激光原理實(shí)驗(yàn)(山科大)

10試驗(yàn)一He-Ne〔一〕試驗(yàn)?zāi)康呐c要求目的：使學(xué)生了解激光器模式的形成及特點(diǎn)，加深對(duì)其物理概念的理解；通過測(cè)試分析，把握理，性能，學(xué)會(huì)正確使用。He-Ne激光器的相鄰縱橫模間隔，判別高階橫模的階次；觀看激光器的頻率漂移記跳?，F(xiàn)象體會(huì)諧振腔的調(diào)整對(duì)它的影響?！捕吃囼?yàn)原理激光器模的形成我們知道，激光器的三個(gè)根本組成局部是增益介質(zhì)、諧振腔和鼓勵(lì)能源。假設(shè)用某種鼓勵(lì)方式，在介質(zhì)的某一對(duì)能級(jí)間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，由于自發(fā)輻射和受激輻射的作用，將有肯定頻率的光波產(chǎn)生，在腔內(nèi)傳播，并被增益介質(zhì)漸漸增加、放大，如圖1-11-2G()光，要產(chǎn)生激光還需要有諧振腔對(duì)其進(jìn)展光學(xué)反響，使光在屢次來(lái)回傳播中圖1-1粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 形成穩(wěn)定持續(xù)的振蕩形成持續(xù)振蕩的條件是，光在諧振腔內(nèi)來(lái)回一周的光程差應(yīng)是波長(zhǎng)的整數(shù)倍，即2Lq 〔1-1〕q為折射率，對(duì)氣體≈1；L為腔q為正整數(shù)。這正是光波相干的極大條件，滿足此條件的光將獲得極大增加。每一q對(duì)應(yīng)縱向一種穩(wěn)定的電磁場(chǎng)分布，叫作q稱作縱模序數(shù)。q是一個(gè)很大q值，即激光器有幾個(gè)不同的縱模。從〔2-1〕式中，我們還看出，這也是駐波形成的條件，腔內(nèi)的縱模是以駐波形式存在的，q值反映的恰是駐波波腹的 圖1-2光的增益曲線 數(shù)目，縱模的頻率為 q cq 2L

〔1-2〕同樣，一般我們不去求它，而關(guān)心的是相鄰兩個(gè)縱模的頻率間隔q1

c2L

c 〔1-3〕2L從〔2-3〕式中看出，相鄰縱模頻率間隔和激光器的腔長(zhǎng)成反比，即腔越長(zhǎng)，相鄰縱模頻率間隔越小，滿足振蕩條件的縱模個(gè)數(shù)越多；相反，腔越短，相鄰縱模頻率間隔越大，在同樣法之一。光波在腔內(nèi)來(lái)回振蕩時(shí)，一方面有增益，使光不斷增加；另一方面也存在著多種損耗，所以，不僅要滿足諧振條件，還需要增益大于各種損耗的總和，才能形成持續(xù)振蕩，有2-3所以，有三個(gè)縱模形成持續(xù)振蕩。對(duì)于縱模的觀測(cè)，由于q值很大，相鄰縱模頻率差異很小，一般的分光儀器無(wú)法區(qū)分，必需使用精度較高的檢測(cè)儀器才能觀測(cè)到。諧振腔對(duì)光屢次反響，在縱向形成不同的場(chǎng)分布，那么對(duì)橫向是否也會(huì)產(chǎn)生影響呢？答復(fù)是確定的，這是由于光每經(jīng)過放電毛細(xì)管反響一次，就相當(dāng)于一次圖1-3縱模和縱模間隔 衍射，屢次反復(fù)衍射，就在橫向形成了一個(gè)或多個(gè)穩(wěn)定的衍射光斑每一個(gè)衍射光斑對(duì)應(yīng)一種穩(wěn)定的橫向電磁場(chǎng)分布稱為一個(gè)橫模。圖2-4中給出了幾種常見的根本橫模光斑圖樣我們所看到的簡(jiǎn)單的光斑則是這些根本TEM

mnq為縱模的mnq標(biāo)記。m是沿Xn是沿Y軸場(chǎng)強(qiáng)為零的節(jié)點(diǎn)數(shù)。圖1-4常見的橫模光斑圖同樣，不同的橫模也對(duì)應(yīng)不同的頻率。橫模序數(shù)越大，頻率越高。通常我們也不需要求出橫模頻率，我們關(guān)心的是不同橫模間的頻率差。經(jīng)推導(dǎo)得c 1 L L 1mn

2L

(mn)arccos

)R R

2 〔1-4〕

1 2 m、n分別表示X、YR、R為諧振腔的兩個(gè)反射鏡的曲率1 2半徑，相鄰的橫模頻率間隔為

1

L L 1mn1

q1

arccos

)R R

2 〔1-5〕

1 2 從上式中還可看出，相鄰的橫模頻率間隔與相鄰的縱模頻率間隔的比值是一個(gè)分?jǐn)?shù)，如圖1-5值越大。當(dāng)腔長(zhǎng)等于曲率半徑時(shí)〔LR1

R，分?jǐn)?shù)值到達(dá)極大，即橫模間隔是縱模間21/221圖1-5縱模、橫模的分布肯定是基橫模，這是不對(duì)的，而應(yīng)依據(jù)高階橫模具有高頻率來(lái)確定。mn無(wú)法僅從頻譜圖上確定，由于頻譜圖上只能看到有幾個(gè)不同的mn，可以測(cè)出mn的差值，然而不同的mn可對(duì)應(yīng)一樣的mn，在頻譜圖上則是一樣的，因此要確定m和n各是多少，還需結(jié)合激光器輸出的光斑圖形進(jìn)展推斷。當(dāng)我們對(duì)光斑進(jìn)展觀看時(shí)，2-4中幾個(gè)單一態(tài)光斑圖形的組合。當(dāng)只有一個(gè)橫模時(shí)，很簡(jiǎn)潔識(shí)別。假設(shè)橫模個(gè)數(shù)比較多，或基橫模很強(qiáng)，掩蓋了其它橫模，或某高階模太弱，都系，就可縮小考慮的范圍，從而能準(zhǔn)確地確定出每個(gè)橫橫的m和n值。共焦球面掃描干預(yù)儀共焦球面掃描干預(yù)儀是一種區(qū)分率很高的分光儀器量設(shè)備。本試驗(yàn)就是通過它將彼此頻率差異甚小〔幾十至幾百M(fèi)Hz，用一般光譜儀器無(wú)法區(qū)分的各個(gè)不同的縱模、橫模呈現(xiàn)成頻譜圖來(lái)進(jìn)展觀測(cè)的。在本試驗(yàn)中，它起著關(guān)鍵作用。l〔RRl1 2兩塊反射鏡中的一塊是固定不變的，另一塊固定在可隨外加電壓而變化的壓電陶瓷2-6所示。圖中，①為由低膨脹系數(shù)材料制成的間隔圈，用以保持兩球形凹面反射鏡RR總是處在共焦?fàn)? 2態(tài)。②為壓電陶瓷環(huán)其特性是假設(shè)在環(huán)的內(nèi)外壁上加肯定數(shù)值的電壓環(huán)的長(zhǎng)度將 圖1-6共焦球面掃描干預(yù)儀內(nèi)部構(gòu)造示意圖 隨之發(fā)生變化，而且長(zhǎng)度的變化量與外加電壓的幅度成線性關(guān)系，這是掃描干預(yù)儀被用來(lái)掃描的根本條件由于長(zhǎng)度的變化量很小僅為波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)，所以，外加電壓不會(huì)轉(zhuǎn)變腔的共焦?fàn)顟B(tài)。但是當(dāng)線性關(guān)系不好時(shí)，會(huì)給測(cè)量帶來(lái)肯定誤差。X4l2-7示。光在腔內(nèi)每走一個(gè)周期都會(huì)有一局部光從鏡面透射點(diǎn)，形成一束束透射光1、2、3??和1、2、3??我們?cè)趬弘娞沾缮霞右痪€性電壓，當(dāng)外加電壓使腔長(zhǎng)變化到某一長(zhǎng)度l ，圖 1-7共焦球面掃描干涉儀內(nèi)部光路圖a使相鄰兩次透射光束的光程差是入射光中模波長(zhǎng)為a

這條譜線波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，即滿足4l k 〔1-6〕a a模將產(chǎn)生相干極大透射〔k為掃描干預(yù)儀的干預(yù)序數(shù)，為一個(gè)正整數(shù)，而其它波長(zhǎng)的模a則不能透過。同理，外加電壓又可使腔長(zhǎng)變化到lb

，使模b

極大透射，而a

等其它模又不來(lái)轉(zhuǎn)變腔長(zhǎng)，就可以使激光器具有的全部不同波長(zhǎng)〔或頻率〕的模依次相干極大透過，形成掃描?；娇墒筪

a

會(huì)再次消滅極大，于是有4l k (k1) 〔1-7〕d d ak序中的d

k1序中的a

同時(shí)滿足極大條件，兩個(gè)不同波長(zhǎng)的模被同時(shí)掃出，疊加在一起。所以，掃描干預(yù)儀本身存在一個(gè)不重序的波長(zhǎng)范圍限制，即所謂自由光譜范圍，它是指掃描干預(yù)儀所能掃出的不重序的最大波長(zhǎng)差或頻率差用 或 表示假設(shè)上S.R. S.R.例中的ld

為剛剛重序的起點(diǎn)，則d

即為此干預(yù)儀的自由光譜范圍值。經(jīng)推導(dǎo)，可得a d a

a 4l

(1-8)由于d

d與之間相差很小，腔長(zhǎng)的變化僅為波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)，上式可近似表示為aS.R.

24l

〔1-9〕式中為平均波長(zhǎng)。用頻率表示，則為c S.R. 4l

〔1-10〕在模式分析試驗(yàn)中，由于我們不期望消滅〔2-7〕式中的重序現(xiàn)象，應(yīng)選用掃描干預(yù)儀時(shí)，必需首先知道它的自由光譜范圍 和待分析激光器的頻率范圍 ，并使S.R. 。這樣，才能保證頻譜圖上不重序，腔長(zhǎng)與模的波長(zhǎng)〔或頻率〕間是一一對(duì)應(yīng)S.R.關(guān)系。/4時(shí)所對(duì)應(yīng)的掃描范圍。由于，光在共焦腔內(nèi)呈X1。另外，還可以看出，當(dāng)滿足S.R.條件后，假設(shè)外加電壓足夠大，使腔長(zhǎng)最大的變化量是/4的i倍，那么將會(huì)掃描出i個(gè)干預(yù)序，激光器的全部模將周期性地重復(fù)消滅在干預(yù)序k、k1ki中?！踩吃囼?yàn)設(shè)備He-Ne激光器、激光電源、小孔光闌、共焦球面掃描干預(yù)儀、鋸齒波發(fā)生器、放大器、示波器等試驗(yàn)裝置如以下圖〔四〕試驗(yàn)步驟與內(nèi)容〔四〕試驗(yàn)步驟與內(nèi)容1.按裝置圖連接線路，經(jīng)檢查無(wú)誤，方可接通。點(diǎn)燃激光器，留意，激光管內(nèi)與鋁筒相連的伸出端為陰極，不要接反。光闌小孔的中心四周，這時(shí)說(shuō)明入射光束和掃描干預(yù)儀的光軸根本重合。將放大器的接收部位對(duì)準(zhǔn)掃描干預(yù)儀的輸出端。接通放大器、鋸齒波發(fā)生器、示波器的電源開關(guān)。觀看使波器上呈現(xiàn)的頻譜圖，進(jìn)一步細(xì)調(diào)干預(yù)儀的兩個(gè)方位螺絲，使譜線盡量強(qiáng)，噪聲很小。區(qū)分共焦強(qiáng)球面掃描干預(yù)儀的自由光譜區(qū)，確定示波器橫軸上每cm所對(duì)應(yīng)的頻率數(shù)。觀看多模激光器的模譜，登記其波形及光斑圖形〔可在遠(yuǎn)場(chǎng)直接觀看〕，并且測(cè)出縱模間隔由干預(yù)儀的自由光譜區(qū)計(jì)算激光器相鄰縱模間隔，并與理論值相比較測(cè)出縱模個(gè)數(shù)，由縱模個(gè)數(shù)及相鄰縱模間隔計(jì)算出激光器工作物質(zhì)的增益線寬〔通常He-Ne1300MHz〕分析推斷是否存在高階橫模，估量其階數(shù)，并與遠(yuǎn)場(chǎng)光斑加以比較依據(jù)橫模的頻率頻譜特征，在同一干預(yù)序k內(nèi)有幾個(gè)不同的橫模，并測(cè)出不同的橫模頻率間隔。與理論值比較，檢查識(shí)別是否正確。代入公式〔1-5〕，解出 的值。依據(jù)定義，測(cè)量掃描干預(yù)序的精細(xì)常數(shù)F.為提高測(cè)量的準(zhǔn)確度，需將示波器的X軸再代表的頻率間隔值。轉(zhuǎn)變放電電流，參加小孔，觀看以上因素對(duì)激光模式的影響用吹風(fēng)的方法觀看模譜頻率的漂移和“跳?！爆F(xiàn)象，并解釋其緣由。試驗(yàn)二激光工作物質(zhì)的放射和吸取譜〔一〕試驗(yàn)?zāi)康呐c要求譜，以及改進(jìn)光源提高激光工作物資對(duì)光源的吸取的效率。要求：把握激光工作物質(zhì)的放射譜和吸取譜的測(cè)試方法〔二〕試驗(yàn)原理紅寶石是摻有少量Cr的Al0單晶，Cr3d54S1，摻入Al0晶格后，23 23失去外層三個(gè)電子，變成三價(jià)的C3+離子，紅寶石晶體的光譜就是C3+3dr r子發(fā)生能級(jí)躍遷的反映，人們依據(jù)紅寶石晶體的吸取光譜和晶體場(chǎng)理論推知C3+離子參與激r2-14A是基態(tài)，2E〔14400cm-1〕是亞穩(wěn)態(tài)，壽命2比較長(zhǎng)，約為3ms，4F〔25000cm-1〕和1

4F〔17000cm-1〕是兩個(gè)吸取帶，紅寶石晶體的激光22E4A2694.3nm2E2E4A2R1R2，R1694.3nm，R2692.9nm，由于高能級(jí)粒子數(shù)少于低能級(jí)，所以激光輸出總是R1線。Cr3+410.0nm4F態(tài)，也能吸取波1550.0nm4F態(tài),這兩個(gè)吸取帶的帶寬都在100.0nm2與氙燈或汞弧燈的光譜匹配較好，所以紅寶石激光器適宜于承受氙燈或汞弧燈泵浦。由于紅寶石晶體的各向異性，它的吸取特性與光的偏振狀態(tài)有關(guān)，入射光的振動(dòng)方向與晶體光軸相互垂直〕或相互平行C，其吸取曲線稍有不同，如圖22C0C90o60o,0o60o90o測(cè)量某一物質(zhì)的吸取系數(shù)時(shí)，通常將該物質(zhì)做成厚度不同的兩個(gè)樣品，分別測(cè)量其透射光強(qiáng)，即可求出吸取系數(shù)。d和dI1 2 O后的光強(qiáng)分別變?yōu)镮I，設(shè)樣品的吸取系數(shù)為K，則1 2I=Ie-e-kd1 〔2—1〕1 0聯(lián)立方程〔2—1〕和〔2—2〕求出

I=Ie-ekd22 01 I

〔2—2〕Kd d1 2

In 1I2

〔2—3〕假設(shè)轉(zhuǎn)變?nèi)肷涔獾牟ㄩL(zhǎng)，則可以得到一條吸取系數(shù)隨入射光波長(zhǎng)而變化的曲線。2—3光源光源光柵光譜儀樣品室傳感器接口電計(jì)算機(jī)路2—3吸取光譜測(cè)量試驗(yàn)裝置框圖光柵單色儀的光學(xué)原理試驗(yàn)中所使用的儀器是WGD—3型組合式多功能光柵光譜儀，具有波長(zhǎng)精度高、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，是集光學(xué)周密機(jī)械，電子學(xué)，計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的設(shè)備。如圖2—4所示，光源S1，S1M2S1M2反射成平行光束投向平面光柵GM3成像在出射狹縫S2S3上。2—4光學(xué)原理圖SMMMMS〔光電倍增管接收2—4光學(xué)原理圖1 1 2 3 4 2S〔觀看窗〕3紅寶石樣品室紅寶石樣品室〔如圖2—塊厚度分別為d=3mmd=20mm90°的支架上，1 2以便分別測(cè)量透過兩樣品的光強(qiáng)。紅寶石晶體2—5樣品室為了測(cè)量準(zhǔn)確，要求兩片紅寶石樣品的吸取特性全都，因此要求從同一塊晶體中切取，兩片樣品的厚度差要足夠大?！踩吃囼?yàn)設(shè)備UV-754He-Ne〔四〕試驗(yàn)步驟與內(nèi)容用卡尺測(cè)量紅寶石片的厚度，登記紅寶石厚度x來(lái)。翻開儀器的樣品盒，把紅寶石片放入的二個(gè)樣品室中。關(guān)閉樣品盒蓋。翻開UV-754型分光光度計(jì)的電源，這時(shí)候鎢燈就點(diǎn)燃了，再按下氫燈的觸發(fā)開關(guān)，點(diǎn)燃?xì)錈?。旋轉(zhuǎn)波長(zhǎng)旋鈕，選擇測(cè)量波長(zhǎng)。把第一個(gè)樣品盒推入光路中。穩(wěn)定后儀器的指示出100%把其次個(gè)樣品盒推入樣品室中。穩(wěn)定后儀器顯示出在這個(gè)波長(zhǎng)下的透射率來(lái)。登記測(cè)得的數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)變波進(jìn)步行下一次測(cè)量。350650在計(jì)算器上利用測(cè)到的透過率和紅寶石片的厚度算出在這個(gè)波長(zhǎng)下的吸取系數(shù)。用一條光滑的曲線連接數(shù)據(jù)點(diǎn)。在曲線上找出兩個(gè)吸取峰，并確定吸取峰的波長(zhǎng)用光譜儀觀看工作物質(zhì)放射譜試驗(yàn)三He-Ne〔一〕試驗(yàn)?zāi)康呐c要求He-Ne有個(gè)定量了解。要求：測(cè)量He-Ne激光器高斯光束曲線，計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角?！捕吃囼?yàn)原理激光束的模式的縱向〔腔軸方向〕和橫向〔垂直腔軸方向〕光場(chǎng)分布。用符號(hào)TEMmn標(biāo)志不同橫模的光場(chǎng)分布。穩(wěn)定腔的輸出頻率特性為： c q

1mns

ggg1 2mnq

2L mnq

c q2Lq

1m2ns

gg1 2gg1 2其中：g

1L，g

LRR

為兩個(gè)球面反射鏡1 R 2 R 1 21 2m和n為橫模序數(shù)〔對(duì)于方形鏡和圓形鏡的定義不同q光工作介質(zhì)的折射率。激光不同的橫模有不同的光強(qiáng)分布，見圖3－1。3－1左圖為方形鏡一些低階模式的光強(qiáng)圖樣；右圖為圓形鏡一些低階模式的光強(qiáng)圖樣。對(duì)應(yīng)不同的光斑圖樣，可用探測(cè)器直接測(cè)量光強(qiáng)的空間分布來(lái)分析橫模構(gòu)造。激光束的發(fā)散角和衍射倍率因子激光的方向性是描述輸出激光光束質(zhì)量的重要指標(biāo)。激光的空間相干性和它的方向性〔用光束發(fā)散角衡量〕是嚴(yán)密相關(guān)的。激光方向性越好，它的空間相干性就越高。不同類型激光器的方向性相差很大，這與工作介質(zhì)的類型和均勻性、光腔類型、腔長(zhǎng)、鼓勵(lì)方式以及激光器的工作狀態(tài)有關(guān)。高斯光束。高斯光束沿z3－2W在zf (f

0為共焦參量),曲率半徑有最小值W2z 化:

R 2f;光斑尺寸W(z)隨坐標(biāo)z按雙曲線規(guī)律變f1z=0處的W(0)最小,稱為束腰,記為WW2 f2 00fflim 2 2

為共焦腔基模遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角(相應(yīng)高階橫模的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)0 z z W0散角 m(n)

2m(n)1(方鏡)、 m2n1(圓鏡)).該發(fā)散角(全角)定義為0 mn 0雙曲線的兩根漸近線之間的夾角(見圖2).該角度的大小隨不同的激光腔及腔參數(shù)而不同,用于描述激光束的方向性,θ越大則激光的方向性越差.目前國(guó)際上普遍將光束衍射倍率因子M2作為衡量激光光束空域質(zhì)量的參量.其定義為:M2

實(shí)際光束的腰斑半徑與遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的乘積基模高斯光束的腰斑半徑與遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的乘積

W mn mn,W其中,W

2,W

2m(n)12

0 0(方鏡),W

m2n120 0

m(n)

m(n)

mn mn (圓鏡).由以上論述可知,基模高斯光束具有最小的M2值(M2=1),其光腰半徑和發(fā)散角也最小,到達(dá)衍射極限高階、多模高斯光束或其他非抱負(fù)光束(如波前畸變)的M2值均大于1.M2值可以表征實(shí)際光束偏離衍射極限的程度,因此被稱為衍射倍率因子.M2值越大,光束衍射發(fā)散越快?！踩吃囼?yàn)設(shè)備He-Ne激光器、激光電源、小孔光闌、探測(cè)器、光學(xué)光具座、放大器、函數(shù)記錄儀、激光光束、計(jì)算機(jī)等。試驗(yàn)裝置如以下圖：〔三〕試驗(yàn)步驟與內(nèi)容用逐點(diǎn)掃描法測(cè)定曲線，確定不同z調(diào)整He-Ne的幅值為止。留意光斑位置，肯定要使小孔掃描時(shí)是沿著通過光斑直徑的方向進(jìn)展。確定適宜的記錄儀靈敏度和掃描速度，然后，分別取27zr的z值，正是記錄曲線，并按定義計(jì)算不同z鑒定激光束是TEM00模的高斯光束。計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角。用講義上的兩種方法進(jìn)展計(jì)算。試驗(yàn)四半導(dǎo)體泵浦全固態(tài)激光器〔一〕試驗(yàn)?zāi)康呐c要求目的：半導(dǎo)體泵浦532nm綠光激光器適用于大學(xué)近代物理學(xué)中非線性光學(xué)試驗(yàn)。本試驗(yàn)以808nm半導(dǎo)體泵浦Nd：YVO4

激光器為爭(zhēng)論對(duì)象，讓學(xué)生自己動(dòng)手，調(diào)整激光器光路，產(chǎn)生1064nm激光。在腔中插入KTP532nm位匹配角等根本參數(shù)。從而對(duì)激光原理及倍頻等激光技術(shù)有肯定了解。要求：把握測(cè)量倍頻效率的方法〔二〕試驗(yàn)原理全固態(tài)倍頻Nd:YVO激光器即是以半導(dǎo)體激光器(LDNd:YVO4 41064nm532nm1.LDLDLD由于LD發(fā)光帶寬很窄，僅有幾個(gè)納米，可依據(jù)工作物質(zhì)的吸取峰來(lái)選擇與之相近發(fā)光波長(zhǎng)的LD，削減熱效應(yīng)。5-10由于LD發(fā)出的光大局部被激光介質(zhì)所吸取，極大的提高了光泵效率，其電光轉(zhuǎn)換效15%以上。提高了激光器的頻率穩(wěn)定性,線寬變窄。由于激光器熱效應(yīng)的削減，同時(shí)泵浦源LD輸出功率穩(wěn)定性很高，泵浦功率的波動(dòng)對(duì)線寬的影響大大降低。提高輸出光的質(zhì)量。牢靠性提高，使用壽命大大延長(zhǎng)。LD105小時(shí)以上，遠(yuǎn)高于閃光燈泵浦源的壽命。小型化。體積小、重量輕、供能簡(jiǎn)便、可全固化。全固態(tài)倍頻Nd:YVO激光器的構(gòu)造4全固態(tài)倍頻Nd:YVO3-142 4 51 3 64-1LDNd:YVO4

激光器構(gòu)造示意圖制冷與溫控系統(tǒng);2.LD; 3.光學(xué)耦合系統(tǒng);4.增益介質(zhì)Nd:YVO晶體; 5.KTP倍頻晶體; 6.輸出耦合鏡;4激光二極管〔LD〕LD承受AlGaAs8104nm.P-n入型器件，因此用轉(zhuǎn)變注入電流的大小來(lái)轉(zhuǎn)變激光器的輸出功率。LD的發(fā)散角比較大，在垂直于結(jié)方向的發(fā)散角寬度約40o,平行于結(jié)方向的發(fā)散角約為10o,是一橢圓度很大的發(fā)散光。LD輸出波長(zhǎng)具有不確定性，隨溫度上升而增長(zhǎng)，漂移量為0.2~0.3nm/℃。隨著環(huán)境溫度的變化，不僅峰值波長(zhǎng)飄移，輸出功率與閾值電流也均有變化。LD的輸出激光為高度線偏振，偏振方向平行于結(jié)平面即發(fā)光元的線度方向。制冷與溫控系統(tǒng)由于LD比其他泵浦源來(lái)講光譜寬度較窄〔<3nm〕,當(dāng)對(duì)準(zhǔn)增益介質(zhì)的吸取峰時(shí)，可實(shí)現(xiàn)LDNd:YVO4808nm2nmLD對(duì)準(zhǔn)增益介質(zhì)的吸取峰。承受半導(dǎo)體制冷片來(lái)制冷，制冷片冷面緊貼LD管殼，以降低由于LD〔與結(jié)溫有誤差。當(dāng)半導(dǎo)體制冷片制冷量缺乏以消退LD產(chǎn)生的熱量時(shí)，可在制冷片的熱面再加一個(gè)大散熱片或水冷裝源之間串入溫控儀，自動(dòng)控溫使LD光學(xué)耦合系統(tǒng)LD1μmX280μm，發(fā)散角大且不對(duì)稱，遠(yuǎn)場(chǎng)光斑為橢圓。為增大泵光斑變?yōu)榻茍@，減小泵浦光斑大小，獲得足夠的泵浦功率密度，提高泵浦效率，降低泵浦閾值。因此需要加光學(xué)耦合系統(tǒng)。光學(xué)耦合系統(tǒng)有很多類型，如成像光學(xué)系統(tǒng)、柱面透鏡系統(tǒng)、光纖束系統(tǒng)、自聚焦微透鏡系統(tǒng)、非球面透鏡等。本裝置承受非球面透鏡作為光學(xué)耦合系統(tǒng)。增益介質(zhì)Nd:YVO晶體4Nd:YVOaσ偏振光〔E⊥c〕和π偏振光〔E//c〕4πa割π偏振光。Nd:YVO4

晶體與立方晶系的Nd:YAG晶體光譜構(gòu)造格外接近，Nd:YVO4

晶體的吸808nm1064.3nm。Nd:YVO4

晶體與摻釹濃度一樣的Nd:YAG晶體相比，Nd:YVO4

晶體有著較大的放射截面、較寬的吸取帶寬、較高的吸取系數(shù)、較短的壽命及偏振輸出的特點(diǎn)。因此，Nd:YVO晶體的4放射截面較高，意味著具有較高的激光增益，激光閾值較低；Nd:YVO晶體寬的吸取帶不僅4泵浦效率更高，更易與泵浦源匹配，可在更寬的溫度范圍下運(yùn)行，并使激光介質(zhì)長(zhǎng)度更短。3x3x1mm3。Nd:YVO晶體的轉(zhuǎn)換效率可到達(dá)60-70%以上。激光4介質(zhì)的兩端面加工成光學(xué)平面，前端面鍍?nèi)?，?duì)泵浦光波長(zhǎng)808nm高透、對(duì)1064nm和532nm1064nm532nm膜。將Nd:YVO晶體的前端面直接作為諧振腔鏡，可降低泵浦光的損耗，提高利用率，同時(shí)4也削減諧振腔獨(dú)立調(diào)整數(shù)目。倍頻晶體光的倍頻是一種最常用的擴(kuò)展波段的非線性光學(xué)方法。激光倍頻是將頻率為ω的光，通過晶體中的非線性作用，產(chǎn)生頻率為2ω的光。當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí)，物質(zhì)中的原子會(huì)因感應(yīng)而產(chǎn)生電偶極矩。單位體積內(nèi)的感應(yīng)電偶極矩疊加起來(lái)，形成電極化強(qiáng)度矢量。電極化強(qiáng)度產(chǎn)生的極化場(chǎng)放射出次級(jí)電磁輻射。當(dāng)外加光場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度比物質(zhì)原子的內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)小的多時(shí)度成正比。P=ε χE0在激光沒有消滅之前，當(dāng)有幾種不同頻率的光波同時(shí)與該物質(zhì)作用時(shí)，各種頻率的光都線性獨(dú)立地反射、折射和散射，滿足波的疊加原理，不會(huì)產(chǎn)生的頻率。當(dāng)外界光場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大時(shí)〔如激光〕，物質(zhì)對(duì)光場(chǎng)的響應(yīng)與場(chǎng)強(qiáng)具有非線性關(guān)系：P=αE+βE2+γE3+?式中α，β，γ，?均為與物質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，且逐次減小，它們數(shù)量級(jí)之比為

1 E原子其中E原子

為原子中的電場(chǎng)，其量級(jí)為108V/cm，當(dāng)時(shí)上式中的非線性項(xiàng)E2、E3等均是小量，可無(wú)視，假設(shè)E很大，非線性項(xiàng)就不能無(wú)視?？紤]電場(chǎng)的平方項(xiàng)E=E cost0P(2)E2E0

1E2(1cos2t))2 0消滅直流項(xiàng)和二倍頻項(xiàng)cos2t晶體時(shí)，在晶體產(chǎn)生倍頻光，產(chǎn)生倍頻光的入射角稱為匹配角。倍頻光的轉(zhuǎn)換效率為倍頻光與基頻光的光強(qiáng)比，通過非線性光學(xué)理論可以得到：II

L2I

sin2(kL/2)(kL/2) 式中L為晶體長(zhǎng)度，Iω

、I分別為入射的基頻光、輸出的倍頻光的光強(qiáng)，2ω△k=kω

-2k分別為基頻光和倍頻光的額傳播矢量。2ω在正常色散的狀況下，倍頻光的折射率n總是大于基頻光的折射率，所以相位失配，2ω雙折射晶體中o光和e光的折射率不同，且e光的折射率隨著其傳播方向與光軸間夾角的變化而轉(zhuǎn)變，可以利用雙折射晶體中o光、e光間的折射率差來(lái)補(bǔ)償介質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光的正常色散，實(shí)現(xiàn)相位匹配。倍頻晶體承受KTP晶體，KTP是正雙軸晶體，承受Ⅱ類相位匹配。其尺寸為2x2x5mm3。輸出耦合鏡輸出鏡為凹面鏡，鍍對(duì)1064nm532nm高透的雙色膜，與Nd:YVO晶體的前端面4構(gòu)成平凹諧振腔。激光器工作過程：LD發(fā)出的808nm的激光經(jīng)過光學(xué)耦合系統(tǒng)，聚焦到激光介質(zhì)中〔焦點(diǎn)在介質(zhì)內(nèi)，離介質(zhì)前端面1mm左右1064nm的激光在由激光介質(zhì)的前端面和輸出鏡形成的諧振腔中振蕩，經(jīng)過KTP532nmLD1W1064nm600mW，532nm150mW。三〕試驗(yàn)設(shè)備1、激光二極管2、耦合透鏡3、 4、KTP 5、輸出鏡6、擴(kuò)束鏡 7、起偏器 8、檢偏器 9、功率計(jì)〔四〕試驗(yàn)步驟與內(nèi)容808nmLD650nm650nm808nmLD將Nd：YVO晶體安裝在二維調(diào)整架上，紅色標(biāo)記與LD4并將返回的光點(diǎn)通過小孔。3．將輸出鏡〔前腔片〕固定在四維調(diào)整架上。調(diào)整輸出鏡使返回的光點(diǎn)通過小孔。對(duì)于有肯定曲率的輸出鏡，會(huì)有幾個(gè)光斑，應(yīng)區(qū)分出從球心返回的光斑。接通電源。調(diào)整輸出鏡，通過觀看紅外卡片，產(chǎn)生1064nm的激光。在Nd：YVO晶體和輸出鏡之間插入KTP532nm4LD532nm測(cè)量激光器的參數(shù)閾值器出光。這個(gè)臨界能量就為該器件的閾值能量。倍頻效率能量計(jì)測(cè)量倍頻光的能量，并利用公式，計(jì)算倍頻效率。相位匹配角角度與倍頻光的效率的關(guān)系圖，從圖中找出效率最大處的相位角，即為最正確匹配角。試驗(yàn)五電光調(diào)Q一、試驗(yàn)?zāi)康陌盐展腆w激光器中電光調(diào)Q技術(shù)的根本原理；把握調(diào)Q激光器輸出能量、脈沖寬度等主要指標(biāo)的測(cè)量方法；了解影響電光調(diào)Q效果的因素，并把握調(diào)試技術(shù)。二、試驗(yàn)原理一般不加調(diào)Q技術(shù)的固體激光器輸出的激光脈沖是由一系列強(qiáng)度不等尖峰脈沖序列組Q技術(shù)脈沖輸出峰值功率可達(dá)幾十兆瓦以上。目前電光調(diào)QQ由晶體光學(xué)可知，KD*P晶體在Z軸方向的電場(chǎng)作用下三個(gè)感應(yīng)主折射率為：1n nx”

n3 E2 0 631n ny” n nz e

n3 E2 0 63n0

O光折射率，ne

E光折射率，γ63

為光電系數(shù)，Ez方向電場(chǎng)強(qiáng)度，沿z方向入射的線偏光進(jìn)入長(zhǎng)度為e晶體后，沿主軸x′、y′方向分解相互垂直的偏振重量，并產(chǎn)生相位差：

2(n

n y”

2n3 0

E63

2n3 0

V63 ZV是沿z方向加在晶體上的電壓，當(dāng)通過晶體的光波波長(zhǎng)確定后，相位差ZΔ只取決于外加電壓Vπ弧度時(shí)所需要的電壓稱為“半波電壓V表Z λ/2示；當(dāng)相位差為π/2弧度時(shí)所需要的