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dgtq型laserlaser固體激光器綜合實驗系統(tǒng)laserlaserlaserlaser-展示頁

2024-09-16 06:00本頁面
  

【正文】 調(diào) Q 脈沖從振蕩開始建立到巨脈沖激光形成需要一定的延遲時間 t?(也就是 Q 開關(guān)開啟的持續(xù)時間)。 由圖還可看出,調(diào) Q 脈沖的建立還有個過程,當 Q 值階躍上升時開始振蕩,在 0tt?振蕩開始建立至以后一個較長的時間過程中,光子數(shù) ? 增長 十分緩慢,如圖 所示,其值總是很?。?i??? ),受激輻射幾率很小,此時仍是自發(fā)輻射占優(yōu)勢。在泵浦過程的大部分時間里諧振腔處于低 Q 值( 0Q )狀態(tài),故閾值很高不能起振,從而激光上能級的粒子數(shù)不斷積累,直到 0t 時刻,粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達到最大值 in? ,在這一時刻, Q 值突然升高(損耗下降),振蕩閾值隨之降低,于是激光振蕩開始建立。 調(diào) Q 激光脈沖的建立過程,各參量隨時間的變化情況,如圖 所示。 3) 調(diào) Q 激光的建立 ( ) 6 調(diào) Q 技術(shù)就是通過某種方法(如改變損耗)使腔的 Q 值隨時間按一定程序變化的技術(shù)。當積累到最大值,突然使腔內(nèi)損 耗變小,Q 值突增。由( )式和( )式可見,當 ? 和 L 一定時, Q 值與諧振腔損耗成反比,即損耗大, Q 值就低,閾值高,不易起振;當損耗小, Q 值就高,則閾值低,易于起振。由此,光在腔內(nèi)每秒鐘損耗的能量為 /WnLc? 。用 W 表示腔內(nèi)存圖 Q開關(guān)激光脈沖建立過程 儲的能量 ,δ表示光在腔內(nèi)傳播單次能量的損耗率,那么光在 一個單程中的能量損耗為δ W。 2) 調(diào) Q 的原理 5 從激光產(chǎn)生的原理得知,激光器振蕩的閾值條件可以表示為 thn? ≥211cgA ? () 而2c Q? ??? ,所以 thn? ≥212gAQ? () 式中 g 是模式數(shù)目, 21A 是自發(fā)輻射幾率, c? 是光子在腔內(nèi)的壽命。如此,激光器的能量分散在這樣一串脈沖中,因而不可能有很高的峰值功率,這是因為通常的激光諧振腔的損耗是不變的,一旦光泵浦使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達到或略超過閾值時,激光器便開始振蕩,于是激光上能級的粒子數(shù)因受激輻射而減少,致使上能級不能積累很大的反轉(zhuǎn)粒子數(shù),只能被限制在閾值 反轉(zhuǎn)數(shù)附近 [7]。 2: 調(diào) Q 技術(shù)原理 1) 調(diào) Q 的意義 普通脈沖固體激光器輸出的脈沖,是由許多振幅、脈寬和間隔作 隨機變化的尖峰脈沖組成的,如圖 。這一切都是以之前所述的原子系統(tǒng)受激吸收 —— 受激輻射一系列機制為根據(jù)的。使頻率適中的電磁波入射到該“反轉(zhuǎn)”的 4 激光材料上,入射光子將使高能級的原子降落回低能級而發(fā)射出附加的光子,形成光波放大。有這種輻射過程產(chǎn)生的光便是激光 [7]。 ( 3)受激輻射 在光的受激吸收過程的同時,還有一個相反的過程,即當原子受到外來的能量為 hγ21的光子照射時,如果 hγ21=E2E1,則處在高能態(tài) E2上的原子也會受到外來的能量為 hγ21的光子的誘發(fā),而從高能態(tài) E2躍遷到低能態(tài) E1上去。 原子的受激吸收幾率與外來的光輻射能量密度ρ (ν )的數(shù)值大 小有關(guān),ρ (ν )越大,幾率 W12 就越大。即原子自發(fā)輻射是完全隨機的,各個原子在自發(fā)躍遷中彼此無關(guān),這樣產(chǎn)生的自發(fā)輻射光在相位、偏振態(tài)以及傳播方向上都是雜亂無章的,光能量分布在一個很寬的頻率范圍內(nèi)。這種在沒有外界作用的情況下,原子從高能態(tài)向低能態(tài)的躍 3 遷方式有兩種:一種是在躍遷過程中,釋放的能量以熱量的形式放出,這稱為無輻射躍遷;另一種躍遷過程中,釋放出的能量是通過光輻射的形式放出,這稱為自發(fā)輻射躍遷??梢哉f,處于基態(tài)的原子,從外界吸收能量以后,將躍遷到能量較高的激發(fā)態(tài)。在熱平衡時,材料中處于下能態(tài)的原子數(shù)遠比上能態(tài)的多,電磁波與其發(fā)生作用,能使原子從低能級上升到高能級。采用 PKD* 電光晶體進行電光調(diào) Q,可實現(xiàn) ns 級脈寬激光的輸出 二 : 實驗原理 (一) : 激光原理簡介 1:激光原理 ( 1)自發(fā)輻射 根據(jù)已知的理論,原子只能存在分立的能態(tài),處在不同能態(tài)的原子具有不同的能量。 本裝置的準直光源采用 650nmLD 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 HeNe 激光器,具有體積小、使用安全、調(diào)節(jié)方便、光強可調(diào)等優(yōu)點。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,采用內(nèi)置三角導軌,具有良好的穩(wěn)定性。使學生全面了解激光原理和激光技術(shù),掌握電光調(diào) Q 系統(tǒng)的調(diào)試方法。 1 DGTQ 型 固體激光器綜合實驗系統(tǒng) 2 固體激光器綜合實驗 一 . 主要功能和特點 此套系統(tǒng)適用于光信息科學與技術(shù)、電子科學與技術(shù)、應(yīng)用物理等相關(guān)專業(yè)??蓽y量閾值、轉(zhuǎn)換效率,倍頻效率等參量,開設(shè)電光調(diào) Q,選模等實驗。 電光調(diào) Q 固體脈沖激光器外罩機殼,整體美觀大方,并可保護內(nèi)部裝置。所有器件均采用標準件,互換性強,并且都可以拆卸,便于學生動手裝調(diào)。本裝置采用脈沖氙燈泵浦 Nd3+:YAG 輸出1064nm 激光,經(jīng)倍頻后可以輸出 532nm 激光。若 原子處于內(nèi)部能量最低的能量狀態(tài),稱此原子處于基態(tài),其它比基態(tài)能量高的狀態(tài),都叫做激發(fā)態(tài)。這種原子在兩個能級之間的變化叫做躍遷。 在高能態(tài)上的原子是不穩(wěn)定的,它總是力圖使自己處于最低的能量狀態(tài);即使在沒有任何外界作用的情況下,它也有可能從高能態(tài) 2E 躍遷到低能態(tài)并把相應(yīng)的能 量釋放出來。輻射的光子能量滿足波爾關(guān)系: ?hEE 12 ?? 1 ( ) 圖 自發(fā)輻射 圖 受激吸收 圖 受激 輻射 原子自發(fā)輻射的特點是原子的自發(fā)輻射幾率 A21只與原子本身性質(zhì)有關(guān),與外界輻射場無關(guān)。 ( 2)受激吸收 當原子系統(tǒng)受到外來的能量為 hγ21 的光子照射時,如果 hγ21=E2E1,則處于低能態(tài) E1上的原子受到激發(fā),躍遷到高能態(tài) E2上去,同時吸收一個能量為 hγ21的光子,這種過程稱為光的受激吸收。所以,與自發(fā)輻射幾率不同,原子的受激吸收幾率是隨ρ (ν )而變化的。這時原子將發(fā)射一個和外來光子能量相同的光子,這種過程叫做受激輻射。 在激光器中,外部泵浦源使激光材料中的粒子(原子)從低能態(tài)躍遷到 高能態(tài),即泵浦輻射導致“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。最終,能量從原子系統(tǒng)萃取出來,供給到輻射場。 簡言之,當材料受到激勵,使得它的原子(分子)在高能級的分布多于低能級時,該材料就能夠以與能級差相應(yīng)的頻率使輻射放大,從而產(chǎn)生激光 [7]。 圖 靜態(tài)激光脈沖中的遲豫振蕩 每個尖峰的寬度約為 s,間隔為微秒量級,脈沖序列的長度大致與閃光燈泵浦時間相等,這種現(xiàn)象稱為激光器遲豫振蕩。 調(diào) Q 能夠抑制弛豫振蕩,將輸出激光的脈寬從微秒量級壓縮到納秒量級,從而大大提高峰值功率。我們引入品質(zhì)因數(shù) Q,將它定義為 [8] 02Q ?? ??? ????腔內(nèi)存儲的能量每秒損耗的能量 式中, 0? 為激光的中心頻率。設(shè) L 為腔長, n 為介質(zhì)折射率,c 為光速,則光在腔內(nèi)走一單程所需的時間為 nL/c。這樣, Q 值就可表示為 0 022 /W n LQ W c n L ??? ? ???? 式中, 0? 為真空中激光中心波長。由此提高振蕩閾值,振蕩不能形成,使激光工作物質(zhì)上能級的粒子數(shù)大量積累。這時,腔內(nèi)會像雪崩一樣以極快的速度建立起極強的振蕩,在短時間內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大量被消耗,轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)的光能量,并在輸出鏡一端輸出一個極強的激光脈沖,我們稱之為巨脈沖。在泵浦開始時使腔處于低 Q 值狀態(tài),即提高振蕩閾值使振蕩不能形成,上能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)就可以大量積累,能量可以儲存的時間決定于激光上能級的壽命;當積累到最大值(飽和值)時,突然使腔的損耗減少, Q 值突增,激光振蕩迅速建立起來,在極短的時間 內(nèi)上能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)被消耗,轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)的光能量,從腔的輸出端以單一脈沖形式釋放出來,于是就獲得
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