泵浦，其一般由燈管、充入的氣體和電極所構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型激光器件，其利用輸出波長(zhǎng)與激光晶體的某一吸收峰對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體激光作為泵浦源，具有體積小、效率高的優(yōu)點(diǎn)。 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(dǎo)體激光器等。 泵浦源系統(tǒng) 泵浦源系統(tǒng)的作用是為工作物質(zhì)達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布提供必要的能量，并控制激光器按使用要求正常運(yùn)轉(zhuǎn)。平行平面腔可以看作是曲率半徑為無(wú)窮大的球面腔，滿足g1g2=1，屬于介穩(wěn)腔。為了保證激光器的高效穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，所用 Nd3+： YAG激光棒應(yīng)具有如下特性： 光學(xué)均勻性好，無(wú)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(cè)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?cè)鐾改?，以防自激振蕩的產(chǎn)生； 棒的長(zhǎng)度與直徑之比在 10： 1~20： 1 之間選取 圖 1 Nd3+： YAG 晶體的能級(jí)結(jié)構(gòu) 長(zhǎng)沙學(xué)院激光課程設(shè)計(jì) 第 13 頁(yè) 圖 2 Nd3+： YAG 晶體在 300K 時(shí)的吸收譜 全 反 膜Y A G 棒聚 光 腔部 分 反 射 膜儲(chǔ) 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(zhǎng)脈沖 Nd3+： YAG 激光器裝置示意圖 激光諧振腔 通常選用平行平面腔，它是由兩個(gè)鍍有干涉介質(zhì)膜層的光學(xué)玻璃片（也稱為膜片或腔鏡）組成的，其中一個(gè)腔鏡是全反射鏡，鍍 m 的全反射膜（反射率應(yīng)大于 %），另一個(gè)膜片鍍對(duì) μ m 的光有一定反射率的部分反射鏡。因此，四能級(jí)系 統(tǒng)的激光振蕩閾值較三能級(jí)系統(tǒng)低很多。其中 m 的熒光譜線最強(qiáng)，在激光振蕩過(guò)程中由于粒子數(shù)競(jìng)爭(zhēng)， 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(gòu)成了激發(fā)態(tài)→亞穩(wěn)態(tài)（激光上能級(jí)4F3/2）→激光下能級(jí) 4I11/2 的四能級(jí)系統(tǒng)。 4I11/2 和 4I13/2 能級(jí)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。 Nd3+其余的激發(fā)態(tài)的壽命都很短，而不穩(wěn)定，迅速地?zé)o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。它有五條主要吸收帶，這些吸收帶的中心波長(zhǎng)分別是 m、 m、 m、 m 和 m，其中 m 的吸收帶較強(qiáng)。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 的物理和化學(xué)性質(zhì)主要取決于 YAG 的性質(zhì)，具有良好的導(dǎo)熱性能和很大的硬度。一般 Nd3+的含量為 1%左右（即 100 個(gè) Y3+中約有一個(gè)被 Nd3+所取代），即 Nd3+的密度約為 1020cm3。 ： 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(jiǎn)稱 YAG，分子式為 Y3Al3O12）為基質(zhì)，摻雜適量的三價(jià)稀土元素釹離子（ Nd3+）構(gòu)成的，其中 Nd3+置換 YAG 中的部分釔離子（ Y3+），晶體呈淡紫色 。 2） 重復(fù)諧振腔調(diào)整中的必要步驟，并觀察不同位置時(shí)光斑的形狀、大小，光束的發(fā)散角、功率、縱模（使用 FP 掃描干涉儀）和增益曲線，以了解腔長(zhǎng)、腔型和橫模、縱模、光斑直徑、發(fā)散角、功率、閾值等之間的相互關(guān)系。） 4） 作出輸出功率與電流的關(guān)系曲線，總結(jié)其規(guī)律。 2） 將 HeNe 激光器泵浦電源的電流調(diào)至最低，將功率指示器探頭置于 HeNe 激光器輸出端。激光腔的調(diào)試即告完成。如沒(méi)有，請(qǐng)仔細(xì)調(diào)整反射鏡上的兩個(gè)調(diào)整釘，直到有 HeNe 激光輸出為止。（不可過(guò)大以免損壞激光管和電源）。 打開(kāi) HeNe 激光電源，激光管亮。 調(diào)整反射鏡架上的兩個(gè)調(diào)整螺釘，使該反射鏡反射回小孔屏上的光斑落于小孔中心。此時(shí)可認(rèn)為毛細(xì)管基本 與 LD激光束（基準(zhǔn)）相重合，全反射鏡與 LD 激光束垂直。調(diào)整布氏窗這端的二維調(diào)整架，使 LD 光束進(jìn)入毛細(xì)管，這時(shí)我們應(yīng)可在小孔光闌屏上看見(jiàn)從 HeNe 激光管的另一端反射鏡反射回來(lái)的光， 一般為環(huán)形 ， 盡量使之明亮。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中這個(gè)基準(zhǔn)不應(yīng)再變動(dòng)。 前后滑動(dòng)小孔屏，并注意光斑在布氏窗上的位置，并反復(fù)調(diào)整 LD 和小孔光欄屏方向和位置，以使小孔屏在前后滑動(dòng)的過(guò)程中，光斑始終位于布氏窗片的中心區(qū)域。 1） 打開(kāi)功率指示計(jì)的電源， LD 發(fā)出激光。 (B)激光器的調(diào)試 激光器的調(diào)試主要是調(diào)整 HeNe 激光器與反射鏡的相對(duì)位置關(guān)系，只有當(dāng)諧振腔的兩個(gè)反射鏡均以激光器毛細(xì)管相垂直時(shí)，激光才有可能產(chǎn)生，本實(shí)驗(yàn)的調(diào)試過(guò)程主要是用一束半導(dǎo)體激光作為基準(zhǔn)，用自準(zhǔn)直的方法使激光諧振腔達(dá)到諧振條件，產(chǎn)生 HeNe 激光。 將 HeNe 激光器的高壓電源線與 HeNe 激光器的電源可靠連接。 緊靠 LD 放置小孔光闌屏并鎖緊滑塊上的螺釘。 將 HeNe 激光器及四維調(diào)整架放置在導(dǎo)軌的一端，布氏窗朝向?qū)к壍牧硪欢?，鎖緊滑塊上的兩個(gè)螺釘，使激光器與導(dǎo)軌緊固連接。觀察反射鏡失調(diào)對(duì)激光的影響。氦原子作為一種輔助氣體，在將氖原子激發(fā)到高能級(jí)并實(shí)現(xiàn)兩個(gè)能級(jí)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)起著重要作用。 ： 氦氖激光器因激光管中充有按一定比例混合的氦氣和氖氣而得名。 八． 分析驅(qū)動(dòng)功率與衍射光強(qiáng)波形的關(guān)系。 衍射光強(qiáng)波形的測(cè)量 六． 重復(fù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（一）的步驟，令觀察屏上的衍射光點(diǎn)最多。并與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（二）進(jìn)行比較，求出聲波傳播速度。 四． 讀出聲光調(diào)制器距光闌的距離。 二． 將光強(qiáng)分布測(cè)量系統(tǒng)置于導(dǎo)軌另一端 。 長(zhǎng)沙學(xué)院激光課程設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 二． 移開(kāi)觀察屏，用激光功率計(jì)測(cè)出入射光強(qiáng) 0I 三． 利用光闌分