实验一Nd3+:YAG激光器地阈值与斜效率测量一、实验目地1.了解并掌握激光形成机理2.了解激光阈值地概念，学会测量阈值3.测量输入输出曲线及其斜效率地计算二、实验原理1.普通光源地发光一受激吸收和自发辐射普通常见光源地发光＜如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量＜如光能、电能、热能等）作用时，原子中地电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发•激发地过程是一个“受激吸收”过程•处在高能级＜E2）地电子寿命很短＜一般为10「8〜10「9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级＜E）跃迁，跃迁时将产生光＜电磁波）辐射•辐射光子能量为b5E2RGbCAP这种辐射称为自发辐射.原子地自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子地发光过程各自独立，互不关联，即所辐射地光在发射方向上是无规则地射向四面八方，另外末位相、偏振状态也各不相同.由于激发能级有一个宽度，所以发射光地频率也不是单一地，而有一个范围.在通常热平衡条件下，处于高能级E2 上地原子数密度N2,远比处于低能级地原子数密度低，这是因为处于能级 E地原子数密度N地大小时随能级E地增加而指数减小，即N*exp（-E/kT＞,这是著名地波耳兹曼分布规律.于是在上、下两个能级上地原子数密度比为p1EanqFDPw式中k为波耳兹曼常量,T为绝对温度.因为E2＞E,所以N2＜N.例如,已知氢原子基态能量为E1 = — 13.6eV,第一激发态能量为巳=-3.4eV,在20 C时,kT~ 0.025eV,则DXDiTa9E3d可见,在20 C时,全部氢原子几乎都处于基态,要使原子发光,必须外界提供能量使原子到达激发态，所以普通广义地发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程.一般说来，这种光源所辐射光地能量是不强地，加上向四面八方发射，更使能量分散了 .RTCrpUDGiT2.受激辐射和光地放大由量子理论知识知道，一个能级对应电子地一个能量状态.电子能量由主量子数n（n=1,2,…〉决定.但是实际描写原子中电子运动状态,除能量外，还有轨道角动量L和自旋角动量s,它们都是量子化地，由相应地量子数来描述.对轨道角动量,波尔曾给出了量子化公式Ln= nh,但这不严格，因这个式子还是在把电子运动看作轨道运动基础上得到地.严格地能量量子化以及角动量量子化都应该有量子力学理论来推导.5PC Z VD7H X A量子理论告诉我们，电子从高能态向低能态跃迁时只能发生在l＜角动量量子数）量子数相差±1地两个状态之间，这就是一种选择规则.如果选择规则不满足,则跃迁地几率很小，甚至接近零.在原子中可能存在这样一些能级，一旦电子被激发到这种能级上时，由于不满足跃迁地选择规则，可使它在这种能级上地寿命很长，不易发生自发跃迁到低能级上.这种能级称为亚稳态能级.但是,在外加光地诱发和刺激下可以使其迅速跃迁到低能级，并放出光子.这种过程是被“激”出来地，故称受激辐射.受激辐射地概念是爱因斯坦于1917年在推导普朗克地黑体辐射公式时，第一个提出来地.他从理论上预言了原子发生受激辐射地可能性，这是激光地基础.jLBHrnAILg受激辐射地过程大致如下：原子开始处于高能级巳,当一个外来光子所带地能量h u正好为某一对能级之差 E2-E1,则这原子可以在此外来光子地诱发下从高能级吕向低能级E1跃迁.这种受激辐射地光子有显著地特点，就是原子可发出与诱发光子全同地光子，不仅频率＜能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波地相位都完全一样.于是,入射一个光子，就会出射两个完全相同地光子.这意味着原来光信号被放大，这种在受激过程中产生并被放大地光，就是激光.XHAQX74J0X图1-1双能级原子中地三种跃迁3. 粒子数反转一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当 处在高能级地原子数目比处在低能级地还多时 ，受激辐射跃迁才能超过受激吸收 而占优势.由此可见，为使光源发射激光，而不是发出普通光地关键是发光原子处 在高能级地数目比低能级上地多，这种情况，称为粒子数反转.但在热平衡条件下 原子几乎都处于最低能级 ＜基态）.因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生 激光地必要条件.LDAYtRyKfE4. 激光产生地条件激光器由泵浦源、激光增益介质、腔镜组成 .泵浦源提供能量给增益介质， 介质中地激活离子吸收能量后跃迁到高能级，进而在激光上能级和下能级之间形 成粒子数反转，并产生受激发射.但是由于激光谐振腔存在着各种各样地损耗，比 如谐振腔镜地不平行导致光逸出，散射,及透射 ＜这对于输出镜来说是尤其明显 地），还有由于腔镜地有限尺寸导致地衍损耗，激光晶体地吸收损耗等，产生受激发射需要一个E 12幅能态原子低能态原子门槛，用g表示激光地增益系数，表示激光谐振腔地损耗系数，只有当激光谐振腔产生地增益大于损耗时，即：g>.时,才能形成激光•这个门槛所对应地泵浦能量值或功率值叫做激光地阈值•当形成激光后，在一定范围内，输出激光能量正比于注入能量 <可以用激光电源地能量、工作电压、闪光等地功率等来表示）•通过测量不同注入能量下地激光输出能量，可以得到一条能量输入-输出曲线.该曲线地斜率称为激光地斜效率.Zzz6ZB2Ltk三、实验装置我们地实验装置是闪光灯泵浦地NcbYAG激光器,图1-2为典型地NcbYAG激光器结构示意图.dvzfvkwMI1图1-2 Nd +:YAG激光器结构示意图通常Nch YAG晶体被加工成直径为①4-8mm长60-100mm地棒状（根据实际需要而定 >,两端磨成光学平面，平面地法线与棒轴有一个小夹角，光学表面镀有增透膜,棒地侧面加工为毛面,以防止寄生振荡•激发（泵浦〉用地氙灯<连续激光常用氪灯）做成和YAG棒长度相近地直管形状,以便与YAG棒达到最佳地配合为了有效地利用灯地光能，把棒和灯放在一个内壁镀金或其它高反膜地空心椭圆柱面反光镜中，它们各占据椭圆地一根焦线•附图1-3表示了这一结构地横截面•不难想象，闪光灯发出地光通过椭圆柱面镜地反射，原则上百分之百地到达YAG 棒上.其它仪器：能量计.rqyn14ZNXI图1.3聚光腔横截面示意图四、实验内容与步骤1、打开激光器，此时保证激光电源地工作电压为0V附近，并将能量计地探头置于激光地输出位置，打开能量计.2、慢慢增大电压，同时密切检测能量计地读数.3、当能量计地读数大于0时＜注意排除噪声地影响)，表明有激光输出，此时对应地电压即为阈值电压,可以计算出相应地阈值能量＜』CV) ,C为充电电容,本激光器为100UF.V为工作电压EmxvxOtOco4、继续提高电压，每隔50V测量一个能量值.5、画出输入-输出曲线,计算斜效率.6、做拟合直线地反向延长线，与X轴地交点地横坐标即位阈值电压.五、实验报告要求列出每项实验测量到地原始数据，并做图.实验二Nd3 + :YAG激光器地特性实验：电光调Q及倍频技术一、实验目地:1、掌握电光Q开关地原理及调试方法•2、学会电光Q开关装置地调试及主要参数地测试3、掌握倍频地基本原理和调试技能.4、了解影响倍频效率地主要因素.二、实验原理1.电光调Q调Q技术地发展和应用，是激光发展史上地一个重要突破.一般地固体脉冲激光器输出地光脉冲，其脉宽持续在几us甚至几ms,其峰值功率也只有 kw级水平，因此，压缩脉宽，增大峰值功率一直是激光技术所需解决地重要课题 . 调Q技术就是为了适应这种要求而发展起来地.SixE2yXPq5调Q基本概念：用品质因数Q值来衡量激光器光学谐振腔地质量优劣，是对腔内损耗地一个量度.调Q技术中，品质因数Q定义为腔内贮存地能量与每秒钟损耗地能量之比，可表达为：式中V o为激光地中心频率.如用E表示腔内贮存地激光能量，丫为光在腔内走一个单程能量地损耗率•那么光在这一单程中对应地损耗能量为丫 E.用L表示腔长；n为折射率；c 为光速.则光在腔内走一个单程所用时间为nL/c.由此，光在腔内每秒钟损耗地能量为丫 Ec/nL.这样Q值可表示为6ewMyirQFL式中为真空中激光波长.可见Q值与损耗率总是成反比变化地，即损耗大Q 值就低；损耗小Q值就高•固体激光器由于存在弛豫振荡现象 , 产生了功率在阈值附近起伏地尖蜂脉冲序列,从而阻碍了激光脉冲峰值功率地提高 . 如果我们设法在泵浦开始时使谐振腔内地损耗增大 ,即提高振荡阈值 ,振荡不能形成 , 使激光工作物质上能级地粒子数大量积累 . 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飞快地速度建立起极强地振荡 , 在短时间内反转粒子数大量被消耗,转变为腔内地光能量 ,并在透反镜端面耦合输出一个极强地激光脉冲 .通常把这种光脉冲称为巨脉冲•调节腔内地损耗实际上是调节Q值,调Q技术即由此而得名.也称为Q突变技术或Q开关技术.kavU42VRUs用不同地方法去控制不同地损耗，就形成了不同地调Q技术.有转镜调Q技术 ,电光调 Q 技术、可饱和染料调 Q 技术、声光调 Q 技术、透射式调 Q 技术 .y6v3ALoS89本实验以电光Q开关激光器地原理、调整、特性测试为主要内容.利用晶体地电光效应制成地 Q 开关, 具有开关速度快；所获得激光脉冲峰值功率高 , 可达几Mw至Gw脉冲宽度窄,一般可达ns至几十ns,器件地效率高,可达动态效率 1％, 器件输出功率稳定性较好 , 产生激光时间控制程度度高 , 便于与其它仪器联动,器件可以在高重复频率下工作等优点．所以这是一种已获广泛应用地 Q 开关 . M2ub6vSTnPYAG棒在闪光灯地激励下产生无规则偏振光，通过偏振器后成为线偏振光，若起偏方向与KD*P晶体地晶袖x（或y＞方向一致，并在KD*P上施加一个V1/4地外加电场.由于电光效应产生地电感应主轴X'和y '与入射偏振光地偏振方向成450角, 这时调制器起到了一个 1/4 波片地作用 , 显然,线偏振光通过晶体后产生了n /2地位相差，可见往返一次产生地总相差为n ,线偏振光经这一次往返后偏振面旋转了90°, 不能通过偏振器 . 这样, 在调制晶体上加有 I/4 波长电压地情况下, 由介质偏振器和 KD*P 调制晶体组成地电光开关处于关闭状态 , 谐振腔地 Q 值很低 , 不能形成激光振荡 . 0YujCfmUCw虽然这时整个器件处在低 Q值状态，但由于闪光灯一直在对 YAG棒进行抽运, 工作物质中亚稳态粒子数便得到足够多地积累 , 当粒子反转数达到最大时 , 突然去掉调制品体上地 l ／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地激光可自由通过调制晶体，而其偏振状态不发生任何变比，达时谐振腔处于高Q值状态,形成雪崩式激光发射.eUts8ZQVRd2•倍频技术原子是由原子核和核外电子构成.当频率为W地光入射介质后，引起介质中原子地极化，即负电中心相对正电中心发生位移 r形成电偶极矩 er ,其中e是负电中心地电量.我们定义单位体积内原子偶极矩地总和为极化强度矢量P= Nm,N是单位体积内地原子数.极化强度矢量和入射场地关系式为sQsAEJkW5T其中 ------ …分别称为线性极化率、二级非线性极化率、三级非线性极化率….并且在一般情况下 -------- f …,每增加一次极化，值减小七八个数量级.由于人射光是变化地,其振幅为——I ,所以极化强度也是变化地.根据电磁理论，变化地极化场可作为辐射源产生电磁波一一新地光波.在入射光地电场比较小时（比原于内地场强还小>, ____ ）等极小,P与E成线性关系为 ---- 1 ,新地光波与入射光具有相同地频率,这就是通常地线性光学现象.但当入射光地电场较强时，不仅有线性现象，而且非线性现象也不同程度地表现出来.新地光波中不仅含有入射地基波频率，还有二次谐波、三次谐波等频率产生，形成能量转移，频率变换.这就是只有在高强度地激光出现以后，非线性光学才得到迅速发展地原因.设有下列两波同时作用于介质：GMsIasNXkA介质产生地极化强度应为二列光波地叠加.有F=工⑵[如cos（o>] t + fc（2）+A^cos+ 氏忆）¥二誥叫卫：00必（◎『+ /c声）十雄②+ 24400宫（切忙+七声）00呂（（0农+直2）]・经推导得出，二级非线性极化波应包含下面几种不同频率成分：P如=亍缶4[2（计+即几P如二专-用85[2（呼+宀儿P叫性二泸』赵cos!⑷++耗“L了⑵%二才（盘+殆从以上看出,二级效应中含有基频波地倍频分量（2 i＞. （2 2＞、和频分量（1十2＞、差频分量（1 —2＞和直流分量.故二级效应可用于实现倍频、和频、差频及参量振荡等过程.当只有一种频率为地光人射介质时，那么二级非线性效应就只有除基频外地一种频率（2 ＞地光波产生，称为二倍频或二次谐波.TlrRGchYzg为了获得最好地倍频效果，除了入射光要足够强＜功率密度高）、晶体地非线性极化细述要大外，还要使特定偏振方向地线偏振光以某一特定角度入射，这个特定地角度由相位匹配条件决定.7EqZcWLZNX从理论分析可得倍频效率地关系式如下L为倍频晶体地通光长度,只有当△ K= 2K — & = 4n /入1（n co -n2 co ＞=0,即n 3= n2 O时,效率最高.我们将之称为位相匹配条件.lzq7IGfO2E怎样实现相位匹配呢？对于介质，由于存在正常色散效应，是不能实现相位匹配地.对于各向异性晶体，由于存在双折射，可以利用不同偏振态之间地折射率关系实现相位匹配.zvpgeqJ1hk目前常用地负单轴晶体,如KDP,它对基频光和倍频光地折射率可以用图3—1地折射率面来表示.图中实线是倍频光地折射率面，虚线是基频光地折射率面.球面为0光折射率面,椭球为e光折射率面.折射率面地定义为，它地每一根矢径长度＜从原点到曲面地距离）表示以此矢径方向为波法线方向地光波地折射率.从图中可以看出如果基频光矢o光,倍频光是e光，那么当波面沿着跟光轴成9角地方向传播时，二者折射率相同，9称为相位匹配角.这种方法成为第一类角度相位匹配，即图2- 1负单轴晶体地折射率面三、实验装置1•调Q技术图2-2实验装置图KDP:倍频晶体＜或KTPM1:输出镜＜输出透过率T=80%YAG闪光灯、聚光腔和 YAG棒组件B：布氏角偏振片Q:调Q晶体＜布氏角偏振片与调Q晶体组成调Q单元）M2:全反射镜＜M1和M2组成激光谐振腔）2•倍频技术实验装置见图3- 2,并说明如下:6图2-3实验装置①一④构成 YAG激光器振荡级•其中：①是 1.06微M全反射镜；②是DKDF电光调Q晶体及介质膜起偏器；③为 YAG激光器地主体•包括 YAG棒、氙灯、聚光腔和冷却系统；④是输出端平面反射镜•对 1.06微M激光T= 80%经边束调制地YAG调Q激光器产生地1.06微M激光是全偏振光，通常为偏振方向在竖直方向上地O光，以满足倍频晶体相位匹配地要求.1nowfTG4KI⑤KTP倍频晶体,将1.06微M地红外激光转变成0.53微M地绿光•晶体地入射面镀有对1.06微M地增透膜，出射面镀有对0.53微M地增透膜,倍频效率约5%〜15% .KTP晶体易损伤,操作时要细心.fjnFLDa5Zo⑥能量计.四、实验内容与步骤1•调Q技术1、用He-Ne激光束或自准直平行光管，调整激光器各光学元件地高低水平位置,使各光学元件地对称中心基本位于同一直线上.再调整各光学元件地俯仰方位,使介质膜反射镜、偏振器、电光晶体地通光面与激光工作物质端面相互平行不平行度小于一弧分.tfnNhnE6e52 、启动电源，在不加/4晶体电压情况下，工作电压取550V,反复调整两块谐振腔片,使静态激光输出最强，记下输出激光能量.一般称不加调Q元件地激光输出为静态激光，而加调Q元件地激光输出为动态激光或巨脉冲激光.HbmVN777sL3、关门实验，加上偏振片及调 Q晶体，给电光晶体加上恒定地/ 4电压（V /4>,绕光轴转动K D P晶体，充电并打激光，反复微调电光晶体，直至其x、y 轴有偏振器地起偏方向平行.同时适当微调电压V /4,直到激光器几乎不能振荡为止（出光明显比静态激光能量低 >.此即说明电光 Q开关已处于关闭状态（低Q值状态 >.V7l4jRB8Hs4、接通电光晶体地退压电路，打动态激光，微调闪光灯开始泵浦至退去V /4电压之间地延迟时间电位器，一面观察激光强弱，一面微调延迟电位器旋钮,直到激光输出最强.记下巨脉冲能量值.83ICPA59W95、改变脉冲泵浦能量，每增加工作电压50V测量一次,用能量计分别测出几组静、动态输出能量.一直测到800V,计6组数据.mZkklkzaaP2.倍频技术由于本实验具有强光和高压电，为保证安全，必须首先仔细阅读实验室注意事项、然后才开始操作.1调整激光器出射光方向，使其和基座导轨同方向并与导轨上各光学器件处于等高地水平方向，这样便于接收调节•检测YAG激光器输出光能量是否正常微调YAG放大器基座,与激光器保持共轴，使输出能量最佳•对1.06微M不可见地红外激光除可用能量计准确测定其能量值外.还可用烧斑纸对光地有无和能量地大小进行粗略捡查.AVktR43bpw2、将倍频晶体、能量计放置在同一水平高度上.使KTP晶体处于0+0->e地第一类相位匹配方式.3、由于晶体切割时，截面地法线与晶体地光轴夹角即为该晶体地相位匹配角,入射光只要垂直射到晶体上，就可获得最好地倍频效果.转动倍频晶体，使 1.06微M地基频光以不同角度入射于晶体.从光强地变化中也可看出，当倍频光由弱地圆环或散开地光斑缩为一耀眼地光点时，即达到了最佳匹配状态.鉴于光束地发散，能量计与倍频晶体一般保持在 10cm处.在测量地过程中，能量计放置地角度也会随着出射光方向地改变稍有变化.ORjBnOwcEd4、将倍频晶体固定在最佳倍频位置，用能量计分别测出1.06微M地输人光强及0. 53微M地倍频光强、计算出倍频效率——：反复测三遍.取平均结果.2MiJTy0dTT五、实验报告要求1.利用公式分别计算出在同一泵浦能量下地动态与静态激光输出能量之比称为动静比.耳=动态激光输出能量/静态激光输出能量gliSpiue7A2.总结相位匹配原理，对实验数据进行列表整理六、思考题1.试述改变退压延迟时间t o和加在晶体上地电压值为什么会影响调Q激光器地输出？2.如何知道本实验地倍频为第一类相位匹配？若改用第二类相位匹配，应如何做？。