《激光原理与技术实验指导书》实验报告广东技术师范学院电子与信息学院目录仪器要求与安全保护 (2)实验一、LD泵浦ND:YVO4固体激光器的基本概念与主要参数测量 (3)实验二、LD泵浦ND:YVO4固体激光器光斑尺寸的测量 (12)实验三、LD泵浦ND:YVO4固体激光器远场发散角的测量 (16)实验四、声光调Q技术实验五、HE－NE激光器谐振腔调节 (28)实验六、HE-NE激光器的模式分析 (31)仪器要求与安全保护1、仪器安装在干燥、无灰尘、通风良好、远离热源和强（电）磁场的地方。

2、工作温度： 10～15o C3、相对湿度：＜70%4、工作电源： 220V±15% 50HZ5、安全防护（1）使用 He-Ne 激光器时，“+”，“-”（正，负）极不要插（接）错（2）激光管的电流不要调的过高，否则容易击穿，烧毁管子。

（最好接厂方给定的最佳电流）（3）激光出光后，眼睛不要直接直射观察激光点，否则容易损坏眼睛。

（4）He-Ne 激光管都是玻璃制品，易碎，小心轻拿轻放。

调节螺钉不要拧的太紧。

6、日常维护（1）外腔（或半内腔）激光管，外部活动的谐振腔，不要弄脏布儒斯特窗面，不要沾上灰尘否则不出光。

（2）激光管不要放在潮湿的地方，长时间不用时，最好隔几天点燃一次（特别是夏天）时间 20～30 分钟。

（3）半导体泵浦激光器实验装置应注意防潮，放置于比较干燥的地方。

在不使用时请将仪器上盖盖好，端盖旋紧，防止灰尘进入仪器。

注意：1激光对人眼睛有伤害，注意眼睛不要直接对着光源。

2激光器的电源电压上千伏，注意小心，不要触摸。

实验一、LD 泵浦Nd:YVO 4固体激光器的基本概念与主要参数测量一、实验目的与要求1、掌握LD 泵浦Nd:YVO4固体激光器的基本概念与激光器的调节2、掌握连续激光器阈值概念及测量方法3、掌握连续激光器斜率效率及测量方法二、实验类型综合型三、实验原理及说明1. 普通光源的发光—受激吸收和自发辐射普通常见光源的发光（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，原子中的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。

激发的过程是一个“受激吸收”过程。

处在高能级（E2）的电子寿命很短（一般为10－8～10－9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。

辐射光子能量为12E E h -=ν这种辐射称为自发辐射。

原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外未位相、偏振状态也各不相同。

由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。

在通常热平衡条件下，处于高能级E2上的原子数密度N2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E 的原子数密度N 的大小时随能级E 的增加而指数减小，即N ∝exp(-E/kT)，这是著名的波耳兹曼分布规律。

于是在上、下两个能级上的原子数密度比为]/)(ex p[/1212kT E E N N --∝式中k 为波耳兹曼常量，T 为绝对温度。

因为E2>E1，所以N2《N1。

例如，已知氢原子基态能量为E1＝－13.6eV ，第一激发态能量为E2=-3.4eV ，在20℃时，kT≈0.025eV，则0)400ex p(/12≈-∝N N可见，在20℃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，所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。

一般说来，这种光源所辐射光的能量是不强的，加上向四面八方发射，更使能量分散了。

2.受激辐射和光的放大由量子理论知识知道，一个能级对应电子的一个能量状态。

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，它们都是量子化的，由相应的量子数来描述。

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的。

严格的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。

量子理论告诉我们，电子。

如果选择规则不满足，则跃迁的几率很小，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的两个状态之间，这就是一种选择规则被激发到这种能级上时，由于不满足跃迁的选择规则，可使它在这种能级上的寿命很长，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，在外加光的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”出来的，故称受激辐射。

受激辐射的概念是爱因斯坦于1917年在推导普朗克的黑体辐射公式时，第一个提出来的。

他从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性，这是激光的基础。

受激辐射的过程大致如下：原子开始处于高能级E2，当一个外来光子所带的能量hυ正好为某一对能级之差E2-E1,则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1跃迁。

这种受激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。

于是，入射一个光子，就会出射两个完全相同的光子。

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的光，就是激光。

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的还多时，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，而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，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的必要条件。

4. LD 泵浦Nd:YVO4固体激光器半导体激光器（LD ）是以半导体材料作为工作介质的。

这种激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固，特别适于在飞机、车辆、宇宙飞船上用。

在70年代末期，由于光纤通讯和光盘技术的发展大大推动了半导体激光器的发展。

但是这种激光器的光束质量相对较差。

LD 泵浦的固体激光器，其泵浦源为半导体激光二极管，用它给激光增益介质提供能源，可以得到光束质量更好的激光。

这类的激光器具有以下特点4.1. 光谱匹配性好如果采用闪光灯泵浦固体激光器，由于闪光灯的发射光谱和工作物质吸收光谱之匹配不好，将导致器件的泵浦效率很低，比如，氪灯或氙灯的发射光谱都是范围很宽的连续谱，而Nd 3+的吸收光谱是一些有着很强峰值的分立光谱，这将使其发射光谱的很小一部分光能能够被工作物质吸收，其余部分将转变为器件的热能。

而采用激光二极管作为泵浦源可以较好的解决上述问题，因为它的输出谱线很窄，通常为几个纳米。

4.2.体积小，结构简单，装调方便，使用寿命长激光二极管体积小，其供电电源也很小，只有闪光灯电影体积的十分之一，采用激光二极管泵浦，由于热效应与闪光灯泵浦的器件相比很小，因此，可以减小冷却系统，使器件结构简单，装调维修方便，为固体器件的小型化创造了有利的条件；同时，激光二激光二极管的使用寿命长，其典型寿命为105小时，这使得固体激光器系统的寿命和可靠性大大提高了。

LD泵浦Nd:YVO4固体激光器中的LD的波长为808nm，它泵浦Nd:YVO4激光晶体，得到1064nm的激光输出。

5.倍频利用一些非线性材料，可以将某个频率的激光改变成另一种频率。

比如，我们实验中用KTP晶体将1064nm激光变换成532nm的激光，则称为倍频。

我们的实验中，KTP晶体被置于激光谐振腔内，叫内腔倍频。

6.LD泵浦Nd:YVO4固体（倍频）激光器主要参数及实验6.1.泵浦功率(Pin)－输出功率(Pout)特性曲线LD作为固体激光器的泵浦光源，其输出功率作为固体激光器的泵浦功率P in，而固体激光器的输出功率为P out，其曲线为P in－P out曲线。

图2所示。

随泵浦功率增加，激光器首先是渐渐地增加自发辐射，直至超过阈值,发生受激辐射。

最感兴趣的参数是开始发生受激辐射时的泵浦功率值,通常把这个功率值称之为阈值功率，用P th表示。

6.2.阈值功率（Pth）阈值功率是LD泵浦Nd:YVO4固体激光器开始受激辐射时的对应的泵浦功率。

测量阈值功率如下：利用激光器的P in－P out曲线可以找到P th,其作法有三种：第一是双斜法，它是将P in－P out 曲线中两条直线延长线交点所对应的功率作为激光器的阈值功率P th（如图3a所示）；第二种作法是，输出光功率延长线与功率轴的交点作为激光器的P th（如图3b所示），这是一种比较常规的作法；第三种方法是在P in－P out曲线中，将输出功率对泵浦功率求二阶导数，求导数波峰所对应的功率值为P th，这种作法的测量精度较高，如图3c所示。

6.3.Pin－Pout曲线的斜率（％）表示这种能力的直接量值是P th以上的P in－P out曲线的斜率用△P out/△P in。

在P th以上的P in－P out曲线的斜率表示波长为808nm的泵浦功率有多少转换成1064nm固体激光器的输出功率。

这是一种光－光转换效率。

3a 3b 3c图3 P in－P out曲线法求P th四、实验主要仪器设备和材料本实验包含下列设备。

图4为实验光路示意图, 图5为实验结构图。

1、LD2、耦合镜3、全反镜4、Nd:YVO4晶体5、KTP6、输出镜7、功率计图4、实验装置示意图图5 实验装置结构图 五、实验内容和步骤1、 半导体激光器实验装置的调整: (1) 泵浦光源的调整首先将仪器中的其它调整架取下，只留下泵浦光源及调整架固定在仪器导轨上；采用外置He-Ne 激光器进行自准直调整。

见下图然后调节激光器使激光器光斑中心对准泵浦光源中心；将泵浦光源调整架沿着导轨前后移动，观察激光器光斑是否始终在泵浦光源中心，如果不在中心则调节激光器或者调节激光器固定立板，直至激光器光斑始终在泵浦光源中心位置。

（2）汇聚物镜的调整首先将泵浦光电源开关打开，旋转泵浦光源调焦旋钮进行调焦，焦点距离泵浦光源约泵浦光源He-Ne 激光器泵浦光源 汇聚物镜 激光晶体 倍频晶体输出镜准直氦氖激光器30～50mm；将汇聚物镜调整架放到导轨上，距离泵浦光源约为焦点距离泵浦光源的两倍，泵浦光源光斑不应打到物镜的外面。

并He-Ne激光器光点照到物镜后返回的光点应与发出的光点重合。

见下图（3）激光晶体的调节将激光晶体调整架放到导轨上，并调节其位置使泵浦光经汇聚物镜成像点的位置，仔细观察泵浦光汇聚到激光晶体的现象，微调汇聚物镜调节螺钉，直到观察到激光晶体上有最亮的白光为止，此时泵浦光源成像在激光晶体的位置外最佳，固定激光晶体调整架。