激光原理实验(山科大)

实验一 He-Ne 激光器模式分析

（一）实验目的与要求

目的：使学生了解激光器模式的形成及特点，加深对其物理概念的理解；通过测试分析，掌握模式分析的基本方法。对本实验使用的重要分光仪器——共焦球面扫描干涉仪，了解其原理，性能，学会正确使用。

要求：用共焦球面扫描干涉仪测量He-Ne 激光器的相邻纵横模间隔，判别高阶横模的阶次；观察激光器的频率漂移记跳模现象，了解其影响因素；观察激光器输出的横向光场分布花样，体会谐振腔的调整对它的影响。

（二）实验原理 1．激光器模的形成

我们知道，激光器的三个基本组成部分是增益介质、谐振腔和激励能源。如果用某种激励方式，在介质的某一对能级间形成粒子数反转分布，由于自发辐射和受激辐射的作用，

将有一定频率的光波产生，在腔内传播，

并被增益介质逐渐增强、放大，如图1-1所示。实际上，由于能级总有一定的宽度以及其它因素的影响，增益介质的增益有一个频率分布，如图1-2所示，图中)(νG 为光的增益系数。只有频率落在这个范围

内的光在介质中传播时，光强才能获得不同程度的放大。但只有单程放大，还不足以产生激光，要产生激光还需要有谐振腔对其进行光学反馈，使光在多次往返传播中

图 1-1 粒子数反转分布 形成稳定、持续的振荡。形成持续

振荡的条件是，光在谐振腔内往返一周的光程差应是波长的整数倍，即

q q L λμ=2 （1-1）

式中，μ为折射率，对气体μ≈1；L 为腔长；q 为正整数。这正是光波相干的极大条件，满足此条件的光将获得极大增强。每一个q 对应纵向一种稳定的电磁场分布，叫作一个纵模，q 称作纵模序数。q 是一个很大

的数，通常我们不需要知道它的数值，而关心的是有几个不同的q 值，即激光器有几个不同的纵模。从（2-1）式中，我们还看出，这也是驻波形成的条件，腔内的纵模是以驻波形式

存在的，

q 值反映的恰是驻波波腹的 图 1-2 光的增益曲线 数目，纵模的频率为

L

c q

q μν2= （1-2）

同样，一般我们不去求它，而关心的是相邻两个纵模的频率间隔

L

c

L

c q 221≈

=

?=?μν （1-3） 从（2-3）式中看出，相邻纵模频率间隔和激光器的腔长成反比，即腔越长，相邻纵模频率间隔越小，满足振荡条件的纵模个数越多；相反，腔越短，相邻纵模频率间隔越大，在同样的增益曲线范围内，纵模个数就越少。因而用缩短腔长的办法是获得单纵模运行激光器的方法之一。

光波在腔内往返振荡时，一方面有增益，使光不断增强；另一方面也存在着多种损耗，

使光强减弱，如介质的吸收损耗、散射损耗、

镜面的透射损耗、放电毛细管的衍射损耗等。所以，不仅要满足谐振条件，还需要增益大于各种损耗的总和，才能形成持续振荡，有激光输出。如图2-3所示，有五个纵模满足谐振条件，其中有两个纵模的增益小于损耗，所以，有三个纵模形成持续振荡。对于纵模的观测，由于q 值很大，相邻纵模频率差异很小，一般的分光仪器无法分辨，必须使用

精度较高的检测仪器才能观测到。

谐振腔对光多次反馈，在纵向形成不同的场分布，那么对横向是否也会产

生影响呢？回答是肯定的，这是因为光每经过放电毛细管反馈一次，就相当于一次 图 1-3 纵模和纵模间隔 衍射，多次反复衍射，就在横向形成了一个或多个稳定的衍射光斑。每一个衍射光斑对应一种稳定的横向电磁场分布，称为一个横模。图2-4中，给出了几种常见的基本横模光斑图样。我们所看到的复杂的光斑则是这些基本

光斑的叠加。激光的模式用mnq TEM 来表示，其中，m 、n 为横模的标记，q 为纵模的标记。m 是沿X 轴场强为零的节点数，n 是沿Y 轴场强为零的节点数。

图 1-4 常见的横模光斑图

前面已知，不同的纵模对应不同的频率，那么同一个纵模序数内的不同横模又如何呢？同样，不同的横模也对应不同的频率。横模序数越大，频率越高。通常我们也不需要求出横模频率，我们关心的是不同横模间的频率差。经推导得

???

?

?

??????????

?--?+?=??+?21

21)1)(1(arccos )(12R L R L n m L c n

m πμν

（1-4） 其中，m ?、n ?分别表示X 、Y 方向上横模模序差，1R 、2R 为谐振腔的两个反射镜的曲率半径，相邻的横模频率间隔为

???

?

????????????--?=?=?=?+?21

2111

)1)(1(arccos 1R L R L q n m πνν

（1-5） 从上式中还可看出，相邻的横模频率间隔与相邻的纵模频率间隔的比值是一个分数，如图1-5所示。分数的大小由激光器的腔长和曲率半径决定，腔长与曲率半径的比值越大，分数值越大。当腔长等于曲率半径时（21R R L ==），分数值达到极大，即横模间隔是纵模间隔的1/2，横模序数相差为2的谱线频率正好与纵模序数相差为1的谱线频率简并。

图 1-5 纵模、横模的分布

激光器中能产生的横模个数，除前述增益因素外，还与放电毛细管的粗细，内部损耗等因素有关。一般说来，放电毛细管直径越大，可能出现的横模个数就越多。序数越高的横模，其衍射损耗越大，形成稳定的振荡就越困难，但激光器输出光中横模的强弱绝不能仅从衍射损耗一个因素考虑，而是由多种因素共同决定的。这是在模式分析实验中，辨认哪一个是高阶横模时易出错的地方。因为，仅从光的强弱来判断横模阶数的高低，即认为光最强的谱线一定是基横模，这是不对的，而应根据高阶横模具有高频率来确定。

横模频率间隔的测量同纵模频率间隔的测量一样，需借助展现的频谱图进行计算。但阶

m+，可以测出数m和n无法仅从频谱图上确定，因为频谱图上只能看到有几个不同的n

m+，在频谱图上则是相同的，因此要确n

m+的差值，然而不同的m或n可对应相同的n

定m和n各是多少，还需结合激光器输出的光斑图形进行判断。当我们对光斑进行观察时，看到的是全部横模的叠加图，即图2-4中几个单一态光斑图形的组合。当只有一个横模时，很容易辨认。如果横模个数比较多，或基横模很强，掩盖了其它横模，或某高阶模太弱，都会给分辨带来一定的难度。但由于我们有频谱图，知道了横模的个数及彼此强度上的大致关系，就可缩小考虑的范围，从而能准确地确定出每个横横的m和n值。

2．共焦球面扫描干涉仪

共焦球面扫描干涉仪是一种分辨率很高的分光仪器，它已成为激光技术中一种重要的测

量设备。本实验就是通过它将彼此频率差异甚小（几十至几百MHz ），用一般光谱仪器无法分辨的各个不同的纵模、横模展现成频谱图来进行观测的。在本实验中，它起着关键作用。

共焦球面扫描干涉仪是一个无源谐振腔，它由两块球形凹面反射镜构成共焦腔，即两块

反射镜的曲率半径和腔长l 相等

（l R R ='='21）。反射镜镀有高反射率膜。

两块反射镜中的一块是固定不变的，另一块固定在可随外加电压而变化的压电陶瓷环上，如图2-6所示。图中，①为由低膨胀系数材料制成的间隔圈，用以保持两球

形凹面反射镜1

R '和2R '总是处在共焦状态。②为压电陶瓷环，其特性是若在环的内外壁上加一定数值的电压，环的长度将 图 1-6 共焦球面扫描干涉仪内部结构示意图 随之发生变化，而且长度的变化量与外加电压的幅度成线性关 系，这是扫描干涉仪被用来扫描的基本条件。由于长度的变化量很小，仅为波长数量级，所以，外加电压不会改变腔的共焦状态。但是当线性关系不好时，会给测量带来一定误差。

当一束激光以近光轴方向射入干涉仪后，在共焦腔中经四次反射呈X 形路径，光程近似

为4l ，见图2-7所

示。光在腔内每走一个周期都会有一部分光从镜面透射 出去。如在A 、B 两点，形成一束束透

射光1、2、3……和1'、2'、3'……我们在压电陶瓷上加一线性电压，当外加电压使腔长

变化到某一长度a l ，图 1-7 共焦球面扫描干涉仪内部光路图 使相邻两次透射光束的光程差是入射光中模波长为a λ这条谱线波长的整数倍时，即满足

a a k l λ=4 （1-6）

模a λ将产生相干极大透射（k 为扫描干涉仪的干涉序数，为一个正整数），而其它波长的模

则不能透过。同理，外加电压又可使腔长变化到b l ，使模b λ极大透射，而a λ等其它模又不能透过……因此，透射极大的波长值与腔长值之间有一一对应关系。只要有一定幅度的电压来改变腔长，就可以使激光器具有的所有不同波长（或频率）的模依次相干极大透过，形成扫描。

值得注意的是，若入射光的波长范围超过某一限度，外加电压虽可使腔长线性变化，但一个确定的腔长有可能使几个不同波长的模同时产生相干极大，造成重序。例如，当腔长变化到可使d λ极大时，a λ会再次出现极大，于是有

a d d k k l λλ)1(4+== （1-7）

即k 序中的d λ和1+k 序中的a λ同时满足极大条件，两个不同波长的模被同时扫出，叠加在一起。所以，扫描干涉仪本身存在一个不重序的波长范围限制，即所谓自由光谱范围，它是指扫描干涉仪所能扫出的不重序的最大波长差或频率差，用..R S λ?或..R S ν?表示。假如上例中的d l 为刚刚重序的起点，则d λ-a λ即为此干涉仪的自由光谱范围值。经推导，可得

d

d

a a d l 4λλλλ=

- (1-8)

由于d λ与a λ之间相差很小，腔长的变化仅为波长数量级，上式可近似表示为

l

R S 42

..λλ=

? （1-9）

式中λ为平均波长。用频率表示，则为

l

c

R S 4..=

?ν （1-10） 在模式分析实验中，由于我们不希望出现（2-7）式中的重序现象，故选用扫描干涉仪时，必须首先知道它的自由光谱范围..R S ν?和待分析激光器的频率范围ν?，并使

..R S ν?>ν?。这样，才能保证频谱图上不重序，腔长与模的波长（或频率）间是一一对应

关系。

自由光谱范围还可用腔长的变化量来描述，即腔长变化量为λ/4时所对应的扫描范围。因为，光在共焦腔内呈X 型路径行进，四倍路程的光程差正好等于λ，干涉序数改变为1。

另外，还可以看出，当满足..R S ν?>ν?条件后，如果外加电压足够大，使腔长最大的

变化量是λ/4的i 倍，那么将会扫描出i 个干涉序，激光器的所有模将周期性地重复出现在干涉序k 、1+k ……i k +中。

（三）实验设备

He-Ne 激光器、激光电源、小孔光阑、共焦球面扫描干涉仪、锯齿波发生器、放大器、示波器等

实验装置如下图

（四）实验步骤与内容

1. 按装置图连接线路，经检查无误，方可接通。

2. 点燃激光器，注意，激光管内与铝筒相连的伸出端为阴极，不要接反。

3. 调整光路，首先使激光束从光阑小孔通过，调整扫描干涉仪上下.左右位置，使光束正入射孔中心，在细调干涉仪板架上的两个方位螺丝，以使从干涉仪腔镜反射的最高的光点回到光阑小孔的中心附近，这时表明入射光束和扫描干涉仪的光轴基本重合。

4. 将放大器的接收部位对准扫描干涉仪的输出端。

5. 接通放大器、锯齿波发生器、示波器的电源开关。

6. 观察使波器上展现的频谱图，进一步细调干涉仪的两个方位螺丝，使谱线尽量强，噪声很小。

7. 分辨共焦强球面扫描干涉仪的自由光谱区，确定示波器横轴上每cm 所对应的频率数。 8. 观察多模激光器的模谱，记下其波形及光斑图形（可在远场直接观察），并且 （1）测出纵模间隔

（2）由干涉仪的自由光谱区计算激光器相邻纵模间隔 ，并与理论值相比较

（3）测出纵模个数，由纵模个数及相邻纵模间隔计算出激光器工作物质的增益线宽（通常认为He-Ne 激光器的多普勒线宽约1300MHz ）

（4）分析判断是否存在高阶横模，估计其阶数，并与远场光斑加以比较

9. 根据横模的频率频谱特征，在同一干涉序k内有几个不同的横模，并测出不同的横模频率间隔。与理论值比较，检查辨认是否正确。代入公式（1-5），解出的值。

10. 根据定义，测量扫描干涉序的精细常数F.为提高测量的准确度，需将示波器的X轴再增幅，此时可利用经过计算后已知的最靠近的模间隔数值找标尺，重新确定比值，既没厘米代表的频率间隔值。

11. 改变放电电流，加入小孔，观察以上因素对激光模式的影响

12. 用吹风的方法观察模谱频率的漂移和“跳模”现象，并解释其原因。

实验二激光工作物质的发射和吸收谱

（一）实验目的与要求

目的：学习发射谱和吸收谱的基本概念和基本操作方法。研究激光工作物质的发射谱和吸收谱，以及改进光源提高激光工作物资对光源的吸收的效率。

要求：掌握激光工作物质的发射谱和吸收谱的测试方法

（二）实验原理

红宝石是掺有少量Cr的Al203单晶，Cr的外层电子组态为3d54S1，掺入Al203晶格后，失去外层三个电子，变成三价的C r3+离子，红宝石晶体的光谱就是C r3+离子在3d壳上三个电子发生能级跃迁的反映，人们根据红宝石晶体的吸收光谱和晶体场理论推知C r3+离子参与激光作用的能级结构图如图2-1所示，图中4A2是基态，2E能级（14400cm-1）是亚稳态，寿命比较长，约为3ms，4F1（25000cm-1）和4F2（17000cm-1）是两个吸收带，红宝石晶体的激光作用在2E和4A2能级之间产生，输出的波长是694.3nm，由于2E能级的电场分裂，在2E和4A2能级之间跃迁对应两条强荧光线R1和R2，R1线的波长是694.3nm，R2线的波长是692.9nm，由于高能级粒子数少于低能级，所以激光输出总是R1线。

红宝石晶体对不同波长的入射光吸收不同，吸收系数随入射光波长而变化的关系就是吸收光谱特性。Cr3+所吸收中心波长为410.0nm的兰紫光而跃迁到强吸收带4F1态，也能吸收波长为550.0nm的黄绿光而跃迁到另一强吸收带4F2态,这两个吸收带的带宽都在100.0nm左右,与氙灯或汞弧灯的光谱匹配较好，所以红宝石激光器适宜于采用氙灯或汞弧灯泵浦。

由于红宝石晶体的各向异性，它的吸收特性与光的偏振状态有关，入射光的振动方向与晶体光轴相互垂直（E⊥C）或相互平行（E∥C），其吸收曲线稍有不同，如图2—2所示。

通常红宝石晶体中，其生长轴与光轴C 一致的叫0°晶体，生长轴与光轴C 相垂直的叫90o晶体,另外还有60o晶体,0o晶体发射无规律偏光，60o和90o晶体发射线偏振光。

测量某一物质的吸收系数时，通常将该物质做成厚度不同的两个样品，分别测量其透射光强，即可求出吸收系数。

设两个待测样品的厚度分别为d 1和d 2，在某一波长时，入射光强为I O ，透过两个样品后的光强分别变为I 1和I 2，设样品的吸收系数为K ，则

I 1=I 0e-e

-kd1

（2—1）

I 2=I 0e-e kd2

（2—2）

联立方程（2—1）和（2—2）求出

2

1211

I I In d d K --= （2—3）

如果改变入射光的波长，则可以得到一条吸收系数随入射光波长而变化的曲线。

一、 实验装置

实验装置原理框图如图2—3所示

图2—3 吸收光谱测量实验装置框图

1.光栅单色仪的光学原理

实验中所使用的仪器是WGD —3型组合式多功能光栅光谱仪，具有波长精度高、操作简便等特点，是集光学精密机械，电子学，计算机技术为一体的设备。如图2—4所示，光源发出的光束进入入射狭缝S 1，S 1位于反射式准直镜M 2的焦面上，通过S 1射入的光束经M 2反射成平行光束投向平面光栅G 上，衍射后的平行光束经物镜M 3成像在出射狭缝S 2或S 3上。

图2—4 光学原理图

S1入射狭缝，M1反射镜，M2准直镜，M3物镜，M4反射镜，S2出射狭缝（光电倍增管接收），S3出射狭缝（观察窗）

2.红宝石样品室

红宝石样品室（如图2—5），要有较好的密封，以免杂光进入影响测量精度，室内有两块厚度分别为d1=3mm和d2=20mm的红宝石晶体样品，它们安装在一个可旋转90°的支架上，以便分别测量透过两样品的光强。

图2—5 样品室

为了测量准确，要求两片红宝石样品的吸收特性一致，因此要求从同一块晶体中切取，两片样品的厚度差要足够大。

（三）实验设备

UV-754型分光光度计、光栅光谱仪、He-Ne激光器、红宝石晶体棒、光电倍增管等

（四）实验步骤与内容

1用卡尺测量红宝石片的厚度，记下红宝石厚度x来。

2 打开仪器的样品盒，把红宝石片放入的二个样品室中。

3关闭样品盒盖。

4打开UV-754型分光光度计的电源，这时候钨灯就点燃了，再按下氢灯的触发开关，点燃氢灯。

5旋转波长旋钮，选择测量波长。

6把第一个样品盒推入光路中。稳定后仪器的指示出100%

7把第二个样品盒推入样品室中。稳定后仪器显示出在这个波长下的透射率来。记下测得的数据。

8改变波长进行下一次测量。

9选择不同的波长，从350测量到650

10在计算器上利用测到的透过率和红宝石片的厚度算出在这个波长下的吸收系数。

11用一条光滑的曲线连接数据点。

12在曲线上找出两个吸收峰，并确定吸收峰的波长

13 用光谱仪观察工作物质发射谱

实验三 He-Ne 激光器高斯光束与发散角测量

（一）实验目的与要求

目的：加深对高斯光束物理图像的理解；加强对高斯光束传播特性的了解，掌握用逐点扫描法测量高斯光束横向光强分布的方法和技能；对He-Ne 激光器输出的光斑大小，远场发散角有个定量了解。

要求：测量He-Ne 激光器高斯光束 曲线，计算远场发散角。 （二）实验原理

1. 激光束的模式

由光学谐振腔理论可以知道，光腔模式可以分解为纵模和横模。它们分别代表光腔模式的纵向（腔轴方向）和横向（垂直腔轴方向）光场分布。用符号TEM mn 标志不同横模的光场分布。稳定腔的输出频率特性为：

()??????+++=-211

cos 112g g n m q L c mnq πην (方形镜) ()??

????+++=

-211cos 1212g g n m q L c mnq πην (圆形镜)

其中： 111R L g -

=，2

21R L g -=为腔参数；L 为谐振腔的腔长；R 1、R 2为两个球面反射镜的曲率半径；m 和n 为横模序数（对于方形镜和圆形镜的定义不同）；q 为纵模序数；η为激光工作介质的折射率。

激光不同的横模有不同的光强分布，见图3－1。

图3－1 左图为方形镜一些低阶模式的光强图样；

右图为圆形镜一些低阶模式的光强图样。

对应不同的光斑图样，可用探测器直接测量光强的空间分布来分析横模结构。

2．激光束的发散角和衍射倍率因子

激光的方向性是描述输出激光光束质量的重要指标。激光的空间相干性和它的方向性（用光束发散角衡量）是紧密相关的。激光方向性越好，它的空间相干性就越高。不同类型激光器的方向性相差很大，这与工作介质的类型和均匀性、光腔类型、腔长、激励方式以及激光器的工作状态有关。

由激光原理可知，一般稳定球面腔都可以找到与其唯一对应的等价共焦腔。稳定腔的光场为高斯光束。高斯光束沿z 轴是一个变曲率中心和曲率半径的球面波，其光束特性如图3－2

所示。在束腰和无穷远处的波阵面是平面,曲率半径无限大;在f z ±= (λ

π0

W f =

为共焦参量), 曲率半径有最小值f R f 2=;光斑尺寸W(z) 随坐标z 按双曲线规律变

化:()122

2

02=-f

z W z W ,其中z=0处的W(0)最小,称为束腰,记为W 0

;

图3－2.高斯光束的特征

()π

λ

πλθf W z z W z 2

22lim

00===∞→为共焦腔基模远场发散角(相应高阶横模的远场发散角0)(1)(2θθ+=

n m n m (方镜)、01

2θθ++=n m m n (圆镜)).该发散角(全角)定义为双曲线的两根渐近线之间的夹角(见图2).该角度的大小随不同的激光腔及腔参数而不同,用于描述激光束的方向性,θ越大则激光的方向性越差.

目前国际上普遍将光束衍射倍率因子M 2

作为衡量激光光束空域质量的参量.其定义为:

02θθW W M mn mn ==

径与远场发散角的乘积基模高斯光束的腰斑半远场发散角的乘积

实际光束的腰斑半径与,

其中,π

λ

θ200=

W , ()

π

λ

θ21)(2)()(+=n m W n m n m (方镜), ()

π

λ

θ212++=n m W mn mn

(圆镜). 由以上论述可知,基模高斯光束具有最小的M 2

值(M 2

=1),其光腰半径和发散角也最小,达到衍射极限高阶、多模高斯光束或其他非理想光束(如波前畸变)的M 2

值均大于1. M

2

值可以表征实际光束偏离衍射极限的程度,因此被称为衍射倍率因子. M 2

值越大,光束衍射发散越快。 （三）实验设备

He-Ne 激光器、激光电源、小孔光阑、探测器、光学光具座、放大器、函数记录仪、激光光束分析仪、计算机等。 实验装置如下图：

（三）实验步骤与内容

1. 用逐点扫描法测定 曲线，确定不同z 处的光斑半径 。

调整He-Ne 激光器和反射镜的方位，使平面反射镜的入射光和反射光基本保持在同一垂直面内，并正入射到探测器的小孔光阑上，再小做调整，同时观察记录仪得到的最大光强信号时的幅值为止。注意光斑位置，一定要使小孔扫描时是沿着通过光斑直径的方向进行。

确定合适的记录仪灵敏度和扫描速度，然后，分别取2个大于7z r的z值，正是记录曲线，并按定义计算不同z处的光斑半径。

2. 鉴定激光束是TEM00模的高斯光束。

3. 计算远场发散角。用讲义上的两种方法进行计算。

实验四半导体泵浦全固态激光器

（一）实验目的与要求

目的：半导体泵浦532nm绿光激光器适用于大学近代物理学中非线性光学实验。本实验以808nm半导体泵浦Nd：YVO4激光器为研究对象，让学生自己动手，调整激光器光路，产生1064nm激光。在腔中插入KTP晶体产生532nm倍频光，观察倍频现象，测量倍频效率、相位匹配角等基本参数。从而对激光原理及倍频等激光技术有一定了解。

要求：掌握测量倍频效率的方法

（二）实验原理

全固态倍频Nd:YVO4激光器即是以半导体激光器(LD)为泵浦源、Nd:YVO4晶体为激光介质、并对1064nm激光进行倍频、输出532nm绿光的固体激光器。

1.LD泵浦的固体激光器的特点

LD泵浦的固体激光器与传统闪光灯泵浦固体激光器相比具有以下优点：

(1)LD发射光波长可以与激活介质的吸收峰很好匹配。

由于LD发光带宽很窄，仅有几个纳米，可根据工作物质的吸收峰来选择与之相近发光波长的LD，减少热效应。

(2)总体效率提高5-10倍

由于LD发出的光大部分被激光介质所吸收，极大的提高了光泵效率，其电光转换效率可高达15%以上。

(3)提高了激光器的频率稳定性,线宽变窄。

由于激光器热效应的减少，同时泵浦源LD输出功率稳定性很高，泵浦功率的波动对线宽的影响大大降低。

(4)提高输出光的质量。

激光晶体热负荷减少，提高了光束质量，在纵向泵浦时，可获得近于衍射极限的激光。

(5)可靠性提高，使用寿命大大延长。

LD连续工作寿命可达105小时以上，远高于闪光灯泵浦源的寿命。

(6)小型化。体积小、重量轻、供能简便、可全固化。

2. 全固态倍频Nd:YVO4激光器的结构

全固态倍频Nd:YVO4激光器端面泵浦的结构示意图如图3-1所示。

2 4 5

1 3 6

图4-1 LD泵浦的倍频Nd:YVO4激光器结构示意图

1. 制冷与温控系统;

2. LD;

3. 光学耦合系统;

4. 增益介

质Nd:YVO4晶体; 5. KTP倍频晶体; 6. 输出耦合镜;

(1) 激光二极管（LD）

LD采用AlGaAs量子阱结构激光器，工作波长810 4nm.，由于半导体激光器为P-n结注入型器件，因此用改变注入电流的大小来改变激光器的输出功率。LD的发散角比较大，在垂直于结方向的发散角宽度约40o, 平行于结方向的发散角约为10o, 是一椭圆度很大的发散光。LD输出波长具有不确定性，随温度升高而增长，漂移量为0.2~0.3nm/℃。随着环境温度的变化，不仅峰值波长飘移，输出功率与阈值电流也均有变化。LD的输出激光为高度线偏振，偏振方向平行于结平面即发光元的线度方向。

(2) 制冷与温控系统

由于LD比其他泵浦源来讲光谱宽度较窄（<3nm）,当对准增益介质的吸收峰时，可实现良好的光谱匹配，达到较高的泵浦效率。但LD的峰值波长随温度而变，而增益介质Nd:YVO4晶体在808nm吸收峰处吸收带宽仅为2nm左右，因此必须采用温控组件，使LD的峰值波长对准增益介质的吸收峰。采用半导体制冷片来制冷，制冷片冷面紧贴LD管壳，以降低由于注入电功率引起的结温上升，采用热敏电阻测量LD的环境温度（与结温有误差）。当半导体

制冷片制冷量不足以消除LD产生的热量时，可在制冷片的热面再加一个大散热片或水冷装置以带走多余的热量，本装置的下面垫的铝板就是起散热的作用。另外在制冷片与制冷片电源之间串入温控仪，自动控温使LD在要求设定的温度下工作。

(3) 光学耦合系统

由于LD发光源尺寸1μm X 280μm，发散角大且不对称，远场光斑为椭圆。为增大泵浦光束和振荡光束的重叠程度，获得较高的转换效率，需要补偿两个方向的不对称，将远场光斑变为近似园，减小泵浦光斑大小，获得足够的泵浦功率密度，提高泵浦效率，降低泵浦阈值。因此需要加光学耦合系统。光学耦合系统有很多类型，如成像光学系统、柱面透镜系统、光纤束系统、自聚焦微透镜系统、非球面透镜等。本装置采用非球面透镜作为光学耦合系统。

(4)增益介质Nd:YVO4晶体

Nd:YVO4晶体属于单轴晶体，在a轴切割时对σ偏振光（E⊥c轴）和π偏振光（E//c轴）的吸收系数是不同的，最强的吸收系数和最强激射都发生在π偏振取向，因此常采用a轴切割π偏振光。Nd:YVO4晶体与立方晶系的Nd:YAG晶体光谱结构非常接近，Nd:YVO4晶体的吸收峰值波长为808nm,其发射波长为1064.3nm。

Nd:YVO4晶体与掺钕浓度相同的Nd:YAG晶体相比，Nd:YVO4晶体有着较大的发射截面、较宽的吸收带宽、较高的吸收系数、较短的寿命及偏振输出的特点。因此，Nd:YVO4晶体的发射截面较高，意味着具有较高的激光增益，激光阈值较低；Nd:YVO4晶体宽的吸收带不仅泵浦效率更高，更易与泵浦源匹配，可在更宽的温度范围下运行，并使激光介质长度更短。本装置使用的激光介质尺寸为3x3x1mm3。Nd:YVO4晶体的转换效率可达到60-70%以上。激光介质的两端面加工成光学平面，前端面镀三色膜，对泵浦光波长808nm高透、对1064nm和532nm高反，前端面作为谐振腔的全反镜，激光介质的后端面镀对1064nm和532nm的增透膜。将Nd:YVO4晶体的前端面直接作为谐振腔镜，可降低泵浦光的损耗，提高利用率，同时也减少谐振腔独立调节数目。

(5) 倍频晶体

光的倍频是一种最常用的扩展波段的非线性光学方法。激光倍频是将频率为ω的光，通过晶体中的非线性作用，产生频率为2ω的光。

当光与物质相互作用时，物质中的原子会因感应而产生电偶极矩。单位体积内的感应电偶极矩叠加起来，形成电极化强度矢量。电极化强度产生的极化场发射出次级电磁辐射。当外加光场的电场强度比物质原子的内场强小的多时，物质感生的电极化强度与外界电场强

度成正比。

P=ε0

χE

在激光没有出现之前，当有几种不同频率的光波同时与该物质作用时，各种频率的光都线性独立地反射、折射和散射，满足波的叠加原理，不会产生新的频率。

当外界光场的电场强度足够大时 （如激光），物质对光场的响应与场强具有非线性关系：

P=αE+βE 2

+γE 3

+…

式中α，β，γ，… 均为与物质有关的系数，且逐次减小，它们数量级之比为

原子

E 1

=

???==βγαβ 其中E 原子为原子中的电场，其量级为108

V/cm ，当时上式中的非线性项E 2

、E 3

等均是小量，可忽略，如果E 很大，非线性项就不能忽略。

考虑电场的平方项

E=t E ωcos 0

)2cos 1(2

1cos 2

022

02)2(t E t E E P ωωββ+=

==) 出现直流项和二倍频项t ω2cos ，直流项称为光学整流，当激光以一定角度入射到倍频晶体时，在晶体产生倍频光，产生倍频光的入射角称为匹配角。

倍频光的转换效率为倍频光与基频光的光强比，通过非线性光学理论可以得到：

==ωωηI I 2)

2/()2/(sin 22

kL kL I L ??ω

β) 式中L 为晶体长度，I ω、I 2ω

分别为入射的基频光、输出的倍频光的光强，

△k =k ω-2k 2ω

分别为基频光和倍频光的额传播矢量。

在正常色散的情况下，倍频光的折射率n 2ω

总是大于基频光的折射率，所以相位失配，

双折射晶体中o 光和e 光的折射率不同，且e 光的折射率随着其传播方向与光轴间夹角的变化而改变 ，可以利用双折射晶体中o 光、e 光间的折射率差来补偿介质对不同波长光的正常色散，实现相位匹配。

倍频晶体采用KTP 晶体，KTP 是正双轴晶体，采用Ⅱ类相位匹配。其尺寸为2x2x5mm 3

。