固体脉冲激光器输出特性的研究实验报告
MOPA结构脉冲光纤激光器输出特性的实验研究
MOPA结构脉冲光纤激光器输出特性的实验研究陈圳;任海兰【摘要】A two-stage optical amplification system is constructed by using double-clad Yb-doped fiber as the gain medium and multi-mode continuous pumped laser diode as the pump source.The circuit-direct modulated semiconductor laser is used as seed source to develop Master-Oscillator Power-Amplified (MOPA)fiberized pulsed fiber lasers.The output power character-istics of the fiber laser and gain characteristics of the secondary amplifier under different pulse width and repetition frequency are studied experimentally.A pulsed laser output with central wavelength of 1.06μm,peak power of 10.4 kW and maximum average power of 21 .3 W is obtained by adj usting the seed source under the condition that the primary pumped power is 2 W and secondary pumped power is 31 W.The maximum gain can reach 16.7 dB at 900 kHz repetition frequency.The experimen-tal results show that the pulse width and repetition frequency are positively correlated with the laser output power.At high rep-etition frequency,the gain characteristics of optical amplifier are positively correlated with the pulse width.%采用双包层掺镱光纤作为增益介质,多模连续泵浦激光二极管作为泵浦源,构造了两级光放大系统;采用电路直接调制的半导体激光器作为种子源,研制了主振荡功率放大结构全光纤化脉冲光纤激光器.对不同脉冲宽度、重复频率下的激光器输出功率特性和二级放大器的增益特性进行了实验研究.在一级泵浦光功率为2 W、二级泵浦光功率为31 W的条件下,通过对种子源直接调制,得到了中心波长为1.06μm、峰值功率为10.4 kW、最大平均功率为21.3 W的脉冲激光输出.在900 kHz重复频率下具有最高增益16.7 dB.实验结果表明,脉冲宽度和重复频率与激光输出功率呈正相关;在高重复频率下,光放大器增益特性与脉冲宽度呈负相关.【期刊名称】《光通信研究》【年(卷),期】2018(000)003【总页数】4页(P52-54,72)【关键词】光纤激光器;主振荡功率放大;脉冲激光;级联放大器【作者】陈圳;任海兰【作者单位】武汉邮电科学研究院,武汉 430074;武汉邮电科学研究院,武汉430074【正文语种】中文【中图分类】TN2560 引言光纤激光器因具有光束质量高、成本低、转换效率高、稳定性好、体积小、兼容性强、寿命长和散热快等优点而备受关注。
专业实验实验二半导体泵浦固体激光器综合实验
半导体泵浦固体激光大恒新纪元科技股份有限公司版权所有不得翻印半导体泵浦固体激光器综合实验.、八、-刖言半导体泵浦固体激光器 <Diode-Pumped solid-state Laser,DPL）,是以激光二极管 <LD ）代替闪光灯泵浦固体激光介质地固体激光器，具有效率高、体积小、寿命长等一系列优点，在光通信、激光雷达、激光医学、激光加工等方面有巨大应用前景，是未来固体激光器地发展方向•本实验地目地是熟悉半导体泵浦固体激光器地基本原理和调试技术，以及其调 Q和倍频地原理和技术.b5E2RGbCAP二、实验目地a）掌握半导体泵浦固体激光器地工作原理和调试方法；b）掌握固体激光器被动调Q地工作原理，进行调Q脉冲地测量；c）了解固体激光器倍频地基本原理.三、实验原理与装置d）半导体激光泵浦固体激光器工作原理：上世纪80年代起，生长半导体激光器<LD ）技术得到了蓬勃发展，使得LD地功率和效率有了极大地提高，也极大地促进了DPSL技术地发展.与闪光灯泵浦地固体激光器相比,DPSL地效率大大提高，体积大大减小.在使用中，由于泵浦源 LD地光束发散角较大，为使其聚焦在增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换< 耦合）.泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种，其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹配好等优点.侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器.本实验采用端面泵浦方式.端面泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两种方式.p1EanqFDPwe) 直接耦合：将半导体激光器地发光面紧贴增益介质 ，使泵浦光束在尚未发散开之前便被增益介质吸收，泵浦源和增益介质之间无光学系统，这种耦合方式称为直接耦合 方式.直接耦合方式结构紧凑，但是在实际应用中较难实现，并且容易对 LD 造成损 伤.DXDiTa9E3d f) 间接耦合：指先将 LD 输出地光束进行准直、整形，再进行端面泵浦•常见地方法 有：g)组合透镜系统聚光：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合 h) 自聚焦透镜耦合：由自聚焦透镜取代组合透镜进行耦合，优点是结构简单，准直光斑 地大小取决于自聚焦透镜地数值孔径• RTCrpUDGiT i) 光纤耦合：指用带尾纤输出地 LD 进行泵浦耦合•优点是结构灵活.本实验先用光纤柱透镜对半导体激光器进行快轴准直 ，压缩发散角，然后采用组合透镜对泵浦光束进行整形变换，各透镜表面均镀对泵浦光地增透膜，耦合效率高•本实验地压缩和耦 图1半导体激光泵浦固体激光器地常用耦合方式图2 本实验LD 光束快轴压缩耦合泵浦简图j)激光晶体LD 自聚焦透镜激光晶体3.LD 光纤 激光晶体4. 4•光纤耦合 3•自聚焦透镜耦合2•组合透镜耦合1•直接耦合TEC 和 散热片 耦合系统Nd:YAG快轴准直电源图3Nd:YAG 晶体中Nd 3+吸收光谱图激光晶体是影响 DPL 激光器性能地重要器件•为了获得高效率地激光输出，在一定运转方式下选择合适地激光晶体是非常重要地•目前已经有上百种晶体作为增益介质实现了连续 波和脉冲激光运转，以钕离子<Nd 3+）作为激活粒子地钕激光器是使用最广泛地激光器•其中, 以Nd 3+离子部分取代 Y 3AI 5O 12晶体中丫3+离子地掺钕钇铝石榴石 <Nd:YAG ），由于具有量子 效率高、受激辐射截面大、光学质量好、热导率高、容易生长等地优点，成为目前应用最广 泛地LD 泵浦地理想激光晶体之一 .Nd ：YAG 晶体地吸收光谱如图 3所示.jLBHrnAlLg从Nd:YAG 地吸收光谱图我们可以看出,Nd:YAG 在807.5nm 处有一强吸收峰.我们如果 选择波长与之匹配地 LD 作为泵浦源，就可获得高地输出功率和泵浦效率，这时我们称实现了 光谱匹配.但是丄D 地输出激光波长受温度地影响，温度变化时，输出激光波长会产生漂移 ，输出功率也会发生变化.因此,为了获得稳定地波长，需采用具备精确控温地LD 电源，并把LD 地温度设置好，使LD 工作时地波长与 Nd:YAG 地吸收峰匹配.xHAQX74J0X另外,在实际地激光器设计中，除了吸收波长和出射波长外 ，选择激光晶体时还需要考虑掺杂浓度、上能级寿命、热导率、发射截面、吸收截面、吸收带宽等多种因素.LDAYtRyKfE k ） 端面泵浦固体激光器地模式匹配技术图4是典型地平凹腔型结构图.激光晶体地一面镀泵浦光增透和输出激光全反膜，并作 为输入镜，镀输出激光一定透过率地凹面镜作为输出镜 .这种平凹腔容易形成稳定地输出模 , 同时具有高地光光转换效率，但在设计时必须考虑到模式匹配问题 .Zzz6ZB2Ltk如图4所示，则平凹腔中地g 参数表示为:EDO 81Q vavelsngth (mt)pn LEJ根据腔地稳定性条件，L! 时腔为稳定腔•故当I时腔稳定•同时容易算出其束腰位置在晶体地输入平面上，该处地光斑尺寸为：本实验中,R i为平面，R2=200mm,L=80mm.由此可以算出_大小.所以,泵浦光在激光晶体输入面上地光斑半径应该工!1 ,这样可使泵浦光与基模振荡模式匹配，在容易获得基模输出.l）半导体激光泵浦固体激光器地被动调Q技术目前常用地调 Q方法有电光调 Q、声光调 Q和被动式可饱和吸收调Q.本实验采用地Cr4+:YAG是可饱和吸收调 Q地一种，它结构简单，使用方便，无电磁干扰，可获得峰值功率大、脉宽小地巨脉冲.dvzfvkwMIlCr4+:YAG被动调Q地工作原理是：当 Cr4+:YAG被放置在激光谐振腔内时，它地透过率会随着腔内地光强而改变.在激光振荡地初始阶段,Cr4+:YAG地透过率较低＜初始透过率），随着泵浦作用增益介质地反转粒子数不断增加，当谐振腔增益等于谐振腔损耗时，反转粒子数达到最大值，此时可饱和吸收体地透过率仍为初始值.随着泵浦地进一步作用，腔内光子数不断增加，可饱和吸收体地透过率也逐渐变大，并最终达到饱和.此时,Cr4+:YAG地透过率突然增大,光子数密度迅速增加，激光振荡形成.腔内光子数密度达到最大值时，激光为最大输出，此后, 由于反转粒子地减少，光子数密度也开始减低，则可饱和吸收体Cr4+:YAG地透过率也开始减低.当光子数密度降到初始值时，Cr4+：YAG地透过率也恢复到初始值，调Q脉冲结束.rqyn14ZNXI m）半导体激光泵浦固体激光器地倍频技术光波电磁场与非磁性透明电介质相互作用时，光波电场会出现极化现象.当强光激光产生后,由此产生地介质极化已不再是与场强呈线性关系，而是明显地表现出二次及更高次地非线性效应.倍频现象就是二次非线性效应地一种特例.本实验中地倍频就是通过倍频晶体实现对Nd:YAG输出地1064nm红外激光倍频成 532nm绿光.EmxvxOtOco常用地倍频晶体有 KTP、KDP、LBO、BBO和LN等.其中，KTP晶体在1064nm光附近有高地有效非线性系数，导热性良好，非常适合用于 YAG激光地倍频.KTP晶体属于负双轴晶体,对它地相位匹配及有效非线性系数地计算，已有大量地理论研究，通过KTP地色散方程，人们计算出其最佳相位匹配角为：壬90 ° ,=二,S° ,对应地有效非线性系数d eff=7.36 X012V/m. SixE2yXPq5倍频技术通常有腔内倍频和腔外倍频两种.腔内倍频是指将倍频晶体放置在激光谐振腔之内，由于腔内具有较高地功率密度，因此较适合于连续运转地固体激光器•腔外倍频方式指将倍频晶体放置在激光谐振腔之外地倍频技术，较适合于脉冲运转地固体激光器 .6ewMyirQFL 四、实验内容与要求n) LD安装及系统准直o) 将LD电源接通•通过上转换片观察LD出射光近场和远场地光斑.测量LD经快轴压缩后地阈值电流和输出特性曲线.kavU42VRUsp) 将耦合系统、激光晶体、输出镜、Q开关、准直器等各元器件安装在调整架和滑块上；q) 将准直器安装在导轨上，利用直尺将其调整成光束水平出射，中心高度50mm,水平并且水平入射在激光晶体中心位置；y6v3ALoS89r) 通过调整架旋钮微调耦合系统地倾斜和俯仰，使晶体反射光位于准直器中心，并且准直光通过晶体后仍垂直进入LD ；M2ub6vSTnPs) 通过调整架旋钮微调Nd:YAG晶体地倾斜和俯仰，重复上一步地调节步骤.t) 在准直器前安装T1输出镜，调整旋钮使输出镜地反射光点位于准直器中心.u) 半导体泵浦固体激光器实验图5 半导体泵浦固体激光器实验装置图w) 在准直器前安装T1输出镜，调整旋钮使输出镜地反射光点位于准直器中心•根据实验装置图设置其与晶体之间地距离•打开LD电源，缓慢调节工作电流到 1.3A.微调输出镜倾斜和俯仰使系统出光，然后微调激光晶体、耦合系统，使激光输出得到最大值；OYujCfmUCwx)将LD电流调到最小，然后从小到大渐渐增大LD电流，从激光阈值电流开始，每格0.2A测量一组固体激光器系统输出功率•结合LD地功率-电流关系，在实验报告上绘出激光输出功率-泵浦功率曲线；eUts8ZQVRdy) 更换为T2输出耦合镜，重复3.b、3.C地步骤，测试不同LD电流下地激光输出功率；z) 根据实验数据和曲线，计算两种耦合输出下地激光斜效率和光光转换效率，并作简要分析•aa)半导体泵浦固体激光器调Q实验图6调Q 实验装置图dd ）安装Cr 4+：YAG 晶体，在准直器前准直后放入谐振腔内 丄D 电流调到1.7A,观察输出地平均功率，微调调整架，使激光输出平均功率最大； sQsAEJkW5Tee ）降低LD 电流到零 撚后从小到大缓慢增加，测量1.7A 、2.0A 、2.3A 时输出脉冲地 平均功率；ff ）安装探测器，取三个不同地LD 工作电流＜1.7A 、2.0A 、2.3A ）,分别测量输出脉冲地脉宽、重频；gg ）计算不同功率下地峰值功率，对不同功率下地输出脉冲进行对比，并作简要分析 hh ）半导体泵浦固体激光器倍频实验ii) jj)图7倍频实验装置图kk ）将输出镜换为短波通输出镜 ，微调调整架使其反射光点在准直器中心 .打开LD 电源,取工作电流1.7A,微调输出镜、激光晶体、耦合系统地旋钮，使输出激光功率最 大; GMslasNXkAll ） 安装KTP 晶体 ＜或LBO ），在准直器前准直后放入谐振腔内 ，倍频晶体尽量靠近激光晶体•调节调整架，使得输出绿光功率最亮；然后旋转 KTP 晶体 ＜或LBO ），观察 旋转过程中绿光输出有何变化； TlrRGchYzg五、实验结果与思考1. 什么是半导体泵浦固体激光器中地光谱匹配和模式匹配？2. 可饱和吸收调 Q 中地激光脉宽、重复频率随泵浦功率如何变化？为什么？实验装置图 电源 TEC 禾口 耦合系统Nd:YAG KTP 输岀镜 准直器2.把倍频晶体放在激光谐振腔内对提高倍频效率有何好处？半导体泵浦固体激光器注意事项1.半导体激光器＜LD ）对环境有较高要求，因此本实验系统需放置于洁净实验室内.实验完成后，应及时盖上仪器罩，以免LD沾染灰尘.7EqZcWLZNX2.LD对静电非常敏感.所以严禁随意拆装LD和用手直接触摸LD外壳.如果确实需要拆装,请带上静电环操作，并将拆下地LD两个电极立即短接.lzq7IGfO2E3.不要自行拆装LD电源.电源如果出现问题，请与产家联系.同时丄D电源地控制温度已经设定，对应于LD地最佳泵浦波长,请不要自行更改.zvpgeqJIhk4.LD、耦合系统、激光晶体，两两滑块之间距离大约为32mm、8mm,经调整好以后最好不要随意变动，以免影响实验使用.NrpoJac3v15.准直好光路后需用遮挡物＜如功率计或硬纸片）挡住准直器，避免准直器被输出地红外激光打坏.6.实验过程避免双眼直视激光光路.人眼不要与光路处与同一高度，最好能带上激光防护镜操作.典型实验结果＜参考）：T仁5%,T2=10%。
小型脉冲固体激光器输出特性的实验研究
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韩 玉 东 ， 张 方 唐 锐 陈 烁 。 ， ，
（ ． 械 工 程 学 院 光 学 与 电子 工 程 系 ， 北 石 家 庄 １军 河 ２ 中 国人 民解 放 军 ６８ ０部 队 ， ． ３５ 吉林 白城 ３ 中 国人 民解 放 军 ７４ ５ 队 ， 东 济 南 ． ２６ 部 山 ００ ０ ； ５ ０ ３ １７０ ； ３０ １ ２０２） ５ ０ ２
Ｅｘ ｅ ｉ ｅ ａ ｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｏ ｔ ｔｃ ｒ ｃ ｅ ｉ ｔｃ ｆ ｐ ｒ ｍ ｎｔ ｌｒ ｓ ａ ｃ ｎ ｕ ｐｕ ｈａ ａ ｔ ｒｓ ｉ ｓ ｏ ｍ ｉ ｉ ｔ ｒ ｌｅ ｏ ｉ － ｔ ｔ ｄ ｌ ｓ ｒ ｎ ａ ｕ ｅ ｐｕ ｓ ｄ ｓ ｌｄ ｓ ａ ｅ ａ ｅ
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引 言
掺 钕钇 铝石 榴石 （ 以下 简称 Ｎｄ ＹＡＧ） 光 器 是 最 常用 的一 类 固体 激光 器 ， ： ： 激 Ｎｄ ＹＡＧ 基 质 为 钇 铝 石 榴石 晶体 Ｙ Ａ１ 其激 活 离子 为三 价钕 离 子 Ｎｄ ， 应用 于激 光 辐射 的第 一种 三价 稀 土 离子 ， 具 有 。 ｏ 是 其
ｌ ｎｇ ｈ ｏ ａ ｔ ｅ ｏ ｔ ｒａ ｔｍｕｍ ｒ ｎ ｍ ｉｔ ｎｃ ｓ ｏ ｕｔ ｕｔｍｉｒ ｅ ｔ ｆｃ ｖｉｙ ｒ ｓ ｎａ ｏ ｎｄ ｏｐ ｉ ｔ ａ ｓ ｔａ ｅ ｆｏ ｐ ｒ ｏｒｗｈｅ ｎｐｕ ｎ ｒ ｓ ｎｉ ｔｅ ｅ ｇｙ ｗａ
第三章激光器的输出特性
第3章激光器的输出特性前两章由发光的物理基础出发,对激光产生的工作原理进行了研究，对于在激光谐振腔中受激辐射大于自发辐射而导致光的受激辐射放大的过程和条件进行了很详细的讨论，为研究从激光谐振腔中传播，到其在腔外的光束强度与相位的大小与分布，也就是激光的输出特性打下了基础。
激光器作为光源与普通光源的主要区别之一是激光器有一个谐振腔，谐振腔倍增了激光增益介质的受激放大作用长度以形成光的高亮度，提高了光源发光的方向性。
实际上激光的第三个重要特点——高度的相干性也是由谐振腔决定的。
由于激光器谐振腔中分立的振荡模式的存在，大大提高了输出激光的单色性，改变了输出激光的光束结构及其传输特性。
因此本章从谐振腔的衍射理论开始研究激光输出的高斯光束传播特性，激光器的输出功率以及激光器输出的线宽极限。
3.1光学谐振腔的衍射理论2.1节中利用几何光学分析方法讨论了光线在谐振腔中的传播、谐振腔的稳定性问题以及谐振腔的分类。
而有关谐振腔振荡模式的存在、各种模式的花样也就是光束结构及其传输特性、衍射损耗等，只能用物理光学方法来解决。
光学谐振腔模式理论实际上是建立在标量理论的菲涅耳——基尔霍夫衍射积分以及模式再现概念的基础上的，本节用这种方法来讨论光学谐振腔。
3.1.1菲涅耳——基尔霍夫衍射公式惠更斯为了描述波的传播过程，提出了关于子波的概念，认为波面上每一点可看作次球面子波的波源，下一时刻新的波前形状由次级子波的包络面所决定。
菲涅耳引入干涉的概念，补充了惠更斯的原理，认为子波源所发的波应是相干的，空间光场是各子波干涉叠加的结果。
基尔霍夫进一步用格林函数方法求解波动方程，得到惠更斯一菲涅耳原理的数学形式，就是菲涅耳——基尔霍夫衍射公式(3-1)，其意义如图（3-1）所示。
图（3-1）惠更斯一菲涅耳原理设波阵面∑上任一源点'P 的光场复振幅为'(')u P ，则空间任一观察点P 的光场复振幅()u P 由下列积分式计算()'(')(1cos )'4ik ik e u P u P ds ρθπρ-∑=⎰⎰＋ (3-1)式中ρ为源点'P 与观察点P 之间的距离；θ为源点'P 处的波面法线n 与'PP 的夹角； 2k πλ=为光波矢的大小，λ为光波长；'ds 为源点'P 处的面元。
GCS-YAG激光参数
GCS-YAG灯泵YAG激光器综合实验用途：固体激光器是各类激光器中最早获得激光输出的一种，发展非常迅速。
固体激光器的特点是有较大的输出功率和紧凑的结构，机械强度也较大，因此在工农业和军事上得到广泛的应用。
例如在工业上用来打孔，切割、焊接等加工，医学上用来作视网膜焊接，在军事上则利用强大的激光脉冲来测距和定向。
掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器可实现连续激光输出，其功率已达到kW数量级，目前已利用它制成各种激光通信、加工设备和激光导航仪器。
知识点：谐振腔调整、泵浦（抽运）、固体激光器输出特性、电光调Q、激光倍频、相位匹配角、功率密度、激光能量。
对学生的要求：熟悉激光原理，对激光技术有一定了解，具备初步的谐振腔调整经验和能量计使用经验。
涉及课程：激光原理与技术、光电子学、信息光子学。
实验目的：（1）理解激光受激辐射放大、谐振腔、泵浦等基本概念;（2）掌握电光调Q固体激光器的基本原理、基本结构和输出特性；（3）掌握电光调Q固体激光器主要输出参数的测试方法（4）了解激光倍频技术。
实验特点：本实验为典型的激光原理与技术综合实验，其内容覆盖了构造固体激光器、谐振腔调整、激光器输出特性研究、电光调Q、激光倍频等多个知识点，内容丰富，训练全面，系统接近实际应用。
既适合于教学研究，又可作为理论和实践相结合的设计性实验。
基本原理：本实验采用闪光灯侧面泵浦YAG方式，通过谐振腔稳定性设计，产生1064nm激光输出，可进行激光器输出特性的测量。
利用晶体的电光效应制成Q开关，采用带起偏器的电光调Q，产生峰值功率高、脉冲宽度窄的单脉冲激光。
同时采用腔外倍频技术，在动态、静态情况下输出532nm激光。
原理示意图：典型实验结果：输出电压(V)静态输出（mJ）动态输出（mJ）400200160600380260800530360990620400技术指标系统指标l 激光波长：YAG输出1064nm,倍频532nml 输出能量： 600mj(1064nm静态)400mj(1064nm,动态) 50mj(1064nm,选模)l 脉冲宽度：～10ns ～100usl 光束发散角：≤5mradl 调Q方式：电光调Q：1～5kv(可调)KTP晶体l Q开关：工作物质KTP半波电压：3800Vl Q开关工作物质:KTP半波电压：3800Vl 开关型脉冲激光光源输入电压：AC220V 允许±10%的波动额定输出功率：1000W适应负载：氙灯（单灯）输出电压调节范围：100～1000V外观尺寸：360×70×80（mm）放电频率 1、3、5、10（手动）HZ零部件指标l 指示激光： 2mW 632.8nm HeNe激光器l 光学元件（1）光学材料：K9 A级精密退火（2）透镜焦距：±2%（3）透镜直径：-0.2mm（4）透镜中心偏差：3’（5）光圈：1-5（6）局部误差：0.2-0.5（7）面粗糙度：60/40（Scratch/Dig）（8）镀膜：氟化镁增透膜（9）有效孔径：90%Φl 机械和调整部件（1）角度精度：±4’（2）分辨率：0.005mml 激光能量计1. 光谱相应范围：0.19-11μm2. 不确定度：±5% 配置清单序号以上是灯泵YAG激光器综合实验光学仪器的详细信息，如果您对灯泵YAG激光器综合实验光学仪器的价格、厂家、型号、图片有什么疑问，请联系我们获取灯泵YAG激光器综合实验光学仪器的最新信息。
实验6-1 脉冲固体激光器输出特性
实验6-1 脉冲固体激光器输出特性研究【实验目的】1、了解脉冲固体激光器的基本结构和基本原理，并练习调整激光器谐振腔，使其输出激光。
2、测定脉冲激光器的输出特性曲线，找出光泵能量阈值，计算出激光器的绝对效率和斜效率。
3、测定激光器输出光束的发散角。
【实验原理】一. 固体激光器的基本结构和工作原理激光，其英文为Laser ，全名为Light amplification by stimulated emission of radiation ，全名译为辐射的受激发光放大。
这很好地概括了激光产生的机制。
激光器就是根据激光产生的机制而设计的。
它由工作物质，泵浦系统和光学谐振腔等部分组成。
实验所用YAG 激光器的结构如图6-1-1所示。
1、工作物质要形成激光，首先必须利用激励源使工作物质激活，既使工作物质内部的电子在某些能级之间实现粒子数的反转分布，并且需要满足一定的条件。
2、泵浦系统本实验中所用YAG 激光器的光泵系统由聚光腔、脉冲氙灯和它的供电系统以及触发器组成。
直流电源给储能电容充电到数百伏，并加到氙灯的两极，这时氙灯不发光。
触发器接通后，立即发出一个一万多伏的电脉冲使氙灯导通，这时储能电容通过氙灯放电，氙灯发出强烈的闪光。
此光激活工作物质，处于基态的粒子向高能级跃迁，比如跃迁到234F 能级上。
在此能级上的粒子寿命较长，故称为亚稳态。
由于光泵系统的不断泵浦，泵浦到一定程度时，激发到高能级上的粒子数比在它下面的能级上的粒子数还多了，实现了粒子数的反转。
当粒子跳回低能级上时发光。
3、光学谐振腔为了满足产生激光的阈值条件，即要使光在谐振腔中来回一次在激活介质中所获得的增益足以补充由各种因素所导致的光的损耗。
在忽略介质内部损耗的情况下，阈值条件为1221 l e r r G (6-1-2)式中：21,r r 一谐振腔两端反射镜的反射率（包括反射镜的吸收，透射和衍射损失）；l —激活介质的长度；G —激活介质的增益系数，定义为：()dzz I z dI v G v v .)()(=(6-1-3)二．YAG 激光器输出特性1、输出特性曲线输出特性曲线是指激光器的输出能量与输入能量之间的关系曲线。
YAG激光器自由云状及调Q实验
Nd:YAG激光器自由运转及调Q实验【实验目的】1.了解固体激光器的结构及工作原理（自由运转和染料调Q），掌握其调整方法；2.了解固体激光器的主要参数的测试技术；3.观察调Q脉冲经过KTP晶体实现倍频现象，了解倍频中相位匹配特性。
【实验原理】一、自由振荡1.固体激光器组成固体激光器主要由工作物质，泵浦光源和光学谐振腔三大部分组成。
常用的工作物质有红宝石，掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG），钛宝石等晶体和钕玻璃等。
谐振腔常用两个平面或球面反射镜。
泵浦光源常用氙灯、氪灯、高压汞灯，碘钨灯。
在本实验中，激光器的主要元件为：①工作物质：掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）；②光学谐振腔：双氙灯，双椭圆聚光腔，重复脉冲电源；③谐振腔镜：双色镜，部分反射镜。
2.自由振荡固体激光器的输出特性自由振荡激光器输出激光脉冲的特点是具有尖峰结构，即由许多振幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成。
每个尖峰的宽度约为0.1～1 μs，间隔为数微秒，脉冲序列的时间长度大致等于闪光灯泵浦持续的时间。
这种现象称为激光器的弛豫振荡。
产生弛豫振荡的主要原因是：当激光器的工作物质被泵浦，上能级的粒子反转数超过阈值条件时，即产生激光振荡，使腔内光子密度增加而发射激光。
随着激光的发射，上能级粒子数被大量消耗，导致粒子反转数降低，当低于阈值水平时，激光振荡就停止，这时，由于光泵的继续抽运，上能级粒子反转数重新积累，当超过阈值时，又产生第二个脉冲，如此不断重复上述过程，直到泵浦结束。
可见每个脉冲都是在阈值附近产生的，因此脉冲的峰值功率水平较低，从这个作用过程可以看出，增加泵浦功率也是无助于峰值功率的提高，而只会使小尖峰的个数增加。
二、调Q 的概念在激光技术中 ，用品质因数 Q 来描述与谐振腔损耗有关的特性。
Q 值定义为2Q v π=腔内存储的激光能量每秒损耗的能量用W 表示腔内存储的能量，δ表示腔的单程损耗，且设谐振腔长度为L，工作介质折射率n，光速c，则Q 值可表示为22/W nLQ v Wc nL ππδδλ==式中λ0为真空激光波长。
GCS-YAG激光参数
● 激光能量计光谱范围：0.19μm~11μm，四档量程19.9mJ、199.9mJ、1.999J、19.99J，分辨率10μJ
● 指示激光：HeNe 内腔激光器 632.8nm ，2mW ，TEM00
● 激光输出镜： 20mm，三种透过率T=90% 80% 50%@1064nm
● 脉冲探测器：光谱响应曲线400-1100nm，响应度1ns
● 光学元件公差：光学材料，A 级精密退火；焦距± 2%，直径-0.2mm，中心偏差3'，光圈1-5；局部误差0.2-0.5，面
粗糙度60/40（Scratch/Dig），镀单层宽带增透膜，有效孔径90%φ
● 机械和调整部件：角度精度± 4'，分辨率0.005mm
利用晶体的电光效应制成Q开关，采用带起偏器的电光调Q，产生峰值功率高、脉冲宽度窄的单脉冲激光。同时采用腔外倍频技术，在动态、静态情况下输出532nm 激光。
技术指标：
● 激光光源波长：YAG 输出1064nm，倍频532nm
● 输出能量： 600mj(1064nm，静态) 400mj(1064nm，动态) 50mj(1064nm，选模)
● 光束发散角：≤ 5mrad
● 激光电源：充电电压1200V（常规），输出平均功率1kW，放电频率1、3、5、10、EXT；放电脉宽200μs，晶体高
压1-5000V，调Q 延时180μs(50-300μs 可调)体积：360mm × 370mm × 180mm
● 调Q方式： 电光调Q：1~5kV(可调)，KD*P 晶体, 半波电压：3800V
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班级：材物09-2学号：09132216 姓名：潘大伟
实验：33305
实验6-1 脉冲固体激光器输出特性研究
【实验目的】
1、了解脉冲固体激光器的基本结构和基本原理，并练习调整激光器谐振腔，使其输出激光。
2、测定脉冲激光器的输出特性曲线，找出光泵能量阈值，计算出激光器的绝对效率和斜效率。
3、测定激光器输出光束的发散角。
【实验原理】
（一）固体激光器的基本结构和工作原理
激光，它由工作物质，泵浦系统和光学谐振腔等部分组成。
实验所用YAG 激光器的结构如图6-1-1所示。
1、工作物质
要形成激光，首先必须利用激励源使工作物质激活，既使工作物质内部的电子在某些能级之间实现粒子数的反转分布。
粒子数反转分布
11
22
1 N g N g (6-1-1) 式中1N 一下能级的粒子数密度；2N 一上能级的粒子数密度；21,g g 一下能级1E 和上能级2E 的统计权重。
2、泵浦系统
本实验中所用YAG 激光器的光泵系统由聚光腔、脉冲氙灯和它的供电系统以及触发器组成。
○
1直流电源给储能电容充电到数百伏，并加到氙灯的两极，这时氙灯不发光。
○
2触发器接通，发出一万多伏的电脉冲使氙灯导通，这时储能电容通过氙灯放电，氙灯发出强烈的闪光。
此光激活工作物质，处于基态的粒子向高能级跃迁，由于光泵系统的不断泵浦，泵浦到一定程度时，实现了粒子数的反转。
3、光学谐振腔
○
1谐振腔除了造成高的光子密度。
○2选择作用，只有光在垂直腔镜的多次反射下才能输出激光，所以激光方向性好，且腔越长，方向性越好。
（二）YAG 激光器输出特性
1、输出特性曲线 见图6-1-3。
()222
1剩充U U C E -=
λ （6-1-4）
式中C 为储能电容器的电容，单位为F ，充U 为充电电压，单位为V ，剩U 为电容器放电后的剩余电压值。
输入能量入E 的单位是J 。
激光器的输出能量出E 由能量计读出。
%
100⨯=入
出
E E η叫做激光器的绝对效率，B
A B A E E E E 入入出出斜
--=
η
（6-1-6）
A 、
B 为直线部分上的任意两点。
入斜—、E ηη曲线与输出特性曲线的对应关系如图
6-1-4所示。
2、发散角
发散度可用图6-1-5所示的平面发散角θ'（或立体发散角Ω）描述。
如图6-1-6所示，相应光斑的直径D 由下式确定：
f D ''=θ2 (6-1-7)
式中f '为透镜的焦距， 【实验仪器】
YAG 固体激光器、能量计、He 一Ne 激光器，读数显微镜，直流电源等。
【实验内容和计算】
1. 测量输入、输出能量
使充电电压从900V 或950V 开始，逐次下降，每隔50V 测一个点，分别计算输入能量入E 、输出能量出E ，以入E 为横坐标、出E 为纵坐标，画出出E 一入E 曲线，从而计算出绝对效率η和斜
效率斜η，并画出η一出E 及斜η一入E 曲线。
表6-1-1 输入、输出能量测量 工作物质 Y AG ：Nd 3+
储能电容F C 610/- 200
充电电压V U /入 900 850 800 750 700 650 600 剩余电压V U /剩 80
70
70
80
70
65
65
输入能量J E /入 80.36
71.76
63.51
55.61
48.51
41.83
35.58
输出能量
E /mJ 出
1270 1130 982 856 727 580 433
绝对效率η
0.01580 0.01575 0.01546 0.01539 0.01499 0.01387 0.01217
斜效率斜η
0.01697
30
40
50
60
70
80
400
600
800
1000
1200
1400
E
/J
λ
E /m J
出###
E
B
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
0.0135
0.0140
0.0145
0.0150
0.0155
0.0160
0.0165
0.0170
η
斜
η
E
λ
###
Y A x i s T i t l e
B
2. 测量发散角
输出激光经透镜聚焦，在透镜的焦平面上放置一屏，上面固定一张黑色相纸。
在调节好位置后，打出三个聚焦烧蚀斑点，用读数显微镜测出斑点直径D ，用公式f D =θ算出发散角。
表6-1-2 发散角的测量
透镜焦距f/mm
156
光斑直径D/mm
纵
横
纵
横
纵
横
平均
2.811 1.50 2.828 1.50 2.876 1.55 2.178
发散角rad /θ
0.013962
【注意事项】
1、电源工作时绝对不能用手触摸储能电容器或氙灯两极，关闭电源后，因电容器中尚有残余电压，手也不能触摸，以防触电！
2、激光器工作时，切不可将眼睛对着输出镜，否则会严重烧伤眼睛，造成不可挽救的后果。
3、He一Ne激光器完成辅助调节任务后，即应关闭，然后再试固体激光器的激光输出。
【思考】
1、怎样调整YAG激光器的谐振腔？
答：本次实验的激光器外壳无法打开，所以无法看到内部结构，可能出厂时已经调好，调整过程分成三步，第一步将全反镜和框架仪器卸掉，并用纸挡住半反镜，调节基座，使棒的两个端面反射回来，进入白色小孔屏的小孔，只能看到一个反射斑，第二步，取掉挡住半反镜的纸片，调节半反镜框架的螺丝，使它反射回来的光斑也进入小孔。
第三步，装上全反镜，用纸片挡住工作物质，在调节全反镜上的螺丝，使它反射回来的光也进入小孔。
2、斜效率的物理意义是什么？
答：斜效率为效率的最大值，即表示该激光器工作的最佳状态。
【总结】
本次实验为脉冲固体激光器的特性研究，通过实验，对脉冲固体激光器的基本结构和基本原理有了初步的了解，知道了通过谐振腔来加强和筛选光束，从而发出激光。
测定了输出特性曲线，计算出了绝对效率和斜效率，同时也测定了激光器的输出光束的发散角。
对激光的原理和工作有了较为深刻的了解，另外实验中PE-1能量计在使用前无法使用，后来才排查出保险丝坏了，所以实验中没有将充电电压加到最大，以免烧坏保险丝，还有在测量烧灼圆斑的半径时，利用显微镜用眼睛测量半径很困难，可以用相互并联的热敏电阻针代替底片，通过计算机读出高温区域半径值。