hv
E 2 E 1
(a)
2 1
(b)
E 2 E 1
(c)
光与物质作用的吸收过程
半导体泵浦激光原理实验
【实验目的】
1. 了解激光特别是半导体激光器工作原理
2. 调节激光器光路，观察倍频现象，测量阈值、相位匹配等基本参数，加深对激光技
术理解。

【实验仪器】
808nm 半导体激光器、半导体激光器可调电源、Nd:YVO4晶体、KTP 倍频晶体、输出镜（前腔片）、光功率指示仪
【实验原理】
1. 激光产生原理
光与物质的相互作用可以归结为光与原子的相互作用，有三种过程：吸收、自发辐射和受激辐射。

如果一个原子，开始处于基态，在没有外来光子，它将保持不变，如果一个能量为hv 21
的光子接近，则它吸收这个光子，处于激发态E 2。

在此过程中不是所有的光子都能被原子吸收，只有当光子的能量正好等于原子的能级间隔E 1-E 2时才能被吸收。

激发态寿命很短，在不受外界影响时，它们会自发地返回到基态，并放出光子。

自发辐
射过程与外界作用无关，由于各个原子的辐射都是自发的、独立进行的，因而不同原子发出来的光子的发射方向和初相位是不相同的。

处于激发态的原子，在外的光子的影响下，会从高能态向低能态跃迁，并两个状态间的
能量差以辐射光子的形式发射出去。

只有外来光子的能量正好为激发态与基态的能级差时，才能引起受激辐射，且受激辐射发出的光子与外来光子的频率、发射方向、偏振态和相位完全相同。

激光的产生主要依赖受激辐射过程。

激光器主要有：工作物质、谐振腔、泵浦源组成。

工作物质主要提供粒子数反转。

泵浦过程使粒子从基态E 1抽运到激发态E 3，E 3上的粒子通过无辐射跃迁（该过程粒子从高能级跃迁到低能级时能量转变为热能或晶格振动能，但不辐射光子），迅速转移到亚稳态E 2。

E 2是一个寿命较长的能级，这样处于E 2上的粒子不断积累，E 1上的粒子 又由于抽运过程而减少，从而实现E 2与E 1能级间的粒子数反转。

激光产生必须有能提供光学正反馈的谐振腔。

处于激发态的粒子由于不稳定性而自发辐射到基态，自发辐射产生的光子各个方向都有，偏离轴向的光子很快逸出腔外，只有沿轴向的光子，部分通过输出镜输出，部分被反射回工作物质，在两个反射镜间往返多次被放大，形成受激辐射的光放大即产生激光。

2. 光学倍频
光的倍频是一种最常用的扩展波段的非线性光学方法。

激光倍频是将频率为ω的光，通过晶体中的非线性作用，产生频率为2ω的光。

考虑电场的平方项
t E E ωcos 0=
)2cos 1(2
cos 20
2
20
2
)
2(t E t E E P
ωβωββ+===
hv 21
2
E 1
(a)
E 2 E 1
(b)
hv 21
hv 21
光与物质作用的受激辐射过程
E 1
E 3
E 2
三能级系统示意图
出现直流项和二倍频项cos2ωt ，直流项称为光学整流，当激光以一定角度入射到倍频晶体时，在晶体产生倍频光，产生倍频光的入射角称为匹配角。

倍频光的转换效率为倍频光与基频光的光强比，通过非线性光学理论可以得到：
)
2/()2/(sin 22
2kl kl I L I I ∆∆∝=ω
ωωβη 式中L 为晶体长度，I ω、I 2ω分别为入射的基频光、输出的倍频光的光强，△k =k ω-2k 2ω
分别为基频光和倍频光的额传播矢量。

【实验装置】
【实验内容】
1． 将808nmLD 固定在二维调节架上，将632.8nm 红光通过白屏小孔聚到折射率梯度透镜
上。

让632.8nm 光和小孔及808nmLD 在同一轴线上。

2． 将Nd:YVO 4晶体安装在二维调节架上，将红光通过晶体并将返回的光点通过小孔。

3． 将输出镜（前腔片）固定在四维调节架上。

调节输出镜使返回的光点通过小孔。

对于
有一定曲率的输出镜，会有几个光斑，应区分出从球心返回的光斑。

4． 在Nd:YVO 4晶体和输出镜之间插入KTP 倍频晶体，接通电源，调节多圈电位器。

5． 产生532nm 倍频绿光。

调节输出镜，LD 调节架，使532nm 绿光功率最大。

【注意事项】
1． 实验中激光器输出的光能量高、功率密度大，应避免直射到眼睛。

特别是532nm 绿光，
切勿用眼睛直视激光器的轴向输出光束，以免视网膜受到永久性的伤害。

2． 避免用手接触激光器的输出镜，晶体的镀膜面，膜片应防潮，不用的晶体，输出腔片用
镜头纸包好，放在干燥器里。

3． 激光器应注意开关步骤，先检查多圈电位器是否处于最小处，再打开电源开关，逐步调
整电位器，使电流逐渐增大，激光器出光。

实验完成后，调整电位器，直到电流为零，再关闭电源。