激光原理实验介绍

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

构与工作原理。

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 脉冲氙灯 半反镜透过率 激光电源

水冷设备 光学平台及支架 黑相纸 红光LED指示光源光源 小孔光阑 三、实验原理

1、 固体激光器基本结构

固体激光器主要由工作物质，激励源与光学谐振腔三部分组成。本实验用激光器，泵灯为脉冲氙灯，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=100

F。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严格平行，且与工作介质轴线严格垂直。激光器分单脉冲与重复脉冲两种输出方式，重复频率1次/秒～10

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次/秒可调。

2、 工作物质

E0.810.75EE

图2、Nd3+离子能级图

Nd3+:YAG激光器的工作物质是一种人工晶体。它的基质是钇

E

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，是四能级结构，在光泵作用下，处于基态E1的大量粒子被抽运到E4能级。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10-3～10-4s，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，最终形成激光输出。

3、 光泵

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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。

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。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，因而也就影响激光器的输出能量与功率，严重时会导致没有激光输出。

图3、脉冲氙灯电源电路原理图

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）。

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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。这种现象被称为弛豫振荡效应。 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。

2、 安装好反射镜与3、 调节

LED指示光源。

LED指示光源，使其与介质棒轴线重合。

4、 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。

5、 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。

6、 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。

实验二 Nd3+:YAG激光器参数测量

一、实验目的

通过对阈值与转换效率的测量，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

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YAG多功能激光实验系统 LE-1B型能量计 三、实验原理

1、阈值

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，光在腔内才能形成激光振荡。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。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。

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/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

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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。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入与 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

B

斜

= [（E出）A-（E出）B] / [（E入）A-（E入）

] （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。

E2.0

出

A B 1.

E

3 4 5 6 7 8 图1、能量转换效率曲线

四、实验内容

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1、阈值测定

1）、按实验一所提供的调试方法与步骤调整好激光器。 2）、将能量计探头对准光源。

3）、打开能量计，档位先调到2J。若最大输出小于2J，将档位换到200mJ。

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测量一次输入与输出能量值，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

。

实验三 发散角测量

一、实验目的

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 透镜 LEP-1A型激光功率能量计：

小孔光阑 带刻度光学导轨 三、实验原理

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2ω0 2 F 2 2 z f f z

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：

0(1202z20)22ff24 （1）

该式可写为： 0其中，

F

f （2） F是入射在透镜前焦面上的光斑半径（见图1），

1F0{1[(fz)22 ]}20（3

根据光路可逆原

理，入射光腰腰斑半径与透镜后焦面光斑半径的关系：

0fF （4）

F

因而，若测出后焦面光斑半径腰半径

0

，由式可算出入射光束束

，进而得到高斯光束的远场发散角：

F （5）

0f下面介绍

F

的测量。在透镜后焦面上高斯光束光强分布为：

I(r)I0exp(2r/F) （6）

2

2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

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过圆孔光阑的光功率与总功率之比为：

PTaPa0I(r)2rdrI(r)2rdr'21exp(2a2/F) （7）

0T称为功率透过率。测出Pa与P，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、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，分别测量五次，列表记录。

6、求出发散角。

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