脈沖固體激光器輸出特性

中國石油大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)實(shí)驗(yàn)6-1脈沖固體激光器輸出特性研究【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、了解脈沖固體激光器的基本結(jié)構(gòu)和基本原理，并練習(xí)調(diào)整激光器諧振腔，使其輸出激光。2、測(cè)定脈沖激光器的輸出特性曲線，找出光泵能量閾值，計(jì)算出激光器的絕對(duì)效率和斜效率。3、測(cè)定激光器輸出光束的發(fā)散角?！緦?shí)驗(yàn)原理】（一）固體激光器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理激光器由工作物質(zhì)，泵浦系統(tǒng)和光學(xué)諧振腔等部分組成。實(shí)驗(yàn)所用YAG激光器的結(jié)構(gòu)如圖6-1-1所示。藐I一藐I一—J出摘?S-1-1MdiTAG?光善的圖工作物質(zhì)要形成激光，首先必須利用激勵(lì)源使工作物質(zhì)激活，既使工作物質(zhì)內(nèi)部的電子在某些能級(jí)之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的條件是式中N1一下能級(jí)的粒子數(shù)密度;N2一上能級(jí)的粒子數(shù)密度；g.g2一下能級(jí)E1和上能級(jí)E2的統(tǒng)計(jì)權(quán)重。YAG脈沖固體激光器采用摻釹釔鋁石榴石（YAG：Nd3）作為工作物質(zhì)，它具有四能級(jí)系統(tǒng)，其簡(jiǎn)化能級(jí)圖如圖6-1-2所示。2.要形成激光，首先必須利用激勵(lì)源使工作物質(zhì)激活，既使工作物質(zhì)內(nèi)部的電子在某些能級(jí)之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的條件是式中N1一下能級(jí)的粒子數(shù)密度;N2一上能級(jí)的粒子數(shù)密度；g.g2一下能級(jí)E1和上能級(jí)E2的統(tǒng)計(jì)權(quán)重。YAG脈沖固體激光器采用摻釹釔鋁石榴石（YAG：Nd3）作為工作物質(zhì)，它具有四能級(jí)系統(tǒng)，其簡(jiǎn)化能級(jí)圖如圖6-1-2所示。2.光學(xué)諧振腔為了滿足產(chǎn)生激光的閾值條件，即要使光在諧1知知，12000--6000-仙。*■2000-0-振腔中來回一次在激活介質(zhì)中所獲得的增益足以補(bǔ)充由各種因素所導(dǎo)致的光的損耗。在忽略介質(zhì)內(nèi)部圖e-1-2NdrYAG晶體的峰皺結(jié)枸l—激活介質(zhì)的長(zhǎng)度；G—激活介質(zhì)的增益系數(shù)，定義為：dI(z)G(V)=1~(Z^(6-1-3)即頻率為V的單色光在激活介質(zhì)中傳播單位距離所增加的光強(qiáng)的百分比。(二)YAG激光器輸出特性輸出特性曲線輸出特性曲線是指激光器的輸出能量與輸入能量之間的關(guān)系曲線。見圖6-1-3。當(dāng)改變激光電源中儲(chǔ)能電容的充電電壓或電容時(shí)，就得到了不同的輸入能量，其大小由下式計(jì)算E廣2CU充-U剩)(6-1-4)式中。為儲(chǔ)能電容器的電容，單位為產(chǎn)，U充為充電電壓，單位為V，U剩為電容器放電后的剩余電壓值。輸入能量E入的單位是J。在輸出特性曲線上，有一直線區(qū)間，它表示激光器在這一區(qū)間工作時(shí)，其輸出能量與輸入能量的變化成比例，通常引人斜效率n知來描寫這一特性。即斜n=E出AE^B(6-1-6)斜E-E圖6—1—4曲線與輸出整性曲境的對(duì)應(yīng)薯暴小%一取曲線與輸出特性曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖—4所示。2、發(fā)散角激光束雖有極好的方向性，但也有一定的發(fā)散性，其發(fā)散度可用圖6-1-5所示的平面發(fā)散角。'(或立體發(fā)散角Q)描述。激光束發(fā)散角的大小是判斷光束方向性優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)。按照幾何光學(xué)原理，嚴(yán)格的平行光束在消像差透鏡L的像平面上將形成一無窮小的像點(diǎn)；然而具有發(fā)散角?！墓馐谕哥R像平面上則形成一圓形光斑，如圖6-1-6所示，相應(yīng)光斑的直徑D由下式確定：(6-1-7)06-1-E?6-1-6式中f'為透鏡的焦距，顯然，若將照相機(jī)物鏡先調(diào)焦于無窮遠(yuǎn)，再對(duì)欲測(cè)定其發(fā)散角的激光束拍攝一照片，測(cè)出底片上攝得的激光圓斑的直徑，即可由（6-1-7）式計(jì)算其發(fā)散角。【實(shí)驗(yàn)儀器】YAG固體激光器、能量計(jì)、He一Ne激光器，讀數(shù)顯微鏡，直流電源等?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】1、調(diào)整激光器的諧振腔TOC\o"1-5"\h\z要求全反鏡，輸出鏡及工作物質(zhì)棒的一e―r\「兩個(gè)端面（一共四個(gè)平面）嚴(yán)格保持平行，一空竺一F從而使諧振腔有最佳的品質(zhì)。激光器的輸_盧一..出跟諧振腔凋整的精度有關(guān)，如調(diào)整不好，1一J輸出顯著減少、甚至不輸出激光。因此，..__這步工作必須仔細(xì)做好，才能輸出好的激3-1-光束。本實(shí)驗(yàn)采用He-Ne激光器輔助調(diào)節(jié)法調(diào)整固體激光器。調(diào)節(jié)前，須將He—Ne激光管水平放置，并使其軸線與固體激光器諧振腔的光軸大體一致，兩者距離約1.5m，在He-Ne管前放一白色小孔屏，讓激光束通過小孔射出，作為基準(zhǔn)光線。調(diào)整固體激光器的基座，使He-Ne激光能穿透兩塊鏡片和工作物質(zhì)棒，見圖6-1-8。筑片半度境工作物質(zhì)@6-1-8州氧旬管調(diào)^光獸冷欄■■卜筑片半度境工作物質(zhì)@6-1-8州氧旬管調(diào)^光獸冷欄■■卜II第一步：將全反鏡連同框架一起卸掉或使其明顯偏離標(biāo)準(zhǔn)位置，并用紙擋住半反鏡，調(diào)節(jié)基座，使棒的兩個(gè)端面反射回來的光斑恰好進(jìn)入白色小孔屏的小孔，這時(shí)棒的端面已經(jīng)與激光垂直（因棒的兩端面是平行的，所以通常只看到一個(gè)反射斑。第二步：取掉擋住半反鏡的紙片，調(diào)節(jié)半反鏡框架上的螺絲，使它反射回來的光斑也進(jìn)入小孔。第三步：輕輕裝上全反鏡，用紙片擋住工作物質(zhì)，再調(diào)節(jié)全反鏡框架上的螺絲，使它反射回來的光也進(jìn)入小孔。這時(shí)，激光器已進(jìn)入工作狀態(tài)。將氙燈的電極與激光電源背后的輸出接線往相連，并接通觸發(fā)高壓。在激光器的輸出端放入一張黑色相紙，開啟電源，按下“充電”按鈕，選擇適當(dāng)?shù)某潆婋妷?，然后按“觸發(fā)”按鈕，此時(shí)在黑色相紙上如能打出一個(gè)燒蝕斑，即表示已有激光輸出，如打不出燒蝕斑，則可能是激光太弱，可適當(dāng)加大輸入能量（不能過高）再試，若仍打不出燒蝕斑，就需要重新檢查激光器是否調(diào)好。如果調(diào)整比較好，應(yīng)該打出與棒的直徑相仿的均勻的燒蝕斑。當(dāng)然，對(duì)燒蝕斑的分析是復(fù)雜的，它不僅取決于諧振腔調(diào)節(jié)的精度，還取決于工作物質(zhì)的光學(xué)均勻性及發(fā)光離子的分布情況等。并不是所有激光器總能調(diào)成一個(gè)圓形的燒蝕斑，因此，在實(shí)驗(yàn)中，燒蝕斑只要近似圓形就算基本上可以工作了，而且，在打燒蝕斑過程中，也可以再微調(diào)輸出鏡，使其輸出達(dá)到最大。測(cè)量輸入、輸出能量激光器處于工作狀態(tài)后，就可以用能量計(jì)來測(cè)量輸出激光能量了。充電電壓可以從900V或950V開始，逐次下降，每隔50V測(cè)一個(gè)點(diǎn)，分別計(jì)算輸入能量￡入、輸出能量E出，以￡入為橫坐標(biāo)、冠出為縱坐標(biāo)，畫出￡出一￡入曲線，從而計(jì)算出絕對(duì)效率門和斜效率%，并畫出門一￡出及叩斜一￡入曲線。3、測(cè)量發(fā)散角輸出激光經(jīng)透鏡聚焦，在透鏡的焦平面上放置一屏，上面固定一張黑色相紙。在調(diào)節(jié)好位置后，打出三個(gè)聚焦燒蝕斑點(diǎn)，用讀數(shù)顯微鏡測(cè)出斑點(diǎn)直徑D，用公式。=Df算出發(fā)散角?！咀⒁馐马?xiàng)】1、電源工作時(shí)絕對(duì)不能用手觸摸儲(chǔ)能電容器或氙燈兩極，關(guān)閉電源后，因電容器中尚有殘余電壓，手也不能觸摸，以防觸電！

2、激光器工作時(shí)，切不可將眼睛對(duì)著輸出鏡，否則會(huì)嚴(yán)重?zé)齻劬?，造成不可挽救的后果。由公式E3、He一Ne激光器完成輔助調(diào)節(jié)任務(wù)后，即應(yīng)關(guān)閉，然后再試固體激光器的激光輸出。由公式E工作物質(zhì)Y-Nd3+儲(chǔ)能電容C/10-6F200充電電壓U/V充870850800750700650600550500450400350300剩余電壓U剩/V70707070656055555555555555輸出能量E「/mJ120011601098879723610449389302143.537.62.630【數(shù)據(jù)記錄及處理】1.測(cè)量輸入、輸出能量在激光器處于工作狀態(tài)后，充電電壓從870V開始，逐次下降，每隔50V測(cè)一個(gè)點(diǎn)，記錄充電電壓、剩余電壓、輸出能量。見表1。表1.輸出、輸入能量測(cè)量入-CU2-U22充剩2JE入=2x200x10(8702-702)=75.2J絕對(duì)效率^二%x100%=1200mJx100%=1.60%E入75.2J同理得到不同充電電壓的E入、n、。見表2輸入輸、出能量如圖1。表2.輸入輸、出能量絕對(duì)效率和斜效率表1.出入輸出能量的測(cè)量工作物質(zhì)Y-Nd3+AG儲(chǔ)能電容C/10-6F200充電電壓U/V入870850800750700650600550500450400350300剩余電壓U/V剩70707070656055555555555555輸出能量E出/mJ120011601098879723610449389302143.537.62.630輸入能量E入/J75.2071.7663.5155.7648.5841.8935.7029.9524.7019.9515.7011.958.70絕對(duì)效率n1.60%1.62%1.73%1.58%1.49%1.46%1.26%1.30%1.22%0.72%0.24%0.02%0.00%斜效率n—斜-J1.94%

1300120011001000900800700600500400300200100102030405060708090100￡入/〕圖1.輸出特性曲線由公式門=，出廣，b，耳釗為圖1中曲線的斜率，將圖1中進(jìn)行線性擬合得到n見表2中，

斜E-E斜斜從圖中可知，在一定范圍內(nèi)，激光器的斜效率呈線性關(guān)系，隨著輸入能量的增加，絕對(duì)效率呈線性增加。即充電電壓增加時(shí)，輸入、輸出能量呈線性關(guān)系.。通過輸入能量的調(diào)節(jié)可以調(diào)節(jié)輸出能量，并且輸入能量有一個(gè)最小值，小于這個(gè)最小值將沒有激光的輸出。圖小斜一E入曲線

0.0%2.01.81.61.41.21.00.80.60.40.201002003004005000.0%2.01.81.61.41.21.00.80.60.40.201002003004005006007008009001000110012001300E出/mJ2.測(cè)量發(fā)散角在調(diào)節(jié)好位置后，打出三個(gè)聚焦燒蝕斑點(diǎn)，用讀數(shù)顯微鏡測(cè)出斑點(diǎn)直徑得到數(shù)據(jù)如表3.表3.發(fā)三角的測(cè)量透鏡焦距f'/mm156光斑直徑縱橫縱橫縱橫平均D/mm2.6911.3552.6551.3632.6671.3902.0202發(fā)散角0/rad6.475X10-3rad如表3,由公式時(shí)=D=2.0202mm=0.01295rad，0=-時(shí)=0.006475rad=6.475X10-3rad。f‘156mm2結(jié)果如表3所示。從結(jié)果可以看出，激光器輸出的激光方向性很好，發(fā)散立體角在“毫弧度”數(shù)量級(jí)，通過一個(gè)透鏡使輸出能量集中在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，產(chǎn)生局部高溫。能將底片燒蝕。激光的方向性與諧振腔的好壞、工作物質(zhì)、反射鏡、輸出鏡有關(guān)，主要是諧振腔。因此，要得到方向性好的激光，就必須要好的諧振腔，以獲得更好的激光。【思考與討論】怎樣調(diào)整YAG激光器的諧振腔？答：（1）將全反鏡連同框架一起卸掉或使其明顯偏離標(biāo)準(zhǔn)位置，并用紙擋住半反鏡，調(diào)節(jié)基座，使棒的兩個(gè)端面反射回來的光斑恰好進(jìn)入白色小孔屏的小孔，這時(shí)棒的端面已經(jīng)與激光垂直（因棒的兩端面是平行的，所以通常只看到一個(gè)反射斑。取掉擋住半反鏡的紙片，調(diào)節(jié)半反鏡框架上的螺絲，使它反射回來的光斑也進(jìn)入小孔。輕輕裝上全反鏡，用紙片擋住工作物質(zhì)，再調(diào)節(jié)全反鏡框架上的螺絲，使它反射回來的光也進(jìn)入小孔。斜效率的物理意義是什么？答：斜效率是輸出能量與輸入能量的變化比例，反應(yīng)輸入、輸出能量的關(guān)系。即輸出能量與輸入能量成正比,且是線性關(guān)系。斜效率是衡量激光器好壞的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，斜效率越高，絕對(duì)效率就越高，激光器就越節(jié)能，輸出功