激光原理实验.docx

1、激光原理实验激光原理实验激光安全须知实验一 Nd3+:YAG激光器的安装与调试实验二 Nd3+:YAG激光器参数测量实验三 高斯光束远场发散角测量实验四 氦氖激光器模式测量实验五 电光调Q脉冲YAG激光器实验六 KTP晶体倍频YAG激光器实验七 YAG激光放大器激光安全须知1 大功率调Q脉冲激光装置所在地应有明确标志，非实验人员不得进入激光工作区域。2 不可直视激光束(迎着激光束射来的方向看)和它的反射光束，不允许对激光器件做任何目视的准直操作。3 对于不可见的红外激光束，实验者更应了解实验的光路布局，并避免使自己的头部保持在激光束高度所在的水平面内。4 实验区域内不应存在任何带有闪亮表面的物

2、体。实验者应从身上除去此类饰物、手表与徽章等。5 不可在有激光照射的情况下移动任何反射镜、光阑、能量汁探头和光谱仪器等。6 不允许将激光束瞄准任何人体、动物、车辆、门窗和天空等。对于由此而带来的对目的物的伤害，操作者负有法律责任。7 不得在未停机或未确认储能元件均已放电完毕的情况下检修激光设备，避免造成电击伤害。实验一 Nd3+:YAG激光器的安装与调试一、实验目的1、 通过对Nd3+:YAG激光器的安装与调试熟悉固体激光器的结构和工作原理。2、 学会调整光学谐振腔的基本方法。3、 要求将激光器调整到有最佳输出状态。二、仪器设备YAG棒：680mm 脉冲氙灯：680mm 半反镜透过率：T=80

3、%谐振腔长：500mm 储能电容：100F 聚光腔： 1个 激光电源： 1台水冷设备： 一套 光学平台及支架： 一套 黑相纸：若干 红光LED指示光源光源： 一支 小孔光阑：一个三、实验原理1、 固体激光器基本结构YAG 棒 图1、固体激光器基本结构固体激光器主要由工作物质，激励源和光学谐振腔三部分组成，其结构如图1。本实验用激光器，工作介质680mm，泵灯为脉冲氙灯，尺寸为780mm，聚光腔采用镀银金属腔。聚光腔的作用是使光泵发出的光更有效地集中照射到工作物质上，从而提高激光器的总体效率。储能电容c=100F。谐振腔为平行平面腔，一块全反镜，一块输出镜，反射率R=20%。激光器工作时两镜面要

4、严格平行，且与工作介质轴线严格垂直。激光器分单脉冲和重复脉冲两种输出方式，重复频率1次/秒10次/秒可调。2、 工作物质Nd3+:YAG激光器的工作物质是一种人工晶体。它的基质是钇铝石榴石，其分子式为：Y3AL5O12，Nd3+是掺杂离子，起激光作用的正是Nd3+离子，它的能级结构如图2所示。这是一个四能级结构，在光泵作用下，处于基态E1的大量粒子被抽运到E4能级，E4能级有两个吸收带，吸收峰分别为0.81m和0.75m。由于E4能级寿命很短，约10-8s，因而很快弛豫到E3能级。E3能级是个亚稳态，寿命在10-310-4s，因而可大量积累粒子，结果在E3与E2之间形成了粒子数反转分布，构成了

5、产生光放大的必要条件。E3粒子向E2跃迁，辐射32=（E3-E2）/h频率的光子。经谐振腔反射镜反射，沿轴向的光子返回工作介质中，由于粒子数反转的形成，这些光子与E3能级粒子作用，将产生受激辐射，受激辐射的光子与入射光子频率相同，方向相同，偏振态相同，因而使腔内同频同方向光辐射增强。在光泵的持续作用下，该光束来回通过工作介质，不断增强，最终形成激光输出。 图2、Nd3+离子能级图3、 光泵 光泵是固体激光器的重要组成部分。本实验为脉冲激光器，因而采用脉冲氙灯作为光泵。它亮度高，结构简单，可以单次闪光也可以重复闪光。脉冲氙灯是在石英管内充有一定压力的氙气，工作于弧光放电状态的一种光源。工作时，与

6、电极两端连接的储能电容上充有直流高压，当一上万伏的高压脉冲触发时，可使灯管内的气体击穿电离，形成放电通道，电容中的能量开始向通道内释放，形成弧光放电。随着放电过程的进行，电容中储存的能量越来越小，经过一段时间后，当电容中的能量不足以维持弧光放电时，放电逐渐熄灭。脉冲氙灯放电的伏安特性表明它是一种非线性过程。常用的回路有电感、电容放电回路和仿真放电网络等。氙灯闪光时间与时间常数T=(LC)1/2有关，L、C分别为回路的电感量与电容量。电感的加入限制了放电电流的上升率，并使放电电流的峰值下降，因此对氙灯有保护作用。但电感量过大，放电前沿过于缓慢，会影响工作物质上能级粒子数的积累过程，因而也就影响激

7、光器的输出能量和功率，严重时会导致没有激光输出。V1-+R图3、脉冲氙灯电源电路原理图图中直流高压电源通过限流电阻R向储能电容充电。若储能电容器的容量为C0，充电电压为V，则电容器所储存的能量为： E=(1/2)C0V2 （1） 由于C0上的充电电压低于氙灯的自闪电压，氙灯不会自行闪光，需要外触发来加以引导（外触法电压一般都在万伏以上）。 图中，直流电源V1通过电阻r对电容C1充电，充电电压等于直流电源的电压V1，当一正脉冲电压信号加到可控硅的控制极时，可控硅导通，于是电容器C1对地放电，脉冲变压器T的初级绕组内有电流通过，这时在次级绕组内感应出万伏以上的脉冲高压信号加到氙灯的玻璃管（或聚光腔

8、）上,高压触发使氙灯内氙气电离击穿，形成放电的细火花沟道，这时C0通过氙灯放电，该火花沟道迅速发展成电极间主放电，放电电流增长率很高，氙气受到强烈的电激励而发出眩目的强闪光。4、 自由振荡固体激光器的输出特性自由振荡固体激光器输出激光脉冲的特点是具有尖峰结构，它由一连串不规则振荡尖脉冲组成。泵浦功率越高，窄脉冲之间的时间间隔越小，脉冲个数越多。一般地说，各个窄脉冲的持续时间为0.11.0s，各窄脉冲之间的间隔为510s左右。这种现象被称为弛豫震荡效应，其产生机理可定性地作如下解释：当粒子反转数n达到并超过阈值时，开始产生激光。随着受激辐射的增强，粒子反转数n逐渐下降，当降到阈值时，激光脉冲达到

9、峰值。当n小于阈值时，增益小于损耗。所以光子数减少，光强下降。但随着光泵的继续激励，粒子反转数又重新增加，当达到阈值时，又产生第二个尖峰脉冲。在整个脉冲氙灯泵浦时间内，这种过程反复发生，形成一个尖峰序列。光泵功率越大，尖峰形成越快，尖峰脉冲时间间隔也越小。通过求解速率方程，对这种现象可以作近似的数学描述。（详见教科书）。四、实验内容1、 熟悉Nd3+:YAG激光器的结构，仔细观察激光器主要部件的结构（聚光腔、反射镜调节架、灯和棒的支架、水冷系统等）。2、 将脉冲氙灯和介质棒分别插入端盖上两孔内，支架于聚光腔内。注意在结合部位用橡皮垫圈密封，并用压紧螺圈压紧橡皮垫圈，即达到使灯和棒固定的目的，又

10、起到了密封水的作用。3、 安装好聚光腔，装上氙灯接线柱。将氙灯两极与电源接上。4、 安装好反射镜与指示光源。5、 调节LED指示光源，使其与介质棒轴线重合。6、 分别调节两块反射镜支架上的螺钉，使镜面反射光点从小孔返回。7、 打开电源锁，这时水冷开始工作。按下予燃按钮，灯亮；再按下工作电压按钮，灯亮；调电压至900V左右（不能超过1000V），这时应该有激光输出，但很弱。8、 将重复频率调至1次/秒，分别仔细调整两块反射镜调节螺钉，使输出脉冲达最强。五、思考题1、当指示光源与介质棒不同轴时，怎样调整才能使其尽快同轴？2、为什么在安装时强调两反射镜介质膜面要朝向YAG棒？实验二 Nd3+:YAG

11、激光器参数测量一、实验目的通过对阈值和转换效率的测量，学会能量计的使用，进一步理解激光器能量转换的环节，输入对输出的影响，以及谐振腔对激光输出的控制作用。二、实验仪器设备YAG多功能激光实验系统： 一台 LE-1B型能量计：一台 三、实验原理1、阈值前面提到，当激光工作物质中大量Nd3+吸收氙灯光能跃迁到E3能级而形成E3与E2间粒子数反转分布状态时，就为产生激光创造了必要条件，但这还不一定能真正出激光，只有当光在谐振腔中来回反射，受激辐射使光在谐振腔中的增益大于损耗时，光在腔内才能形成振荡，才能出激光。所谓“阈值”就是在已确定的实验条件下，使激光器刚好能出激光，这时电源所提供给氙灯的最小能量

12、值。在实际应用中，总希望激光器的能量阈值低一些为好。为达此目的，就要选择量子效率高的激光工作物质；选择电光转换效率高的激励光源，设计聚光效率高的聚光腔，以及对光路进行仔细的调整以减小衍射、反射等损耗。2、转换效率激光器从电能输入到激光输出，这中间经过了许多转换过程。总的转换效率是电光转换效率，聚光效率、光谱匹配效率、输出耦合等效率的连乘积。因此，总效率是很低的。转换效率是衡量激光器性能的一个重要指标。当氙灯输入能量超过阈值时，激光器输出的激光能量随输入能量的增加而增加，输出能量增长的速率就取决于激光器的效率。激光器的能量转换效率，常采用以下两种表示方法;1)、绝对效率（以绝表示）： 绝= E出

13、/E入 （1）式中E出是激光器输出能量，实验中用激光能量计测出，E入是电源中储能电容器释放的能量。其计算公式为实验一（1）式。C0是储能电容器的电容量（单位为“法拉”，1法拉=106微法拉）。V是储能电容器两端的充电电压（单位为“伏特”）。实验中在C0一定的条件下，改变储能电容器的充电电压（比如从600V到900V，每50V为一间隔），则可测得一组E入和 E出，因而能求得每一对应点的绝；并可画出一条如图1所示的效率曲线。从图1可看出效率曲线并不通过坐标原点，且不是一条直线，这就是说，各点的效率是随输入能量变化而变化的。2）、斜率效率 斜 = （E出）A-（E出）B / （E入）A-（E入）B

14、（2）上式也是反映输出能量值随输入能量增长的速率，通常是在输出特性曲线的直线段部分取斜率效率。斜对某一确定的激光来说是一定的。图1、能量转换效率曲线四、实验内容1、阈值测定1）、按实验一所提供的调试方法和步骤调整好激光器。2）、将能量计探头对准光源。3）、打开能量计，档位先调到20j，调输出至最大。若最大输出小于2j，将档位换到2j。4）、将电压逐步调小，700V以下将调整间隔缩小，阈值附近要反复测量多次，取其平均值作为该激光器的阈值。2、转换效率的测量从阈值电压开始，每隔50V测量一次输入和输出能量值，直到输入电压增加到900V为止（电压不能超过1000V）。尔后将所测数据列成一表，并用小方

15、格纸绘制能量转换效率曲线图，从曲线的直线段部分求出斜。五、思考题1、本实验所测得的能量转换效率曲线为何不通过坐标原点，横坐标轴上的截距有何意义？实验三 发散角测量一、实验目的1、 了解高斯光束的空间分布特点。2、 掌握测量激光光束发散角的基本方法。二、实验仪器 He-He激光器：一支 透镜一个 LEP-1A型激光功率能量计：1台小孔光阑：一个 带刻度光学导轨：一个 支架：若干三、实验原理 图1、高斯光束经透镜的变换高斯光束经透镜变换，出射光束束腰半径： （1）该式可写为： （2）其中，F是入射在透镜前焦面上的光斑半径（见图1）， （3） （6）根据光路可逆原理，入射光腰腰斑半径与透镜后焦面光斑

16、半径的关系： （4） 因而，若测出后焦面光斑半径F，由式可算出入射光束束腰半径0，进而得到高斯光束的远场发散角： （5） 下面介绍F的测量。在透镜后焦面上高斯光束光强分布为： （6）后焦面处放一圆孔光阑，让光束通过光阑，光阑半径为a，则通过圆孔光阑的光功率与总功率之比为： （7）T称为功率透过率。测出Pa和P，加上a已知，便可由（7）式确定F，代入（5）式算得发散角。四、实验内容1、按实验原理设计好光路。2、按设计好的光路。将各个部件安放好。3、打开激光器，将光路中各元件调至同轴。4、将能量功率计的功率功能键按下，功率测量档位调至合适挡位，打开开关。5、测量加光阑与不加光阑时的输出功率，分别测

17、量五次，列表记录。6、求出发散角，并计算其绝对误差、相对误差。五、思考题1、欲再提高测量精度，还可从哪些方面改进？2、还有什么方法可以测量高斯光束发散角？实验四 氦氖激光器模式测量相对一般光源，激光具有单色性好的特点。也就是说，它具有非常窄的谱线宽度，可由一条或多条离散的、很精细的谱线构成。这些谱线就是激光器的模，每个模对应一种稳定的电磁场分布，即一个特定的光频率。对于激光，相邻两个模的光频率相差很小，因此需用分辨率较高的分光仪器来观测。当从沿光传播方向和垂直光传播方向两个角度去观测和分析每个模时，发现有许多不同的特征，为方便，每个模又可相应地称作纵模和横模。 在激光器的生产和应用中，常常需要

18、预先知道激光器的模式状况，如精密测量、全息技术需要基横模输出的激光器，而激光稳频和激光测距不仅需要单横模而且要求单纵模运行的激光器。因此激光模式测量非常重要。 本实验从几支氦氖激光的频谱结构入手，分析研究不同纵横模的场分布特征，并通过测量得出纵横模个数、频率间隔、模序数等参量。一、实验目的 1、了解激光模的形成及特点，加深对其物理概念的理解。 2、通过测试分析，掌握模式分析的基本方法。 3、通过实验，对共焦球面扫描干涉仪的原理、性能有足够的了解，并学会正确使用。二、实验仪器： HNMF 氦氖激光模式分析仪一台 光学平台一个三、实验原理1、激光的频率特性 我们知道，不同纵模对应不同的频率，那么，

19、同一纵模序数内的横模又如何呢？同样不同横模也对应着不同的频率。横模序数越大，频率越高。通常我们也不需要求出横模频率，关心的只是不同横模间的频率差。激光原理课程中指出，对稳定球面腔激光器，其模频率的数学表达式是： （1）式中，q为纵模序数，m、n为横模序数。R1、R2分别为两反射镜的曲率半径；L为腔长，n为工作物质的折射率。 当m=n=0时，称为基横模（TEM00）。当m（或n）0时，称为高阶横模。不同横模（m、n不同）对应不同的横向光强分布，既有不同的光斑图案。用目视方法和测量强度分布来分析横模结构，正是利用了不同横模之间强度分布的差异。不同横模（即m、n的取值不同）对应着不同的振荡频率。其频

20、率间隔为： （2）式中，m=mm; n=nn。利用这种频率差就可以精细地分析激光束的横模结构。可见，相邻横模间距为： （3）He-Ne激光器的谐振腔若是平凹腔，即R2=，这样，上式成为： （4）当R1=R2= L（共焦腔）时，则有： （5） 不同纵模对应不同的纵向光场分布，但这种分布肉眼是无法分辨的，只能根据不同纵模所对应的不同频率来分析纵模结构。纵模频率为： （6）而相邻纵模间的频率间隔为： （7）由上面分析可知，对于共焦腔纵模间隔是横模间隔的两倍。 2、共焦球面扫描干涉仪的工作原理及其性能指标(1)、结构原理 共焦球面扫描干涉仪是由两块镀有高反射膜、曲率半径等于腔长的反射镜组成的。它们的近

21、轴焦点重合，构成一共焦系统。两块反射镜中一块固定不动，另一块固定在压电陶瓷环上，压电陶瓷环的长度变化与其上所加电压成正比。当压电陶瓷环用一定幅度的锯齿波电压调制时，腔长作微小变动，变化量是波长的数量级。R1 图1、共焦球面扫描干涉仪光路图如图1光在干涉仪内反射四次构成一闭合回路，因而相邻两束光的光程差为： (8)当4L=k（k为正整数）时，干涉仪对入射光有最大透射率。当改变干涉仪腔长时，对应的最大透射频率发生改变。因而我们可以观察到光谱扫描。（2）、性能指标 a、自由光谱区 由式可知，干涉仪的谐振波长是反射镜间隔 L的周期线性函数，当间隔L变化时，波长为的模可再次通过干涉仪，即干涉图形改变一个

22、干涉级次，若对上式微分，并取，即可得波长的变化范围为： (9) 因为，若以频率表示，则频率的变化范围为： （10） （或F）称为干涉仪的“自由光谱区”。若干涉仪置于空气中，则折射率，则由L决定。它表征当L改变使得干涉图形变化一个级次时，所包含的频谱范围。在模式分析实验中，由于我们不希望出现两种不同的模被同时扫出，故选用扫描干涉仪时，必须首先知道它的和待分析的激光器的频率范围，并使，才能保证在频谱上不重序，腔长与模的波长或频率间是一一对应的关系。 b、仪器带宽（）和分辨率（） 仪器带宽有时也叫分辨极限（以表示）是干涉仪透射峰的频率宽度，即干涉仪能分辨的最小频率差，等于谱线的频率半宽度。 对于波长

23、为的光，光谱仪器（对干涉仪也同样适用）定义的分辨率是分辨极限和波长的比值： （11） 一般来说，反射镜的反射率越高，调整的精度越高，腔内损耗越小，则分辨率越高或说带宽越小。为了分辨相隔甚近的谱线，要求干涉仪有足够小的透过率带宽。c、有效精细常数（） 在干涉仪中常用的一个性能指标是有效精细常数以表示。它的定义是：干涉仪的“自由光谱区”（，或）与分辨率极限（也叫仪器带宽）的比值：，或 （12）上式表征在自由光谱区内可分辨的光谱单元的数目（谱线数目）。 实际上精细常数要受到反射镜加工质量。仪器的工作孔径以及仪器的调整精度等多方面因素的影响。扫描干涉仪的实际精细常数是靠实验测定的。四、实验装置 实验装

24、置如图二所示 图2、实验装置示意图实验装置的说明 本实验使用两支具有不同模式的HeNe激光器，以便了解不同模式状况，从中学习模式分析的基本方法。实验用扫描干涉仪是利用压电陶瓷环驱动一块镜片，使镜片在轴线方向作微小的周期性振动，从而使各个激光模式依次透过干涉仪，光电接收器将其转变为电信号经放大器放大后送到示波器的y轴，而把用来改变腔长的锯齿波电压同时接到示波器的x轴输入端。这样示波器的横向坐标就是干涉仪的频率变化，这时从示波器的荧光屏上就可看到透过干涉仪的激光模式频谱，其图形如图三所示。 图3、示波器荧光屏上显示的激光频谱图五、实验内容：1、观察横模（A）通过远场光斑观察横模图形 接通He-Ne

25、激光器电源，待激光器工作稳定后，再进行正式实验。 由于实验室空间的限制，为了观察远场光斑，可在光路上加一平面反射镜，将光斑投射到远处白纸上，以便更清楚地观察光斑图形，注意区分横模级次。 改变工作电流（或者用其他方法改变谐振腔长L）在此观察远场光斑变化情况。（B）通过无源谐振腔观察He-Ne激光器的横模实验装置如图四： 图4、观察HeNe激光器横模装置 图中A和B是两支He-Ne激光管，A管用作光源，B管不接电源，仅用其谐振腔。由A发出的激光束透过小孔光栏射入B管，当激光束与B管的毛细管轴线准直后，当B管后方的毛玻璃P上可接收到光束，若用显微镜M来观察，这时在M的视场中可见到光斑在不断的变化。

26、由于A管管壳受温度的影响，长度不断变化，谐振腔长也发生相应的变化，因而输出的“激光频率也发生变化”。而B管具有自己一套相应的频谱，当A管输出的激光与B管频谱中任何频率都不匹配时,B管将无输出。视场又呈现较暗的背景，若A管输出的激光与B管频谱中某个频率匹配时，B管将从来自A管的光束中分解出相应的激光束让它通过。由于A管输出的光束中频率不断变化，因而就能在B管中激起不同的横模，在M的视场中看到不同的光斑图形。2. 用共焦球面扫描干涉仪测量He-Ne激光器的纵模和横模的频率间隔 按图2安装所用仪器并将整个实验装置调节到准直状况，而后装上共焦球面扫描干涉仪的光电接收器探头，并将其引出线连接示波仪的Y轴

27、输入端，同时把加在压电陶瓷环上的锯齿波电压接到示波器的X轴输入端，这样示波器的横向扫描则与干涉仪的腔长扫描同步，示波器的横向（X轴）坐标就是干涉仪的频率变化。将仪器面板上的扳键扳至“常态“位置，并调节仪器面板上的其他有关按钮，在荧光屏上就会出现激光模式的稳定频率谱。必要时还可适当调节锯齿波电压，以使荧光屏上能扫描出两级光谱为宜，图3所示的就是荧光屏上显示的两级频谱图。图3中：是相邻两级光谱的两个相似峰的间距 是同一级相邻峰的间距 是相邻两纵模频率间距。由于正比于自由光谱区；正比于相邻纵模频率间隔；频率间隔正比于相邻峰间距，因此，有：可以与相对应的相邻横模频率间隔为： （13）与相对应的相邻纵模

28、频率间隔为 （14）上两式中的，均可从荧光屏上测得，而为干涉仪的“自由光谱区”，因此，由（13）和（14）式可求出激光仪相邻横模和纵模的频率间隔。当荧光屏上有高阶模出现时，由上式还可以得出实验结果： （15）按式（2）和式（7）也可以得出高阶模的理论值为： （16）把上面的理论值与实验值相比较，从而可以估计出高阶模的阶次。六、思考题1、根据什么确定干涉仪扫出的干涉序的个数？测量时先确定干涉序的数目有何好处？2、辨认属于不同纵模和不同横模的依据是什么？3、本实验方法的优缺点是什么？实验五 电光调Q脉冲YAG激光器掺钕钇铝石榴石(Nd ：YAG)是一种典型的四能级激光工作物质。由于它的热传导性好、

29、激光阈值低和转换效率高，所以用它可以做成高重复频率的脉冲激光器和连续激光器。如果在脉冲激光器内采用电光调Q和激光放大技术，则很容易获得时间宽度为10ns量级而峰值功率达百MW量级的基模激光脉冲。再通过KTP等非线性光学晶体对波长为l.06um的Nd：YAG激光进行二倍频、三倍频和四倍频，则可得到四种波长的脉冲激光。此外，还可以用上述二倍频光或三倍频光去泵浦染料激光器，获得从紫外到近红外的波长连续可调谐脉冲激光。这种以Nd：YAG激光器为基础的脉冲激光系统以其高峰值功率、高重复频率和宽范围波长调谐特性等优点而得到了广泛的应用。一、实验目的：本实验的主要目的是通过实际的操作了解电光调Q Nd：YA

30、G脉冲激光器的工作原理和器件的结构；学习脉冲激光器主要参数与工作特性的测量方法。二、实验原理：1、Nd：YAG激光器的工作原理和结构 Nd：YAG激光器的工作物质是一种人工晶体，它的基质是钇(Y)铝(A1)石榴石（G），在晶体生长的过程中，按一定的比例掺入钕元素( Nd )，钕就以三价正离子的形式存在于YAG的晶格中。真正起激光作用的是三价Nd离子。它的有关能级结构如图1所示。 图1: 钕离子的有关能级用具有连续光谱的氙灯或氪灯照射Nd：YAG 晶体，钕离子就从基态跃迁至激发态的一系列能级，其中最低的两个能级相应于中心波长为0.81m和0.75m的两个光谱吸收带。由于E的寿命仅约为1ns，所以受激的钕离子绝大部分都经过无辐射跃迁转移到E3态。E3是个亚稳态，寿命长达250500 s，很容易获得粒子数积累。E2态的寿命为50ns，即使有粒子处在E2，也会很快地弛豫到E1，因此，相对E3而言，E2态上几乎没有粒子。这样，就在E3和E2之间造成了粒子数反转。正是E3到 E2的感应辐射在激光谐振腔中得到增益而形成了激光。其波长为1.064m。只要泵浦光存在，钕离子的能态就总是处在E1 E4 E3 E2 E1的循环之中，这是一个典型的四能级系统。图2： Nd：YAG激光器结构示意图 图2为典型的Nd ：YAG