激光原理与技术实验参考书1

激光原理与技术 实验指导 编著：刘安玲 孙利平 刘  莉 黄利元 周  远 谭志光 袁  媛 长沙学院电子与通信工程系 光电通信实验室 光电信息工程教研室 2010年1月 目录 实验一  晶体的电光效应实验    1 实验二  声光效应实验    5 实验三  Nd：YAG激光器调腔实验    14 实验四  Nd：YAG激光器调Q实验    22 实验五  Nd：YAG激光器倍频实验    27 实验六  氦氖激光器调腔及其性能研究实验    31 实验一  晶体的电光效应实验 一、实验目的 1． 研究LN晶体的一次电光效应特性，了解电场对晶体的作用机理。 2． 掌握电光调制的工作原理及光路调整方法。 3． 了解LN晶体横向电光效应在光通信中的应用，并通过实验对光通信中的调制、传输、解调过程有一个感性认识。 二、实验原理 电光效应一般是指介质在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变，这种现象称为电光效应。 电光效应按电压与折射率变化的关系可分为：一级电光效应和二级电光效应。一级电光效应是指介质折射率的变化正比于电场强度，是由Pockels于1893年发现的，故也称为Pockels（泡克尔斯）效应。二级电光效应是指介质折射率的变化与电场强度的平方成正比，是Kerr于1875年发现的，因此，也称为Kerr（克尔）效应。泡克尔斯效应一般发生在本来就各向异性的介质中，如各种晶体。而kerr效应一般发生在各向同性的介质中。它们的作用机理，都是由于电场对介质极化的结果：即介质中的分子在电场作用下被极化或原极化方向发生变化。Kerr效应较明显的一般有硝基笨等。其自然状态是各向同性的，在被电场极化后变为各向异性，产生双折射现象。而Pockels效应则多发生在一些晶体如LiNbO3(铌酸锂，简称LN)晶体上，他们本来就是单轴晶体，各向异性、电场的极化使它们原极化情况发生变化，由单轴晶体变为双轴晶体。 在极化的方式上。一般又有横向施加电场（垂直于光轴）和纵向施加电场（平行于光轴）二种方式。由于横向电场的Pockels效应具有半波电压低、线性度较好的特点，因此得到了广泛应用。按此方式制成的电光调制器被广泛地应用于光通讯领域，成为当今信息社会不可或缺的一项技术。 在本实验中，我们采用对LN晶体横向施加电场的方式来研究LiNbO3晶体的电光效应。其中，晶体被加工成5×5×30mm3的长条，光轴沿长轴通光方向，在两侧镀有导电电极，以便施加均匀的电场。 LN在自然状态下是一种比较典型的单轴晶体，具有很好的电光特性。当我们对晶体施加电压时，材料中的极化情况发生变化，会产生出一个新的光轴，从而使晶体产生了一个附加的各向异性。 如果一束线偏振光通过这样一个晶体，让我们看一下在施加电压前后晶体对它有何影响：在加压前晶体是一个单轴晶体，且光轴在长轴通光方向。一束沿通光方向传播的线偏振光，将不会发生双折射现象，不会被分解成o光e光，当光穿过晶体离开时，其偏振态将不会发生变化，还是一个按原方向振动的线偏振光。 当我们在晶体两侧施加一定强度的电压后，由于分子的极化方向受电场影响发生了变化，并生成了一个新的附加光轴，使晶体由原来的单轴晶体变为双轴晶体，这时沿通光方向传播的光将不再与光轴平行，双折射现象将会发生，穿过晶体。这将使经过的光的偏振态发生变化。如果我们在晶体后放有一个检偏器，我们就会观察到在施加电场前后，通过检偏器的光强会有变化。 通过上面的分析我们看到，如果一束光通过一个由起偏器、LN晶体、检偏器组成的一个系统，我们就可以通过对LN晶体施加电压来改变系统的输出光强，从而实现对输出光强的控制。如果这个电压是一系列电脉冲信号的话，则可实现了对光的调制。晶体的电光调制正是基于这个原理。 三、实验仪器 1．光学实验导轨                  800mm                  1 根 2．导轨滑块                                            6 个 3．二维可调半导体激光器          650nm  4mW            1 套 4．激光功率指示计                                      1 套 5．偏振片                                              2 套 6．1/4波片                                            1 套 7．三维可调电光晶体及附件                              1 套 8．二维可调扩束镜                                      1 套 9．二维可调光电二极管探头                              1 套 10．白屏                                                1 个 11. 双踪示波器                                          1台 12. 音频信号源                                          1个 四、实验内容与步骤 1、验证LN晶体在自然状态下的单轴晶体特性和施加电压后晶体变为双轴晶体的情况 为此，我们采用会聚偏振光的干涉图像来直观地对其进行观察。实验步骤和光路如下： 1） 将半导体激光器、起偏器、扩束镜、LN晶体、检偏器、白屏依次摆放，使扩束镜紧靠LN晶体 2） 分别接连好半导体激光器电源（在激光功率指示计后面板上）和晶体驱动电源（千万不可插错位）将驱动电压旋钮逆时针旋至最低。 3） 打开激光功率指示计电源，激光器亮。调整激光器的方向和各附件的高低，使各光学元件尽量同轴且与光束垂直，旋转起偏器，使透过起偏器的光尽量强一些（因半导体激光器的输出光为部分偏振光） 4） 观察白屏上的图案并转动检偏器观察图案的变化，应可观察到由十字亮线或暗线和环形线组成的图案。这种图案是典型的会聚偏振光穿过单轴晶体后形成的干涉图案 5） 打开晶体驱动电源，将状态开关打在直流状态，顺时针旋转电压调整旋钮，调高驱动电压，观察白屏上图案的变化。将会观察到图案由一个中心分裂为两个心，这是典型的会聚偏振光经过双轴晶体时的干涉图案。 2、研究LN晶体的电光特性和特征参量 实验步骤和光路如下： 1） 将上个实验中的扩束镜和LN晶体取下，使系统按激光器、起偏器、检偏器、白屏排列。 2） 打开激光功率指示计电源，调整系统光路，使光学元件尽量与激光束等高、同轴、垂直。 3） 旋转起偏器、使透过起偏器的光尽量强一些，旋转检偏器使白屏上的光点尽量弱。这时起偏器与检偏器相互垂直，系统进入消光的状态。 4） 将LN晶体放置于起偏器与检偏器之间，调整其高度和方向尽量使LN晶体与光束同轴、垂直。 5） 将晶体驱动电源的电压调至最低，状态开关打到直流状态，观察白屏上的光斑亮度。仔细调整LN晶体的角度和方位，尽量使白屏上的激光光斑最暗（理论上讲，LN晶体的加入应对系统的消光状态无影响，但由于LN晶体本身固有的缺陷和激光光束的品质问题，系统消光状态将会变化）。 6） 取下白屏换上激光功率计探头，记下此时的光功率值Pmin 7） 顺时针旋转电压调整旋钮，缓慢调高驱动电压，并记录下电压值和激光功率值，可每50V记录一次。特别注意记录最大功率值Pmax和对应的电压值Vλ/2 8） 根据上两步记录的数据，求出系统消光比 M= Pmax / Pmin  和半波电压Vλ/2 画出电压与输出功率的对应曲线(可在全部实验结束后进行)。 9） 取下LN晶体，旋转检偏器，记录下系统输出最大的光功率Po，计算LN晶体的透过率T= Pmax / Po 10） 消光比M 、透过率T、 半波电压Vλ/2是征电光晶体品质的三个重要特征参量。 3、研究静态工作点对调制波形的影响 通过上一个实验所绘制的曲线，我们看到电压与输出光强的关系并不是完全线性的，只是在二分之一Vλ/2处是近似线性的。响应的非线性就会在调制时产生一个信号波形失真的问题，如果一个正弦驱动信号的静态工作点在0或Vλ/2处，还会出现信号倍频现象。这就要求我们在使电光晶体工作时找到一个好的静态工作点，以使波形失真最小且最灵敏。静态工作点的设置有多种，可以是电学的也可以是光学的。 以下实验是为了观察静态工作点对输出波形的影响，实验步骤与光路如下： 1） 将上一个实验电路中的功率指示计探头取下，换上光电二极管探头，使系统光路按半导体激光器、起偏器、LN晶体、检偏器、光电二极管探头顺序排列。 2） 将驱动信号波形插座和接受信号波形插座分别与双踪示波器CH1和CH2通道连接，光电二极管探头与信号输入插座连接。 3） 将状态开关置于正弦波位置，幅度调节钮旋至最大。 4） 示波器置于双踪同时显示，以驱动信号波形为触发信号，正弦波频率约为1KHZ。 5） 旋转电压调节旋钮改变静态工作点，观察示波器上的波形变化。特别注意，接收信号波形失真最小、接受信号幅度最大，出现倍频失真时的静态工作点电压。对照上一个实验中的曲线图，理解静态工作点对调制波形的影响。 4、感性认识1/4波片对静态工作点的影响和作用 在起偏器与LN晶体间放入1/4波片。分别将静态工作电压置于倍频失真点、接收信号波形失真最小、接收信号波形幅度最大点（参考上一步骤的参数），旋转λ/4波片，观察接收波形的变化情况，体会1/4波片对静态工作点的影响和作用。 5、感性认识光通信中的调制、传输、解调过程 音频信号的调制与传输。将音频信号接入音频插座，状态开关置于音频状态。观察示波器上的波形，打开后面的喇叭开关，监听音频调制与传输效果。 五、思考题 1．加直流电压前后屏上显现的晶体出射光强的变化，可判定晶体产生电光效应，其理由何在。 2．电光晶体调制器应满足什么条件方能使输出波形不失真？ 实验二  声光效应实验 一、实验目的 1． 观察声光相互作用现象。 2． 知道布喇格衍射的实验条件和特点。 3． 通过对声光器件衍射效率和带宽等的测量，加深对其概念的理解。 4． 学会测量声光偏转和声光调制曲线。 二、实验原理 声波是一种弹性波（纵向应力波），在介质中传播时，它使介质产生相应的弹性形变，从而激起介质中各质点沿声波的传播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。超声场作用的这部分如同一个光学的“位相光栅”，该光栅间距（光栅常数）等于声波波长λs。与普通光栅相比，其不同在于不存在不透光部分，每一部分都有光透过，但其折射率不同。当光波通过此介质时，就会产生光的衍射。其衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。这就是声光效应。 早在上世纪30年代就开始了声光衍射的实验研究。60年代激光器的问世为声光现象的研究提供了理想的光源，促进了声光效应理论和应用研究的迅速发展。声光效应为控制激光束的频率、方向和强度提供了一个有效的手段。利用声光效应制成的声光器件，如声光调制器、声光偏转器和可调谐滤光器等，在激光技术、光信号处理和集成光通讯技术等方面有着重要的应用。 声波在介质中传播分为行波和驻波两种形式。声驻波是由波长、振幅和相位相同，传播方向相反的两束声波叠加而成的。当声波垂直入射到两种介质的分界面上时就会产生驻波。假如分界面两边介质的声阻抗相差很大，则根据边界条件，在界面上有质点位移、振动速度 。因而，在反射点处位移和速度的相位产生180°的突变。在界面处总是发生位移波节和声压波腹。如由分界面两边介质的声阻抗相差不大的表面上反射时，声波的一部分能量转移到第二种介质中，反射的振幅小于发射的振幅。这时，在第一种介质中发生驻波和行波的组合。 F-SG1080型声光效应实验仪由两部分构成，一是声光晶体：声光晶体由压电换能器（X0?切石英晶体）和声光互作用介质（ZF6）组成。为了在声光介质中形成驻波，沿声传播方向上声光介质的两个面要严格平行，平行度要优于 。压电换能器与声光介质焊接成一体。二是驱动源：驱动源是一个正弦波高频功率信号发生器。驱动源提供的正弦高频功率信号（见图1），通过匹配网络加到压电换能器上，换能器发出的超声波沿 正方向传播，到达对面后，被全反射，反射波沿 负方向传播，声光介质中就如同存在两列频率相同，振幅相等沿相反方向传播的超声波。 图2所示就是这种波在十个彼此相等的瞬时间隔时的情况。沿正 方向传播的发射波用虚线表示；沿负 方向传播的反射波用实线表示；它们的叠加用点划线表示。不难看出，叠加波具有相同的波长，只是在空间不产生位移。这种有两个彼此相对的行波组成的振动称为驻波。在驻波中，彼此相距λs/2的各点完全不振动，这些点称为波节。位于两波节中间的点是波腹，这些点上的振动最大，波腹之间的距离也是λs/2。由于声驻波的波腹和波节在介质中的位置是固定的，因此它形成的光栅在空间也是固定的。另外，显而易见的是每隔1/2Τ秒，振动即完全消失（图1b中从上往下数3，5，7，9行的瞬时），驻波的最大值也位于这些瞬时间隔的中间（2，4，6，8，10），而且每经过这个时间间隔，在波腹处的振动的相位相反。 匹配网络                      压电换能器                    驱动源          声光介质  图1 驻波声光调制器          图2 声光介质中超声驻波的形成过程 沿X正方向和负方向传播的振动可以写成如下形式 应用加法定理可得到合成驻波的表达式 （1） 由此可直接得出，在 等于零的各点，位移 恒等于零；这是在 等于π/2的奇数倍时产生的。 的绝对值最大的点位于这些点的中间。将（1）式对时间微分，即可得到驻波情况下质点振动速度的表达式： （2） (2)式说明，质点振动速度的波节和波腹与位移的波节和波腹在相同的点上。 现在，我们来讨论在超声驻波的作用下，声光介质折射率的变化以及光通过时的衍射情况。在超声驻波的作用下，声光介质的折射率变化由下式表示： （3） 其中 为声致折射率改变幅值； 是超声波的圆频率； 是超声波的波数。 声驻波在一个周期内，介质两次出现疏密层，且在波节处密度保持不变，因而折射率每隔半个周期（Ts/2）就在波腹处变化一次，由极大（或极小）变为极小（或极大）。在两次变化的某一瞬间，介质各部分的折射率相同，相当于一个没有声场作用的均匀介质。若超声频率为fs，那么光栅出现和消失的次数则为2fs，因而光波通过该介质后所得到的调制光的调制频率将为声频率的两倍。 按照声波频率的高低以及声波和光波作用长度的不同，声光相互作用可以分为拉曼－纳斯衍射和布拉格衍射两种类型。 1、拉曼-纳斯衍射 产生拉曼-纳斯衍射的条件：当超声波频率较低，光波平行于声波面入射，声光互作用长度L较短时，在光波通过介质的时间内，折射率的变化可以忽略不计，则声光介质可近似看作为相对静止的“平面相位栅”。而且声波长比光波长大得多，当光波平行通过介质时，几乎不通过声波面，因此只受到相位调制，即通过光学稠密(折射率大)部分的光波波阵面将推迟，而通过光学疏松(折射率小)部分的光波波阵面将超前，于是通过声光介质的平面波波阵面出现凸凹现象，变成一个折皱曲面，如图3所示。由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形成与入射方向对称分布的多级衍射光，这就是拉曼—纳斯衍射。 设宽度为q的光波垂直入射宽度为L声波柱，如图4所示。则在声场外P点处总的衍射光强是所有子波源贡献的和，如（4）式所示。 （4） 式中，Jr(v)是r阶贝塞尔函数；l=sin ， ，        ，  为入射光波数。衍射光场强度各项取极大值的条件为： （5） 各级衍射的方位角为 （6） 各级衍射光的强度为 （7） 由于              ，故各级衍射光对称地分布在零级衍射光两侧，且同级次衍射光的强度相等。 应该注意到：由于      表明无吸收时衍射光各级极值光强之和应等于入射光强，即光功率是守恒的。 由于光波与声波场的作用，各级衍射光波将产生多普勒频移，应有 以上推导是在理想的面光栅条件下进行的，忽略了各衍射光的相互影响，考虑到声束的宽度，则当光波传播方向上声束的宽度L满足条件 ，才会产生多级衍射，否则从多级衍射过渡到单级衍射。 2、布喇格衍射 若声波频率较高，声光作用长度L较大，光束与声波波面间以一定的角度斜入射，光波在介质中要穿过多个声波面，则介质具有“体光栅”的性质。 当入射光与声波面间夹角满足一定条件时，介质内各级衍射光会相互干涉，各高级次衍射光将互相抵消，只出现0级和+1级（或1级）（视入射光的方向而定）衍射光 ，即产生布拉格衍射，如图5所示。 因此，若能合理选择参数，并使超声场足够强，可使入射光能量几乎全部转移到+1级（或1级）衍射极值上。因而光束能量可以得到充分利用，因此，利用布喇格衍射效应制成的声光器件可以获得较高的效率。 下面从光的干涉加强条件来推导布拉格方程。为此，可把声波通过的介质近似看作许多相距为λs的部分反射、部分透射的镜面。对于驻波超声场，这些镜面是完全不动的，如图6所示。当平面波1和2以角度θi入射至声波场，在B、C、E各点处部分反射，产生衍射光1′、2′、3′。各衍射光相干增强的条件是它们之间的光程差应为其波长的整数倍，或者说它们必须同位相。图6a表示在同一镜面上的衍射情况，入射光1和2在B、C点反射的1和2同相位的条件，必须使光程差AC-BD等于光波波长的整数倍，即： （8） 要使声波面上所有点同时满足这一条件，只有使θi＝θd ，即入射角等于衍射角时才能实现。对于相距λs的两个不同镜面上的衍射情况，如图6b所示，由C、E点反射的2、3光束具有同相位的条件，其光程差FE＋EG必须等于光波波长的整数倍，即 （9） 考虑到θi＝θd ，所以                                      （10） 或者                                              （11） 式中θi＝θd＝θB ，B称为布喇格角。可见，只有入射角θi等于布喇格角B时，在声波面上衍射的光波才具有同相位，满足相干加强的条件，得到衍射极值，上式称为布喇格方程。 下面简要分析布喇格衍射光强度与声光材料特性和声场强度的关系。根据推证，当入射光强为Ii时，布喇格声光衍射的0级和1级衍射光强的表达式可分别写成: （12） 式中 是光波穿过长度为L的超声场所产生的附加相位延迟。 可以用声致折射率的变化Δn来表示，即 （13） 则                                                （14） 设介质是各向同性的，由晶体光学可知，当光波和声波沿某些对称方向传播时，Δn由介质的弹光系数P和介质在声场作用下的弹性应变幅值S决定，即 （15） 式中S与超声驱动功率Ps有关，而超声功率与换能器的面积（换能器宽度H×换能器长度L）、声速 与能量密度 （ 是介质密度）有关，即 （16） 因此，                                                    （17） 于是                                （18） 式中， 称为超声强度。将（18）式代入（14）式，便得到衍射效率 (19) 或者                                    (20) 式中              ，是声光介质的物理参数组合，是由介质本身性质决定的量，称为声光材料的品质因数（或声光优质指标），它是选择声光介质的主要指标之一。从（20）式可见：（a）若在超声功率PS一定的情况下，欲使衍射光强尽量大，则要求选择M2大的材料，并要把换能器做成长而窄（即L大H小）的形式；(b)当超声功率PS足够大，使 达到 时， ；（c）当改变超声功率Ps时，I1/Ii也随之改变，因而通过控制超声功率PS（即控制加在电声换能器上的电功率）就可以达到控制衍射光强的目的，实现声光调制。 三、实验仪器 光学导轨，He-Ne激光器及电源，驻波声光调制器及其驱动源，可变光阑，声光调制器，透镜，观察屏，光强分布测量系统，光电接收器，示波器，支架若干。 四、实验内容与步骤 （一）超声驻波场中光衍射的实验观察 1．按照图7塔好光路； 2．开启激光电源，点亮激光器； 3．令激光束垂直于声光介质的通光面入射，观察屏上的光点，可观察到三个光点，它们分别由透射光以及声光介质两个通光面反射并进一步经激光器输出镜反射的光线形成，如图8所示，当此三个光点在观察屏上处于与声传播方向相同的一条直线上即可，这时可认为入射光已垂直于声传播方向。(但如果反射回来的光又进入激光器，会引起激光器工作不稳定。) 4．开启声光调制器驱动源，观察衍射光斑，同时调节阻抗匹配磁芯，令衍射最强，观察衍射光斑形状。 5．改变声光调制器的方位角，观察不同入射角情况下的衍射光斑。 【思考题】 为什么入射角增大衍射光斑数目减少? （二） 观察超声驻波场的像，测量声波的传播速度。 1． 在图9中移开透镜，重复实验内容(一)的步骤，令观察屏上的衍射光点最多。 2． 如图9安上透镜和光阑，改变透镜与调制器之间的位置，用光阑限定声光调制器前表面入射光斑的尺寸。 3． 当入射光充满通光面时，数出衍射条纹的数目N，利用下式计算声光介质中的声速Ⅴ。 V=df/2N 式中d=2.5mm 是光斑直径， f=10MHz为超声波的频率。 【思考题】 推导声速测量公式。 （三） 超声驻波衍射光强的测量  衍射效率 1． 如图10搭好实验仪器，重复实验内容（一）的步骤，令观察屏上的衍射光点最多。 2． 移开观察屏，用激光功率计测出入射光强 3． 利用光阑分别让0， 1， 2， 3…级衍射光打到激光功率计的光敏面上，测出各级衍射光的强度 ，衍射效率为 4． 改变驱动电压，测出对应的衍射效率，作出各级光的衍射效率与驱动电压的关系曲线。 （四） 衍射光强分布的测量 光栅常数 1、如图11搭好实验仪器，重复实验内容（一）的步骤，令观察屏上的衍射光点最多。 2、将光强分布测量系统置于导轨另一端。 3、用适当的光阑测量各点上的光强，绘出光强分布曲线。 4、读出声光调制器距光阑的距离。 5、利用光栅公式求出光栅常数。并与实验内容（二）进行比较，求出声波传播速度。 激光波长635nm。 （五） 衍射光强波形的测量 1． 重复实验内容（一）的步骤，令观察屏上的衍射光点最多。 2． 如图12，用光电接收器分别接收不同级衍射光，改变驱动功率，用示波器观察调制光强波形。 3． 分析驱动功率与衍射光强波形的关系。 【思考题】 试分析在什么条件下，衍射光强可获得最好的2倍声频调制？ 实验三  Nd：YAG激光器调腔实验 一、实验目的 1、 掌握固体激光器的装配和调试方法； 2、 熟悉脉冲固体激光器的主要性能； 3、 学会选取最佳输出耦合条件。 二、实验原理 1．Nd3+：YAG（掺钕钇铝石榴石）晶体的光谱及物化特性： Nd3+：YAG晶体是以钇铝石榴石晶体（简称YAG，分子式为Y3Al3O12）为基质，掺杂适量的三价稀土元素钕离子（Nd3+）构成的，其中Nd3+置换YAG中的部分钇离子（Y3+），晶体呈淡紫色。Nd3+是激活离子，从提高工作物质的增益来看，其浓度应越大越好，但由于Nd3+的半径（1.323 ）大于Y3+的半径（1.281 ），将Nd3+掺入YAG中有结构上的困难，其浓度过大会造成材料的缺陷，因此Nd3+的掺杂浓度通常严格控制在0.5%~1.5%。一般Nd3+的含量为1%左右（即100个Y3+中约有一个被Nd3+所取代），即Nd3+的密度约为1.38×1020cm-3。Nd3+：YAG属于立方晶体系，是各向同性晶体，在实际生产过程中是将Al2O3、Y2O3和Nd2O3按一定比例放入单晶炉中溶化，沿着籽晶[111]或[001]方向拉制而成的。Nd3+：YAG的物理和化学性质主要取决于YAG的性质，具有良好的导热性能和很大的硬度。 Nd3+：YAG的激活离子Nd3+的能级图如图1所示。在常态下4I9/2为基态， 4F7/2+4S3/2，4F5/2+2H9/2，4F3/2等为激发态，Nd3+处在4I11/2和4I13/2的离子数近于零。 Nd3+：YAG的吸收谱如图2所示。它有五条主要吸收带，这些吸收带的中心波长分别是0.53μm、0.58μm、0.75μm、0.81μm和0.87μm，其中0.81μm的吸收带较强。在各激发态中，Nd3+在4F3/2能级上的寿命较长（约230μs），称之为亚稳态，也是激光的上能级。Nd3+其余的激发态的寿命都很短，而不稳定，迅速地无辐射跃迁到4F3/2上，故在亚稳态上能够积累更多的粒子。在实现激光跃迁时主要有三条谱线：4F3/2→4I9/2的中心波长为0.946μm，4F3/2→4I11/2为1.064μm，4F3/2→4I13/2为1.32μm和1.34μm。4I11/2和4I13/2能级上的粒子很不稳定，很快驰豫到基态4I9/2上，故在4I11/2和4I13/2上的粒子数基本上为零。因此在4I3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2之间较容易实现粒子数的反转分布。其中1.06μm的荧光谱线最强，在激光振荡过程中由于粒子数竞争，4F3/2→4I11/2的跃迁几率最大，可以抑制其它谱线的振荡，这样就构成了激发态→亚稳态（激光上能级4F3/2）→激光下能级4I11/2的四能级系统。由于四能级系统的激光下能级通常是空的，故上能级只要有少量的粒子就可达到粒子数的反转分布状态。因此，四能级系统的激光振荡阈值较三能级系统低很多。 2．固体激光器基本结构　 本实验所用的实验装置如图3所示，其中Nd3+：YAG激光器为长脉冲固体激光器，主要包括如下三个部分： （1） 工作物质　 本实验选用Nd3+：YAG激光晶体棒为工作物质。为了保证激光器的高效稳定运转，所用Nd3+：YAG激光棒应具有如下特性： ? 光学均匀性好，无气泡、条纹等； ? 两端面的平行度误差小于10″，端面平面度小于1/2光圈； ? 棒的侧面要打毛以利于均匀吸收泵浦光的能量和减少寄生振荡； ? 两端面镀增透膜，以防自激振荡的产生； ? 棒的长度与直径之比在10：1~20：1之间选取 图1        Nd3+：YAG晶体的能级结构 图2  Nd3+：YAG晶体在300K时的吸收谱 图3 长脉冲Nd3+：YAG激光器装置示意图 （2） 激光谐振腔　 通常选用平行平面腔，它是由两个镀有干涉介质膜层的光学玻璃片（也称为膜片或腔镜）组成的，其中一个腔镜是全反射镜，镀1.064μm的全反射膜（反射率应大于99.9%），另一个膜片镀对1.064μm的光有一定反射率的部分反射镜。对镀膜的玻璃基片的光学要求与对激光棒的精度要求相同，其形状和大小可根据使用要求而定。平行平面腔可以看作是曲率半径为无穷大的球面腔，满足g1g2=1，属于介稳腔。平行平面腔的特点是调整精度高、模体积大，需要仔细调整激光谐振腔。 （3） 泵浦源系统　 泵浦源系统的作用是为工作物质达到粒子数反转分布提供必要的能量，并控制激光器按使用要求正常运转。它主要由泵浦光源、聚光腔和电气系统组成。 目前常用的泵浦光源有惰性气体灯（氙灯、氪灯）、卤化物灯、半导体激光器等。其中氙灯和氪灯不仅辐射强度和辐射效率高，而且具有较宽的发射谱带，并与Nd3+：YAG等吸收谱有较好的匹配，通常脉冲激光器选用氙灯，连续激光器则选用氪灯。半导体激光泵浦固体激光器是近年来发展起来的一种新型激光器件，其利用输出波长与激光晶体的某一吸收峰对应的半导体激光作为泵浦源，具有体积小、效率高的优点。对于Nd3+：YAG晶体，泵浦光波长一般选808nm。本实验中选用脉冲氙灯对激光棒进行泵浦，其一般由灯管、充入的气体和电极所构成，结构如图3所示。灯管是由耐高温、机械性能和透光性能好石英玻璃制做的。如果在石英玻璃中掺入适量的铈，还可吸收小于0.30μm的紫外光，并能产生0.40~0.60μm的荧光，可大大减小工作物质的热效应，提高泵浦效率。灯的电极通常是用钍钨、钡钨、铈钨等制成。灯管和电极之间用过渡玻璃直接封接或气泡封接，管内充入适量的氙气。 泵浦灯的工作过程是：先给贮能电容器充电至某一电压、此电压应大于灯的点火电压，小于其自闪电压。然后用一个万伏以上的脉冲高压触发之，使其内部气体电离，在灯两电极间的电场作用下，正负离子沿相反方向做加速运动，又激发和电离其它原子，进而形成雪崩式电离。灯内的阻值瞬间由原来的无穷大突然变得很小，造成导电通道，贮能电容器通过灯管内放电，使灯发出闪光。灯的触发方式有两种：外触发式――脉冲高压通过绕在灯管上的触发丝来触发泵浦灯；内触发式――脉冲高压直接通过灯的电极来触发泵浦灯。为了提高转换效率和泵浦灯的使用寿命，常采用预燃或准预燃方式。预燃式电源的结构如图4所示。 图4    预燃式电源原理示意图 电气系统的作用是为光泵提供能量，控制整机按要求正常运转，其主要部分就是贮能电容器的充、放电回路和触发电路，或再加上控制回路、乃至预燃和调制电路等。在图4所示的预燃式电源中包括了充放电电路、预燃电路和触发电路，灯一经触发，它便可维持其小电流（约100~200mA）辉光放电。然后控制开关元件（通常采用可控硅）按要求重复工作，而不需要再行触发。此类装置必须配备冷却系统。 聚光腔的作用是将脉冲氙灯发出的，对工作物质激光上能级实现粒子数反转分布有贡献的光波，有效地会聚到工作物质上，以提高泵浦效率。本实验采用脉冲氙灯侧面泵浦激光晶体，因此对侧面泵浦所用的聚光腔作以简介。这种聚光腔的种类较多，如单椭圆柱面腔、双椭圆柱面腔、相交圆柱面腔和紧包腔等。为了提高聚光效率，在腔内反射面抛光后需镀上高反射膜层（如镀金、银、铝等金属膜），或采用具有高反射率的陶瓷或聚四氟乙烯。本实验装置采用聚四氟乙烯紧包腔。 3．激光器的运转特性　 在脉冲氙灯发出的泵浦光的作用下，Nd3+：YAG晶体被激发，可实现粒子数反转分布，并产生受激辐射。腔内产生的光子在激光器谐振腔的作用下往返得到放大，腔内光子数急剧增加。当腔内的增益能够补偿由于腔镜的透射、衍射及工作物质的吸收、散射等因素所造成的损耗时，就可以形成激光振荡。此条件称为激光器的阈值条件，或称为临界振荡条件。理论上可以推导阈值增益系数应满足如下条件： （1） 其中 为阈值增益系数，αi是腔内除去输出损耗外的其它腔内损耗系数，R为输出腔镜的反射率，l为工作物质的长度。可见，实现粒子数反转分布并不一定能形成激光振荡，还必须满足阈值条件。理论分析得到，四能级系统脉冲激光器的阈值能量为 （2） 其中VR为激活介质的体积；h为普朗克常数；νp为激光频率；ηL为电能转换为有效光能的效率；ηc为聚光腔的聚光效率；ηab为工作物质的吸收效率，η1是吸收能级向激光上能级无辐射跃迁的量子效率。可见，激光器的阈值能量与很多环节有关。 4．最佳输出耦合条件的选取　 所谓最佳输出耦合条件是指在一定输出能量的情况下获得最大激光输出的输出腔镜透过率条件。理论分析得出，最佳透过率Top应满足下式关系 （3） 可见，最佳透过率与工作物质的l, 腔内的总损耗αi，小信号增益系数G0(ν21)有关。但这些只是定性的分析，在实际应用中，除凭经验粗略选取外，必须通过实验来确定。在要求不严格的情况下，Nd3+：YAG的连续器件的透过率一般选为5%~20%，脉冲器件的透过率一般选为50%~80%。 5．固体激光器的模式匹配技术 图5是典型的平凹腔型结构图。激光晶体的一面镀泵浦光增透和输出激光全反膜，并作为输入镜，镀输出激光一定透过率的凹面镜作为输出镜。这种平凹腔容易形成稳定的输出模，同时具有高的光光转换效率，但在设计时必须考虑到模式匹配问题。 图 5 端面泵浦的激光谐振腔形式 如图 所示，则平凹腔中的g参数表示为： （4） 根据腔的稳定性条件， 时腔为稳定腔。故当 时腔稳定。 同时容易算出其束腰位置在晶体的输入平面上，该处的光斑尺寸为： （5） R1为平面，R2，L已知。由此可以算出 大小。 所以，泵浦光在激光晶体输入面上的光斑半径应该 ，这样可使泵浦光与基模振荡模式匹配，在容易获得基模输出。 三、实验设备 序号 名称 型号 技术指标 数量 附件 1 开关型脉冲 激光电源 250B 40×42×20 cm 1 含电源线、Q开关线、手动快门 2 水箱 DH-P1 52×41×62 cm 1 含电源线 3 激光器支架   70×25×25 cm 1 含四个底座 4 宽导轨 GCM-720202M 100×600 mm 1   5 窄滑块 GCM-720211M 135×40 mm 6   6 宽滑块 GCM-720212M 135×65 mm 1   7 四维调节架 GCM-250101M φ20 mm 1   8 二维调节架 GCM-081401M φ20 mm 5   9 激光输出镜   φ20 mm 2   10 YAG晶体     1 含闪光灯泵 11 能量计 LE-3 光谱响应范围 0.19-11μm、0-20μJ 分辨率 100μJ，不确定度 ±5% 1 含探头（传感器类型：热释电） 12 辅助激光器 HN250 2mW、1.5mrad、φ36×250mm 1 含激光电源 13 激光管夹持器 GCM-180201M   1   14 磁性表座 GCM-420101M   2   15 支杆 GCM-030112M L76 2   16 调节支座 GCM-030302M L 76 2   17 光阑 GCM-5701M   1               开关型脉冲激光电源技术说明： A、额定参数： （1） 输入电压：AC220V 允许±10%的波动 （2） 额定输出功率：250W （3） 适应负载：氙灯（单灯） （4） 输出电压调节范围：100～990V （5） 外观尺寸：360*370*180（mm） （6） 放电频率1、2、3、4、5（手动）  HZ B、前面板控制器示意图（图6）： 控制器按键排列顺序为： 自左起：  预燃  切换菜单  上加  下减  清零 C、后面板控制示意图(图7)： 1． 退压信号输出  -400V 2． 晶体高压      100～5000V 3． 电源输出保险  3A 4． 总控电源保险  10A 5． 手动开关  （屏蔽连接线） 6． 风道 7． 氙灯  正极 8． 氙灯  负极 9． 电源控制4芯接口：1、2脚为220V交流输出，3、4脚为水压开关 10.    电源输入（1.零线 2.火线 3.空脚 4.地线） 四、实验内容与步骤 1．激光器的装调 (1)连接好所有电缆（除晶体高压），插上电源插头，检查电源输出正极接线端子（POS）和负极接线端子（NEG）是否连接正确。确定水泵及其控制线连接完好。 (2)仔细调节与Nd:YAG激光器同轴的He-Ne激光器，使He-Ne激光通过激光棒两个端面中心，如图8所示。为了保证激光器的调整精度，He-Ne激光器应距Nd：YAG激光器2米以上。若He-Ne激光器不与实验台平行，则需首先调整He-Ne激光器的高低和俯仰并使其水平。 (3)将全反射和输出镜分别装在调整架上，调节各自的调整架，使He-Ne光束尽量通过两腔镜的中心，并使He-Ne光束由全反镜、激光晶体和输出镜反射后到达He-Ne激光器上的三个反射光点重合。 (4)检查激光器的电源与激光头之间以及激光头和水箱之间的连接是否正确以及激光电源的多圈电位计逆时针旋至最小。一切检查无误后打开激光电源的钥匙开关，检查水冷系统工作是否正常。 (5)在水冷系统正常工作的前提下，按下激光器预燃开关，预燃指示灯亮。按下激光器启动开关，“START”键亮。顺时针方向旋转可变电位器，此时可以看到激光电源显示的电压值逐渐变大。当激光电源显示电压值达到500V时，用感光相纸在激光器输出镜后接光斑。若此时没有激光输出，继续增大激光电源电压。若激光电源电压增大至850V时仍无激光输出，需要再次微调激光器的全反镜和输出镜（微调！），至使输出激光在感光相纸上打出光斑。 (6)在激光器输出激光后，继续微调激光器的全反镜和输出镜，直到打到相纸上的激光光斑均匀、圆整，然后减小激光器电压至激光器刚能出光，此时注入的泵浦能量为激光器的阈值能量。 输出镜      激光晶体        全反镜                    He-Ne激光器 图8  激光器光路调整示意图 2．激光器输出输入曲线的测定： (1) 在激光谐振腔调整完成后，开始测量激光器的输出输入曲线。将激光电源工作状态设定为单次工作，并在激光器输出光路上放置激光能量计。 (2) 改变激光电源电压，分别测量激光电源电压为500V、600V、700V、800V和900V时的输出能量值（若时间允许，可间隔50V测量）。每个电压处测量3次并取输出能量的平均值作为输出能量值。 (3) 绘出激光器的输入电压－输出能量曲线，或输入能量输出能量曲线（激光器充电电容为100μF）。 3．最佳透过率的测定 (1) 保持激光晶体和全反镜不变，取下输出镜膜片，并换用另一种透过率的输出镜膜片，按上述实验步骤将激光器调整到最佳输出状态（主要是微调输出镜）。改变激光电源的电压，测量激光电源电压为500V、600V、700V、800V和900V时的输出输入曲线。利用同样方法可以测量激光器在其它输出镜透过率情况下的输出输入曲线。 (2) 根据步骤(1)的实验结果，当激光器的输入能量（输入电压）在某一固定值的情况下，激光器的输出能量有一最佳值。分析不同输入电压情况下的最佳透过率。 (3) 关机顺序为：先把手动开关断开，关掉预燃，最后关电钥匙。 五、实验中注意事项： 1、本实验输出的激光为高峰值功率脉冲激光，做本实验前必须佩戴防护1064nm激光的防护眼镜。 2、任何情况下严禁直视激光光路或直视激光器的反射光路，以免激光损伤人眼。 3、严禁用手直接触摸氙灯电极以及激光电源的输出线，以免触及高压放电回路造成人身伤害。 实验四  Nd：YAG激光器调Q实验 一、实验目的 1、了解利用晶体线性电光效应实现激光调Q的原理； 2、熟悉主动和被动调Q固体激光器的结构，并掌握其调试技术； 3、了解电光晶体的开关效率和延迟特性； 3、掌握调Q激光器输出能量、脉冲宽度的测量方法。 二、实验原理 调Q技术是获得短脉冲高峰值功率激光输出的重要方法。一般情况下，自由运转的脉冲激光器输出的激光脉冲的脉宽在几百μs～几ms之间，峰值功率也较低。为了获得高峰值功率的激光输出，人们发明了调Q技术。 1、激光器调Q的概念  激光器的Q值又称品质因数，是表征激光谐振腔的腔内损耗一个重要参数，其定义为腔内贮存的能量与每秒钟损耗的能量之比： （1） 式中 为激光的中心频率。 假定腔内贮存的激光能量为E，光在腔内走一个单程能量的损耗率为 ，则光在一个单程中对应的损耗能量为 。如果谐振腔长度为L,，则光在腔内走一个单程所需时间为nL/c, 其中n为折射率,c为光速。因此光在腔内每秒钟损耗的能量为 ，Q值可表示为 （2） 式中 为真空中激光波长。由公式（2）可知，Q值与损耗率成反比变化，即损耗大Q值就低，损耗小Q值就高。 由于固体激光器存在弛豫振荡现象，产生了功率在阈值附近起伏的尖峰脉冲序列，从而阻碍了激光脉冲峰值功率的提高。如果我们设法在泵浦开始时使谐振腔内的损耗增大，即提高振荡阈值，使振荡不能形成，激光工作物质上能级的粒子数大量积累。当积累到最大值（饱和值时），突然使腔内损耗变小，Q值突增。这时腔内会像雪崩一样以极快的速度建立起极强振荡，在短时间内反转粒子数大量被消耗，转变为腔内的光能量，并在输出镜端输出一个极强的激光脉冲，其脉宽窄（10-6~10-9s量级），峰值功率高（大于MW），通常把这种光脉冲称为巨脉冲。由于调节腔内的损耗实际上是调节Q值，因此这种产生巨脉冲的技术被称为调Q技术，也称为Q开关技术。 谐振腔的损耗 一般包括有反射损耗、吸收损耗、衍射损耗、散射损耗和输出损耗等。用不同的方法去控制不同的损耗就形成了不同的调Q技术，如控制反射损耗的有转镜调Q技术和电光调Q技术，控制吸收损耗的可饱和吸收体调Q技术、控制衍射损耗的声光调Q技术、控制输出损耗的透射式调Q技术等。 本实验主要研究灯泵固体激光器的电光调Q技术，所用的Q开关利用晶体的电光效应制成，具有开关速度快、脉冲峰值功率高、脉冲宽度窄、器件输出功率稳定性较好等优点，是一种已获广泛应用的调Q技术。另外，本实验也简单了解可饱和吸收体调Q技术。 2、电光调Q的基本原理 （1）KDP晶体的纵向电光效应： 本实验所用的电光晶体为KDP晶体，属于四方晶系 晶类，光轴C与主轴z重和，未加电场时，在主轴坐标系中KDP晶体的折射率椭球方程为： （3） 其中no、ne分别为寻常光和异常光的折射率。加电场后，由于晶体对称性的影响， 晶类只有 、 两个独立的线性电光系数。 是电场方向平行于光轴的电光系数， 是电场方向垂直于光轴的电光系数。KDP晶体外加电场后的折射率椭球方程是： （4） 当只在KDP晶体光轴z方向加电场时上式变成： （5） 经坐标变换，可求出此时在三个感应主轴上的主折射率： （6） 当光沿KDP晶体光轴ｚ方向传播时，在感应主轴x’, y’两方向偏振的光波分量由于晶体在这两者方向上的折射率不同，经过长度为 的晶体后产生位相差： （7） 式中 为加在晶体z向两端的直流电压。 使光波两个分量产生相位差 （光程差 ）所需要加的电压为 （8） KDP晶体的电光系数 。对于 、KDP晶体的 左右。 （2）带起偏器的电光调Q原理 带起偏器的KDP电光Q开关是一种应用较广泛的电光晶体调Q装置，实验装置如图1所示。KDP晶体具有纵向电光系数大，抗破坏阈值高的特点，但易潮解，故需要放在密封盒子内使用。通常采用纵向方式，即z向加压，z向通光。 带起偏器的Q开关工作过程如下：Nd：YAG棒在氙灯的激励下产生无规则偏振光，通过偏振器后成线偏振光。若起偏方向与KDP晶体x（或y）方向一致，并在KDP上施加一个 的外加电场。由于电光效应产生的电感应主轴x’和y’与入射偏振光的偏振方向成45度角。这时调制晶体起到了一个1/4波片的作用，显然，线偏振光通过晶体后产生了 的位相差，可见往返一次产生的总位相差为 ，线偏振光经这一次往返后偏振面旋转了90度，不能通过偏振器。这样，在调制晶体上加有1/4波长电压的情况下，由介质偏振器和KDP调制晶体组成的电光开关处于关闭状态，谐振腔的Q值很低，不能形成激光振荡。 虽然这时整个器件处在低Q值状态，但由于氙灯一直在对YAG棒进行抽运，工作物质中亚稳态粒子数便得到足够的积累，当粒子反转数达到最大时，突然去掉调制晶体上的1/4波长电压。即电光开关迅速被打开，沿谐振腔轴线方向传播的激光可自由通过调制晶体，而其偏振状态不发生任何变化，这时谐振腔处于高Q值状态，形成雪崩式激光发射。 欲使带起偏器的Q开关得到理想的开关效果的关键之一是，必须严格保持偏振器的起偏方向与调Q晶体的x轴（或y轴）方向一致，以保证起偏方向与调Q 晶体的感应主轴x′、y′成45°角。简便的调试方法是，在KDP晶体加电压的状态下，转动起偏器和晶体的相对方位，直到激光不能振荡为止。 3、Cr4+:YAG被动调Q的工作原理 当Cr4+:YAG被放置在激光谐振腔内时，它的透过率会随着腔内的光强而改变。在激光振荡的初始阶段，Cr4+:YAG的透过率较低（初始透过率），随着泵浦作用增益介质的反转粒子数不断增加，当谐振腔增益等于谐振腔损耗时，反转粒子数达到最大值，此时可饱和吸收体的透过率仍为初始值。随着泵浦的进一步作用，腔内光子数不断增加，可饱和吸收体的透过率也逐渐变大，并最终达到饱和。此时，Cr4+:YAG的透过率突然增大，光子数密度迅速增加，激光振荡形成。腔内光子数密度达到最大值时，激光为最大输出，此后，由于反转粒子的减少，光子数密度也开始减低，则可饱和吸收体Cr4+:YAG的透过率也开始减低。当光子数密度降到初始值时，Cr4+:YAG的透过率也恢复到初始值，调Q脉冲结束。 三、实验设备 序号 名称 型号 技术指标 数量 附件 1 开关型脉冲 激光电源 250B 40×42×20 cm 1 含电源线、Q开关线、手动快门 2 水箱 DH-P1 52×41×62 cm 1 含电源线 3 激光器支架   70×25×25 cm 1 含四个底座 4 宽导轨 GCM-720202M 100×600 mm 1   5 窄滑块 GCM-720211M 135×40 mm 6   6 宽滑块 GCM-720212M 135×65 mm 1   7 四维调节架 GCM-250101M φ20 mm 1   8 二维调节架 GCM-081401M φ20 mm 5   9 激光输出镜   φ20 mm 2   10 主动调Q晶体   KDP 1 含Q开关电路 11 起偏器   φ20 mm 1   12 被动调Q晶体   Cr:YAG 1   13 YAG晶体     1 含闪光灯泵 14 辅助激光器 HN250 2mW、1.5mrad、φ36×250mm 1 含激光电源 15 能量计 LE-3 光谱响应范围0.19-11μm、0-20μJ 分辨率100μJ，不确定度 ±5% 1 含探头（传感器类型：热释电） 16 示波器   200M 1   17 光电探测器     1   18 激光管夹持器 GCM-180201M   1   19 磁性表座 GCM-420101M   2   20 支杆 GCM-030112M L76 2   21 调节支座 GCM-030302M L 76 2   22 光阑 GCM-5701M   1               四、实验内容与要求 1、 连接好所有电缆，插上电源插头，检查电源输出正极接线端子（POS）和负极接线端子（NEG）是否连接正确。确定水泵及其控制线连接完好。 2、 仔细调节与Nd:YAG激光器同轴的He-Ne激光器，使He-Ne激光通过激光棒两个端面中心，如图8所示。为了保证激光器的调整精度，He-Ne激光器应距Nd：YAG激光器2米以上。若He-Ne激光器不与实验台平行，则需首先调整He-Ne激光器的高低和俯仰并使其水平。 3、 将全反射和输出镜分别装在调整架上，调节各自的调整架，使He-Ne光束尽量通过两腔镜的中心，并使He-Ne光束由全反镜、激光晶体和输出镜反射后到达He-Ne激光器上的三个反射光点重合。 4、 打开激光电源的钥匙开关，检查水冷系统工作是否正常。确定无误后启动电源，在激光电源工作电压400V时反复仔细微调输出镜和全反镜，使激光输出最强，此时输出的激光称为静态激光。测量激光器的静态输出特性后关闭激光电源。 5、 如图1所示，将介质偏振片插入光路。再插入电光Q开关，调整电光Q开关的俯仰方位，使电光Q开关的反射像与激光晶体的反射像重合。打开激光电源的钥匙开关，检查水冷系统工作是否正常。确定无误后启动电源，仔细微调两块谐振腔片，使激光器静态激光输出最强。 6、 将激光电源改到关门状态进行关门实验。绕光轴转动电光Q开关使激光器输出最小，此时电光Q开关处于关门状态（低Q值状态）。 7、 将激光电源改到调Q状态，测量激光器的动态输出，此时输出的激光为调Q激光，也称动态激光或巨脉冲激光。反复重复上述过程，使激光器的输出最强。 8、 测量激光器的输出特性：改变脉冲泵浦能量，用能量计分别测量几组静、动态输出能量，并填入下表。 9、 将电光晶体和偏振片从激光谐振腔中拿走，加入Cr4＋：YAG被动调Q晶体，仔细调整Cr4＋：YAG被动调Q晶体的俯仰位置，使其反射光点与激光晶体反射光点重合，观察输出能量，微调调整架，使激光输出能量最大。 表1  激光器静态和动态输出 输入电压（V） 静态输出（mJ） 动态输出（mJ） 400     500     600     700     800     900     990           10、降低泵浦电压到零，然后从小到大缓慢增加，测量不同电压时激光器输出脉冲的平均能量。 11、安装光电探测器，取三个不同工作电压，分别测量输出脉冲的脉宽。 12、对不同工作电压下的输出脉冲进行对比，并作简要分析。 13、关机顺序为：先把手动开关断开，关掉预燃，最后关电钥匙。 五、思考题 1、分析电光调Q激光器的输出特性。 2、将电光调Q的测量结果与被动调Q的结果作比较。 六、实验中注意事项： 1、本实验输出的激光为高峰值功率脉冲激光，做本实验前必须佩戴防护1064nm激光的防护眼镜。 2、任何情况下严禁直视激光光路或直视激光器的反射光路，以免激光损伤人眼。 3、严禁用手直接触摸氙灯电极以及激光电源的输出线，以免触及高压放电回路造成人身伤害。 4、用光电探测器接收激光脉冲时，应多次衰减至极为微弱，以免打坏探测器。 实验五  Nd：YAG激光器倍频实验 一、实验目的 1、掌握激光倍频技术的基本原理； 2、了解影响激光倍频转换效率的主要因素。 二、实验原理 利用非线性晶体在强激光作用下的二次非线性效应，使频率为ω的激光通过晶体后变为频率为2ω的倍频光，称为倍频技术，或二次谐波振荡。 用非线性材料产生倍频激光的器件称为倍频激光器。一般把入射激光称为基频光，由倍频激光器出来的激光称为倍频光或二次谐波。 光学倍频来源于媒质在基频光波电场作用下产生的二阶非线性极化，当入射光很强时，入射光在晶体材料中感生的电极化强度P可能包含非线性项： P=X(1)E+X(2)E2 如果某点处入射光波表示为E=E0cosωt，则 可见，电极化强度中除了有直流成分外，还有频率为ω的基频和频率为2ω的倍频成分。与这些电极化强度成分相应，有基频极化波P（ω）和倍频极化波P（2ω），及其相应的基频次波幅射和倍频次波辐射，即E′（ω）和E′（2ω）。 通俗地说，极化强度中与光波电场二次方成比例的这一部分极化强度相当于存在一种频率为2ω的振荡电偶极矩。基频光波在媒质中传播的同时激励起一系列这样的振荡电偶极矩。它们在空间中的分布就好比一个按一定规则排列的偶极矩阵列，偶极矩之间有一定的相对位相。由于阵列中每个电偶极矩都要辐射频率为2ω的光波, 故偶极矩阵列的辐射应是这些光波互相干涉的结果。无疑，只当干涉是相互加强时才会有效地产生倍频光输出为此，阵列中各振荡电偶极矩间要保持恰当的位相关系 ，由此便产生了所谓位相匹配条件k(2ω)=2k(ω),它是产生光学倍频的重要条件,其中k(ω)和k(2ω)分别为基频和倍频光在媒质中的波矢。当这两个光波沿同一方向传播时，此条件转化为要求媒质中倍频光的折射率n(2ω)等于基频光的折射率n(ω)。 对于正常色散材料，倍频光的折射率n(2ω)总是大于基频光的折射率n(ω)，所以不可能实现相位匹配。对于双折射晶体，晶体内o光和e光的折射率不同，因此可以利用两束光的折射率不同来实现相位匹配。例如，对于负单轴晶体，在正常色散情况下，满足条件：ne（2ω）＞ne（ω）和n0（2ω）＞n0（ω），但o光的折射率面是球面，e光的折射率面是椭圆。则实验中可选择基频入射光以o光形式入射，使谐波光以e光形式出射，则当光波沿着与晶体光轴成θm角的特殊方向传播时，可以实现ne（2ω）=n0（ω），即实现相位匹配，θm称为匹配角。还可以用其它方法实现相位匹配条件。 当满足位相匹配条件时，倍频光功率密度正比于基频光功率密度的二次方，也正比于晶体作用长度的二次方。此外还与媒质的倍频系数（二阶非线性极化率）二次方成正比。 光学倍频可将红外激光转变为可见激光，或将可见激光转变为波长更短的激光，从而扩展激光谱线覆盖的范围。在激光技术中已被广泛采用。为得到波长更短的激光可用多级倍频。本实验中的倍频就是通过倍频晶体实现对Nd:YAG输出的1064nm红外激光的倍频，将其倍频成532nm的绿光。 目前已有许多种倍频晶体，且可达到相当高的倍频转换效率。对于近紫外、可见及近红外的基频光，常用的倍频晶体有磷酸二氢钾（KDP）、磷酸二氢铵（ADP）、磷酸二氘钾（DKDP）、砷酸二氘铯（DCDA）、砷酸二氢铯（CDA）等晶体，转换效率可高达30％～50％，其损伤阈值大。铌酸锂（LN）、铌酸钡钠、铌酸钾、α型碘酸锂等晶体，它们的二次非线性电极化系数大，而且LN、BNN等晶体的折射率对温度敏感，并且与色散效应的温度变化特性不同，可适当调节温度实现非临界匹配，它们适用于可见光区和中红外区（0.4μ-5μ）。LN在光照下易产生折射率变化，有光损伤现象；BNN的损伤阈值比LN高，但固熔区域较宽，组分易变动而导致光学均匀性变差，较难得到性能优良的大型晶体；铌酸钾不存在固熔区，有可能得到光学性质均匀的大型晶体；α型碘酸锂是水溶液生长晶体，能培养出光学质量好的大型晶体，且损伤阈值比BNN晶体高，缺点是不具有非临界匹配能力。对于中红外基频光,常用晶体为AgAsS、GdGeAs、Te、CdSe等，转换效率为5％～15％左右。 KDP晶体在1064nm光附近有高的有效非线性系数，导热性良好，非常适合用于YAG激光的倍频。KDP晶体属于负双轴晶体，对它的相位匹配及有效非线性系数的计算，已有大量的理论研究，通过KTP的色散方程，人们计算出其最佳相位匹配角为：θ=90°，φ=23.3°，对应的有效非线性系数deff=7.36×10-12V/m。 倍频技术通常有腔内倍频和腔外倍频两种。腔内倍频是指将倍频晶体放置在激光谐振腔之内，由于腔内具有较高的功率密度，因此较适合于连续运转的固体激光器。腔外倍频方式指将倍频晶体放置在激光谐振腔之外的倍频技术，较适合于脉冲运转的固体激光器。 倍频晶体  输出镜 小孔 Nd:YAG晶体 偏振片  电光晶体 全反镜  He-Ne激光器 图1  电光调Q Nd:YAG激光器腔外倍频原理图 三、实验设备 序号 名称 型号 技术指标 数量 附件 1 开关型脉冲 激光电源 250B 40×42×20 cm 1 含电源线、Q开关线、手动快门 2 水箱 DH-P1 52×41×62 cm 1 含电源线 3 激光器支架   70×25×25 cm 1 含四个底座 4 宽导轨 GCM-720202M 100×600 mm 1   5 窄滑块 GCM-720211M 135×40 mm 6   6 宽滑块 GCM-720212M 135×65 mm 1   7 四维调节架 GCM-250101M φ20 mm 1   8 二维调节架 GCM-081401M φ20 mm 5   9 激光输出镜   φ20 mm 2   10 主动调Q晶体     1 含Q开关电路 11 起偏器   φ20 mm 1   12 YAG晶体     1 含闪光灯泵 13 倍频晶体   KTP 1   14 能量计 LE-3 光谱响应范围 0.19-11μW、0-20μJ 分辨率 100μJ，不确定度 ±5% 1 含探头（传感器类型：热释电） 15 辅助激光器 HN250 2mW、1.5mrad、φ36×250mm 1 含激光电源 16 激光管夹持器 GCM-180201M   1   17 磁性表座 GCM-420101M   2   18 支杆 GCM-030112M L76 2   19 调节支座 GCM-030302M L 76 2   20 光阑 GCM-5701M   1               四、实验内容与要求 1、如图1所示，仔细调整He-Ne激光束使其与光学导轨平行。 2、将Nd:YAG激光器装到导轨上，使He-Ne激光束通过Nd:YAG晶体前后表面中心，并使其前后表面的发射像与He-Ne激光束重合。 3、如图1所示，将输出镜和全反镜放置光学导轨上，调整它们的俯仰方位，使输出镜和全反镜的工作面与Nd:YAG晶体的反射像重合。 4、打开激光电源的钥匙开关，检查水冷系统工作是否正常。确定无误后启动电源，在激光电源工作电压400V时反复仔细微调输出镜和全反镜，使激光输出最强，此时输出的激光称为静态激光。测量激光器的静态输出特性后关闭激光电源。 10、 如图1所示，将介质偏振片插入光路。再插入电光Q开关，调整电光Q开关的俯仰方位，使电光Q开关的反射像与激光晶体的反射像重合。打开激光电源的钥匙开关，检查水冷系统工作是否正常。确定无误后启动电源，仔细微调两块谐振腔片，使激光器静态激光输出最强。 11、 将激光电源改到关门状态进行关门实验。绕光轴转动电光Q开关使激光器输出最小，此时电光Q开关处于关门状态（低Q值状态）。 12、 将激光电源改到调Q状态，测量激光器的动态输出，此时输出的激光为调Q激光，也称动态激光或巨脉冲激光。反复重复上述过程，使激光器的输出最强。 8、 关闭激光电源，在激光输出镜的外面插入KDP晶体，仔细调节KDP倍频晶体的上下左右位置，使He-Ne激光束通过KDP倍频晶体的中心。仔细调节KDP倍频晶体的俯仰方位，使其发射光点与激光晶体的反射光点重合。 9、 打开激光电源，使激光器输出调Q 巨脉冲。在激光泵浦电压是400～500V的情况下，可看到激光器输出532nm的绿色激光。绕光轴旋转KTP晶体，使激光器输出532nm的绿色激光最强。 10、关机顺序为：先把手动开关断开，关掉预燃，最后关电钥匙。 五、思考题 在本实验中，可采用什么方法将倍频光从基频光中分离出来？ 六、实验中注意事项： 1、本实验输出的激光为高峰值功率脉冲激光，做本实验前必须佩戴防护1064nm和532nm激光的防护眼镜。 2、任何情况下严禁直视激光光路或直视激光器的反射光路，以免激光损伤人眼。 3、严禁用手直接触摸氙灯电极以及激光电源的输出线，以免触及高压放电回路造成人身伤害。 实验六  氦氖激光器调腔及其性能研究实验 一、实验目的 1． 了解He－Ne激光器的结构和工作原理； 2． 掌握He－Ne激光器的调谐技巧； 3． 研究He－Ne激光器的工作电流、腔长、腔型与其输出特性的关系。 二、实验原理： 氦氖激光器因激光管中充有按一定比例混合的氦气和氖气而得名。输出633nm的红色激光是由氖原子的两个激发态之间的受激辐射产生的。氦原子作为一种辅助气体，在将氖原子激发到高能级并实现两个能级间的粒子数反转起着重要作用。 氦原子核外有两个电子，当受到电子碰撞激励时，使一个电子激发，原子被激发到2S能级，由于这个能级与基态之间的跃迁是禁戒的，所以这是个亚稳能级，寿命比较长。这些处于亚稳态的氦原子又与氖原子相互碰撞，使能量转移，将氖原子激发到3S能级上（这是一种共振能量转移过程。）氖原子的3S能级也是一个寿命较长的亚稳态，而氖原子的2P能级的寿命很短，在此能级上的氖原子会通过自发辐射迅速地跃迁至1S能级，再通过与毛细管壁的碰撞回到基态。从3S至2P能级间的跃迁，将发出波长为633nm的光波。系统中的原子通过这样一系列的相互作用，实现了氖原子3S能级与2P能级之间的粒子数反转。这就为光的放大创造了条件。 三、实验仪器 1、光学导轨：1000毫米                                                    一根 2、准直光源：二维可调半导体激光器， 650纳米 3.5毫瓦（含~220伏电源）      一个                                                                  3、小孔光阑屏：                                                            一个 4、激光管调整架： 由两个二维调整架组成，可完成4个自由度的调整    一个 5、半内腔氦氖激光管：波长633nm，最大输出功率≥2mW  （硬封长寿命管）    一个                                                                                                                                                      6、激光电源：    稳流，电流可调，范围4-8mA                              一个 7、二维膜片架：  精密细牙调整螺钉（含硬膜膜片）                         一付                                                                                8、激光功率指示计：型号（OPT-IA），3位半数字表头，测量范围（200微瓦、2、20、200毫瓦、可调档），含探头，含半导体激光电源。                              一套 9、显示屏：      80毫米X100毫米                                          一块 10、可调损耗组件：三维可调                                                一套 11、F-P扫描仪干涉仪：含高容量锯齿波发生器和F-P探头                    一台 12、示波器：Tek，型号（TDS 2022B）                                        一台 四、实验内容与步骤 1、激光器的安装与谐振腔的调谐： 搭制实验光路，用一束半导体激光对系统进行准直，调整半内腔激光器的反射镜，使反射镜尽量垂直于毛细管，减少光在腔内的传输损耗，产生激光。观察反射镜失调对激光的影响。 （A）激光器的安装 1） 将导轨放置在一个稳定坚固的平台上。 2） 将He-Ne 激光器及四维调整架放置在导轨的一端，布氏窗朝向导轨的另一端，锁紧滑块上的两个螺钉，使激光器与导轨紧固连接。 3） 将半导体激光器（LD）及二维调整架放置在导轨的另一端，激光束指向He-Ne激光器，锁紧滑块上的螺钉，将半导体激光器固定在导轨上，并将电源线插入功率指示计上LD插孔。 4） 紧靠LD放置小孔光阑屏并锁紧滑块上的螺钉。 5） 在小孔光阑屏与He-Ne激光器之间放置一个滑块用以放置He-Ne激光器的反射镜。 6） 将He-Ne激光器的高压电源线与He-Ne激光器的电源可靠连接。 7） 在确定He-Ne激光电源开关处于“关”状态后，将功率指示器和激光电源与220V电源相连。 (B)激光器的调试 激光器的调试主要是调整He-Ne激光器与反射镜的相对位置关系，只有当谐振腔的两个反射镜均以激光器毛细管相垂直时，激光才有可能产生，本实验的调试过程主要是用一束半导体激光作为基准，用自准直的方法使激光谐振腔达到谐振条件，产生He-Ne激光。 本实验装置采用半内腔结构，一个全反射镜与激光工作物质构成一体，并在出厂前已调至同毛细管垂直。 1） 打开功率指示计的电源，LD发出激光。 2） 调整LD的高度和方向，同时调整小孔屏的高度和位置，使通过小孔的激光可打在He-Ne激光器的布氏窗中心区域。 3） 前后滑动小孔屏，并注意光斑在布氏窗上的位置，并反复调整LD和小孔光栏屏方向和位置，以使小孔屏在前后滑动的过程中，光斑始终位于布氏窗片的中心区域。这时LD激光束基本上与导轨平行，我们将以这条激光束作为基准来调整谐振腔。在实验过程中这个基准不应再变动。 4） 通过激光器的玻璃外壳，我们会看到这束LD激光是否进入了毛细管（这时 He-Ne激光器光源应处于“关”状态，以便于观察）。调整布氏窗这端的二维调整架，使LD光束进入毛细管，这时我们应可在小孔光阑屏上看见从He-Ne激光管的另一端反射镜反射回来的光，一般为环形，尽量使之明亮。 5） 反复调整He-Ne激光管前后端的两个二维调整架，小孔光栏屏上的反射光的强度和形状也随之变化，尽量使这个环形光斑变小、变强并成为一个亮点重合于小孔。此时可认为毛细管基本与LD激光束（基准）相重合，全反射镜与LD激光束垂直。 6） 在He-Ne激光器与小孔光阑屏之间的滑块上，装置He-Ne激光器的另一个反射镜和二维精密调整架，调整反射镜架的高度使LD光斑落在反射镜的中心位置上，锁紧反射镜架和滑块。 7） 调整反射镜架上的两个调整螺钉，使该反射镜反射回小孔屏上的光斑落于小孔中心。 8） 用脱脂棉和丙酮擦拭布氏窗（视清洁程度而定，不必每次都做）。 9） 打开He-Ne激光电源，激光管亮。调整电流到5.5mA左右。（不可过大以免损坏激光管和电源）。 10） 这时应有He-Ne激光输出。如没有，请仔细调整反射镜上的两个调整钉，直到有He-Ne激光输出为止。 11） 将功率计探头放入光路，探测He-Ne激光器的输出功率，反复仔细的微调反射镜上的两个调整螺钉，以使功率达到最大。激光腔的调试即告完成。 2、 He-Ne激光器输出功率与电流的关系曲线的测定 1） 如前所述，调好激光器使输出功率最大。 2） 将He-Ne激光器泵浦电源的电流调至最低，将功率指示器探头置于He-Ne激光器输出端。 3） 逐步等间隔改变工作电流，记录相应电流下He-Ne激光器的输出功率（注意在大电流时，工作时间不可过长。） 4） 作出输出功率与电流的关系曲线，总结其规律。 3、 腔长对He-Ne激光器输出特性影响的研究 1） 松开反射镜架滑块上的螺钉，移动反射镜，在适当位置上重新锁紧，以改变谐振腔的腔长和腔型。 2） 重复谐振腔调整中的必要步骤，并观察不同位置时光斑的形状、大小，光束的发散角、功率、纵模（使用F-P扫描干涉仪）和增益曲线，以了解腔长、腔型和横模、纵模、光斑直径、发散角、功率、阈值等之间的相互关系。 五、思考题 1、影响He-Ne激光器输出功率的主要因素有哪些？ 2、理论分析腔长对激光横模、纵模、发散角、输出功率、阈值的影响。 六、实验注意事项 1． 在打开激光电源前，必须确认高压插座可靠的与激光管连接，激光电源严禁开路使用。 2． He-Ne激光器的阳极带有几千伏的高压，请注意安全！！！ 3． 激光管为玻璃结构，易碎，特别是布氏窗结构，由多种玻璃构成，应避免受力和碰撞。 4． 激光膜片是非常易损的光学元件，应绝对避免人手的触摸和刮蹭，必要的清洁请使用专用长丝棉或脱脂棉蘸少许干净的乙醚或丙酮轻轻擦拭。