激光参数测量
高功率准分子激光参数测量研究
第35卷，增刊V01．35Suppl啪∞t红外与激光工程I n行ar ed a nd Las er E n百nee r i ng2006年10月O ct．2006高功率准分子激光参数测量研究华恒祺，赵学庆，郑国鑫，易爱平，叶锡生(西北核技术研究所，陕西西安710024)摘要：介绍了对高功率xeC l准分子激光M oPA系统中前三台激光器的输出激光进行的参数测量。
实验分别对M O PA系统的前端输出种子光及其经过一级、二级、三级放大后所得激光进行了测量，研究包括采用哈特曼波前传感器对激光近场波前的测量和采用激光光束分析仪对激光远场光强的测量两个方面，分别得出激光的近场相位均方根误差和不同光斑尺寸定义下的远场发散角等实验测量结果，将实验结果与系统设计值进行比较分析，从而对激光器系统输出激光作出评价。
关键词：高功率激光；哈特曼；波前；光斑定义；发散角中图分类号：TN24文献标识码：A文章编号：1007．2276(2006增C—0055一05】Ⅵea sur i ng r es ear ch of t he par a m et e r s ofhi gh pow er exci m e r l as erH U A H e ng—qi，Z H A OX ue—qi ng，Z H EN G G u o-xi n，Y I A i—pi Il g，Y E X i-sh饥g(N o nl l w cs tI埘“utc ofN ucl谢融l l Il ol ogy，X i’狮710024，C量Ii m)A bs t r act：I n tl li s p印er'som e m e弱ur i n g r es earches on tl l e par锄et er s of t he f i rs t t hr ee hi gl l pow e r xe C l exci m er l as er s of M O f'A s yst em ar e i nt r oduce d．I n t he e xper i m e nt s，t he行ont—e nd l aLs er of m e M O f’A s ys t em aI l d t he l as er s aR cr t he f i r st，seco nd，t hi r d stage锄pl if i ers ar e m eaSur ed．W i t h H anm ann w ave．仔ont s ens o r and l as er be锄a na l yz e r't he di s仃i but i ons of tl l e ne ar f i el d w a ve仔ont and f．ar f i el d m t ens i t y of t he l鹊er ar c got．A nd t hest and删er r or s of phas e and f ar．f i el d di V e唱ence a ngl es ar e got．A R er com pa咖g t he exp er i m ent al r e sul t s w i吐l t he des i gn va l ues，a n e va l ua t i on on t he hi2l l pow e r l as er s ys t em i s m a de．K ey w or ds：H i gl l pow e r L舔er；H am naI l I l；w aV e舶nt；L邪er be锄def m i t i on；D i V e玛ence锄gl eO目高功率准分子激光具有波长短、增益高、与靶耦合效率高和可定标放大等优点，基于振荡一功率放大器(M ast er O s c i l l a t or Pow e r-A m pl i6e r，M O PA)技术是建立高功率准分子激光器系统常用的方法，采用这种技术可以有效提高激光的光束质量和输出功率。
固体激光器主要参数测量方法
固体激光器主要参数测量方法固体激光器，听上去就像是高科技的代名词，但其实它离我们的生活并不远哦！今天咱们就来聊聊固体激光器的主要参数测量方法，既轻松又有趣，别走开，坐稳了，咱们慢慢道来！1. 固体激光器的基本认识1.1 什么是固体激光器？首先，固体激光器可不是个高高在上的神秘物件，简单来说，它是通过固体介质来产生激光的设备。
想象一下，像一颗小小的宝石，闪闪发光，发出耀眼的光芒。
它的核心工作原理就是激发那些固体介质里的粒子，嘿，你说巧不巧，激光就这么跑出来了！1.2 为什么要测量参数？那么，为什么我们需要测量固体激光器的参数呢？这就像我们买水果，总得先看看水果新不新鲜吧！同样的道理，测量激光器的参数可以帮助我们了解它的性能，比如输出功率、波长、光束质量等等，这些都是决定激光器好坏的关键因素。
2. 主要参数及其测量方法2.1 输出功率输出功率是激光器最重要的参数之一，直接影响到激光的强度。
怎么测呢？其实很简单，咱们可以用功率计。
把功率计对着激光器的输出光束，数据一秒钟就出来了，简直像魔术一样！如果输出功率不够，那就得考虑是不是激光器出了问题，或者是不是得给它多“喂点料”了。
2.2 波长接下来，咱们聊聊波长。
这就像是不同颜色的光，蓝的、绿的、红的，都是因为波长不同。
测量波长可以用到光谱仪，简单说就是一个能把光分解成不同颜色的工具。
用光谱仪一照，数据就浮出水面，真是妙不可言！波长对很多应用场景都至关重要，比如激光切割、激光美容等等，得挑对了，才能事半功倍。
3. 光束质量3.1 什么是光束质量？光束质量，这听起来有点复杂，其实它关系到激光的集中程度和传播效果。
一个光束质量好的激光器，可以让光束更加集中，能量传递更高效，打个比方，就像是一把锋利的刀，能轻松切割食材。
3.2 测量光束质量的方法要测量光束质量，咱们可以用到M²因子。
这个因子越小，说明光束质量越好。
测量的方法也是很简单，咱们可以用到一台叫“光束分析仪”的设备，放在激光器前面，数据立马就能显示出来。
3-氦氖激光器的参数测量
氦氖激光器的参数测量（参考讲义）一台激光器的小信号增益系数,腔内损耗α，饱和光强及最佳透过率是重要的激光参数，直接影响着激光器的输出功率。
本实验在外腔激光器中用全反射腔镜，激光输出是通过在腔内插入可旋转平行板，利用平行板的反射率与入射角的关系，使激光的输出功率随平行板的旋转角度而改变，旋转平行板等效于可变透射率的输出镜。
通过测量激光输出功率与等效透射率的关系，用作图法获得以上参数。
0G s I opt Γ一、 实验原理光谱线的宽度一般由以下几部分组成：自然增宽N v Δ，碰撞增宽 ，和多谱勒增宽 ，自然增宽和碰撞增宽属均匀增宽线型，多谱勒增宽属非均匀增宽线型，自然增宽与谱线上下能级寿命成反比，如下式所示⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=Δττπν121121N(1) 式中1τ,2τ分别为上、下能级寿命。
碰撞增宽与气体压力p 成正比，如下式所示ap =Δρν (2) 式中a 为压力加宽系数，因不同气体不同谱线而异。
多谱勒增宽由激发谱线的粒子速度分布决定，与介质温度T 及原子量M 有关，还与激发谱线的中心频率0ν成正比，如下式所示()02/17/1016.7ννM T D −×=Δ (3) 式中0ν为谱线中心频率。
对某一谱线究竟哪种增宽起主要作用，属哪种线型有具体的物理条件决定。
1. 不同线型的增益饱和特性激光介质的增益吸收关于是随腔内光强的增加而下降的，这种现象叫做增益饱和，不同线型其增益饱和行为不同。
以均匀增宽为主的线型其增益饱和特性由下式描述：)()/1()2/()()2/()(002202v G I I v v v v v G s v +Δ+−Δ= (4)式中为腔内光强趋于零时频率中心处的益系数，叫做小信号增益系数。
为线型宽度,为频率为)(00v G v Δv I v 的激光强度,为饱和光强。
s I s I 与下列物理量的关系)1(为221324ττλπn v hc I s Δ= (5) 式中λ为光在介质中的波长,21τ为谱线的自发跃迁寿命,2τ为谱线上能级的总跃迁寿命。
半导体激光器常用参数的测定
半导体激光器常⽤参数的测定半导体激光器常⽤参数的测定⼀实验⽬的：掌握半导体激光器常⽤的电学参数及其测试⽅法⼀实验基本原理1、普通光源的发光——受激吸收和⾃发辐射普通常见光源的发光（如电灯、⽕焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作⽤时，原⼦中的电⼦就会吸收外来能量⽽从低能级跃迁到⾼能级，即原⼦被激发。
激发的过程是⼀个“受激吸收”过程。
处在⾼能级（E2）的电⼦寿命很短（⼀般为10－8～10－9秒），在没有外界作⽤下会⾃发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产⽣光（电磁波）辐射。
辐射光⼦能量为12E E h -=ν这种辐射称为⾃发辐射。
原⼦的⾃发辐射过程完全是⼀种随机过程，各发光原⼦的发光过程各⾃独⽴，互不关联，即所辐射的光在发射⽅向上是⽆规则的射向四⾯⼋⽅，另外未位相、偏振状态也各不相同。
由于激发能级有⼀个宽度，所以发射光的频率也不是单⼀的，⽽有⼀个范围。
在通常热平衡条件下，处于⾼能级E2上的原⼦数密度N2，远⽐处于低能级的原⼦数密度低，这是因为处于能级E 的原⼦数密度N 的⼤⼩时随能级E 的增加⽽指数减⼩，即N ∝exp(-E/kT)，这是著名的波⽿兹曼分布规律。
于是在上、下两个能级上的原⼦数密度⽐为]/)(exp[/1212kT E E N N --∝式中k 为波⽿兹曼常量，T 为绝对温度。
因为E2>E1，所以N2《N1。
例如，已知氢原⼦基态能量为E1＝－13.6eV ，第⼀激发态能量为E2=-3.4eV ，在20℃时，kT≈0.025eV，则0)400exp(/12≈-∝N N可见，在20℃时，全部氢原⼦⼏乎都处于基态，要使原⼦发光，必须外界提供能量使原⼦到达激发态，所以普通⼴义的发光是包含了受激吸收和⾃发辐射两个过程。
⼀般说来，这种光源所辐射光的能量是不强的，加上向四⾯⼋⽅发射，更使能量分散了。
2、受激辐射和光的放⼤由量⼦理论知识知道，⼀个能级对应电⼦的⼀个能量状态。
氦氖激光参数测量实验
He －Ne 激光参数测量实验氦氖激光束光斑大小和发散角测量实验目的1．掌握测量激光束光斑大小和发散角的方法。
2．深入理解基模激光束横向光场高斯分布的特性及激光束发散角的意义。
实验仪器用具氦氖激光器、光功率指示仪、硅光电池接收器、狭缝、微动位移台。
实验原理激光束的发散角和横向光斑大小是激光应用中的两个重要参数，激光束虽有方向性好的特点，但它不是理想的平行光，而具有一定大小的发散角。
在激光准直和激光干涉测长仪中都需要设置扩束望远镜来减小激光束的发散度。
1、激光束的发散角 θ激光器发出的激光束在空间的传播如图 1-1 所示，光束截面最细处成为束腰。
我们将柱坐标（z 、r 、φ）的原点选在束腰截面的中点，z 是光束传播方向。
束腰截面半径为0w ，距束腰为 z 处的光斑半径为 w(z)，则 2/1220])(1[)(w z w z w πλ+= 其中λ是激光波长。
上式可改写成双曲线方程1]/[])([22020=-λπw z w z w 双曲线的形状已画在1-1 中。
我们定义双曲线渐近线的夹角θ为激光束的发散角，则有z z w w /)(2)/(20==πλθ (z 很大）（1.1）由式（1.1）可知，只要我们测得离束腰很远的 z 处的光斑大小 2 w(z)，便可算出激光束发散角。
2、激光束横向光场分布如图 1-1，激光束沿 z 轴传播，其基模的横向光场振幅00E 随柱坐标值 r 的分布为高斯分布的形式)](/exp[)()(220000z w r z E r E -= （1.2）式中)(00z E 是离束腰z 处横截面内中心轴线上的光场振幅， w (z)是离束腰z 处横截面的光束半径，)(00r E 则是该横截面内离中心r 处的光场振幅。
由于横向光场振幅分布是高斯分布，故这样的激光束称为高斯光束。
当量值r =w(z) 时，则)(00r E 为)(00z E 的1/e 倍。
前面的讨论中，我们并未对光束半径下定义。
He-Ne激光模式及参数测量
不相等，因此可以判断Ａ、Ｂ是两个纵模，而 C、D、E、F 是跳模。
(3)出现跳模的原因可能是：由于腔内温度的升高，使得粘贴在放电管两端的两个反射镜
片之间的距离加大，也就是谐振腔的腔长变大。
这将使得各本证纵模的谐振频率向低频方向漂移，输出激光的频率也随之减小。当 ������������:1
模的频率变成比������������模频率更接近中心频率 ������0 时，由于谱线竞争，������������:1模就可能战胜 ������������ 模取
(2) 保证倾角、高度不变，大范围内移动水平距离 Z，在不同距离观察 M，N，光电接
收器上的光斑位置，是否出现大幅度移动；
倘若大幅度移动，说明没有达到“平行、等高、垂直”；这时调节方向是往光斑反方向
运动的方向调节；直到光斑在 M、N、光电转换器上的光斑不随着水平距离 Z 的变化发生大
幅度移动。其原理如下：
e
2
x xc w2
2
π /2
严格满足高斯型表达式。按照高斯光束理论，w 即为光斑半径，代表着光强下降到最大
值的 ������;2。因此第一组数据测量所得的光斑半径为：
������ = 0.068 + ������������������������ × ������������������[− 2(������;26.8.644266)2]
������1 = 2.84 mm，相关系数 ：γ = 0.998。满足实验精度要求。理想情况下表达式为：
������(������,
������)
=
������(������,
0)������������������[−
2������2 ������(������ )2
激光参数测量
研究了两个光纤激光器的相位锁定及其相干输出。
将两个光纤激光器的输出耦合进一个自成像共振腔,然后利用一个空间滤波器进行模式选择。
自成像共振腔由两个焦距为8mm的准直透镜、一个焦距为500mm的傅里叶透镜和一个耦合输出镜组成。
滤波器由两根20m的铂金线组成,并放置在耦合输出镜面上。
实验中,观测到光束截面图样具有高对比度的干涉条纹。
输出镜反射率在50%和30%情况下,分析了单个激光器和激光器阵列的斜率效率。
在总抽运功率为60W时,获得了18.3W的高相干功率输出。
稳定的相位锁定是由于激光器阵列具有能适应光程长度变化的自调节过程。
图4参18(于晓光)TN248.92007010218紧凑型人眼安全OPO激光器=Compact eye safe OPO la ser[刊,中]/包照日格图(固体激光技术国家级重点实验室.北京(100015)),王博//激光与红外.2006,36 (8).639640提出了OPO与泵浦源激光器共用一个谐振腔的新型结构,保证了OPO谐振腔和基波谐振腔的腔模最佳匹配,OP O光束质量得到了很大提高。
泵浦源激光器采用布氏角切割的Cr!YAG晶体作为被动Q开关,定向棱镜作为谐振腔全反镜,使得整个OPO激光器具有结构紧凑、抗失调能力强的特点。
1.57m激光的输出能量为8mJ、发散角为5.5mr ad、重复频率为1/6Hz。
图2参2(严寒)TN722.322007010219对卡塞格林式多程放大器中环形光束传输的数值模拟= Numer ical simulation for transfor mation of annular laser beam in Cassegr ain multi pass amplifier[刊,中]/李玮(四川大学电子信息学院.四川,成都(610064)),冯国英//中国激光.2006,33(9).12141219利用光线追迹法以及分步傅里叶贝塞耳变换法,考虑了光阑对光束的拦截和通光作用以及激光放大过程中的增益饱和效应,对环形腔调Q钕玻璃激光系统振荡器输出的光束经卡塞格林式放大器多程放大后的光场演化过程进行了数值模拟,并进行了实验验证。
激光光束质量分析与参数测量实验
维普资讯
第５ 卷
第３ 期
Ｅｐｒ ｅｔ ｃ ｎｅ ｅｈｏ ｇ ｘｅ ｍ ｎ Ｓｉ ｃ ＆Ｔｃｎｌ ｙ ｉ ｅ ｏ
・ ５・ ２
种 系统 误差 口 。这个 系统 中对 数据 处理 系 统 的要 ｊ
随机因素都将包含于一张看似较 暗的图像之 中。在 后期软件进行数据处理时 ，采用二次测量 相减法 ，
通过程序把背景信号从激光光斑 图像中减去 ，以此
减 小背 景信 号 的影 响。
３２ 数 据计 算处 理结 果 ．
最大功率密度 的 １ｅ ／ 处的宽度定义束宽。激光发
散 角 的测 量一 般不 在 近场进 行 ，因为任何 光强 模式 的角度 分 辨率 随着 发散 距离 的增 加而 增加 ，近 场 的 测 量不 准 确 。 因而 ，我们所 指 的发散 角也 应该 是指 远 场条 件 下测 量 的 ，远场 图样 能确切 地表 达激 光束
３ 实验激光光束 光腰 半径的确定
３ １ 数 据 处理 方 法 ．
激 光 器输 出激 光光 束通 过滤 光片 和衰 减片 ，之
光。每次进行测的情况下进行测量。这样
Ｃ Ｄ的暗 电 流 以及 尚 未 完 全 排 除 的背 景 杂 散 光 等 Ｃ
比较大 。
将 ＝Ｔ 。Ａ代人式（ ） １２ ／ １ ，并变形解出 。
：
Ａ＼ ０ 卜 ｌ ｆ９ 『 ／ ＼
．
ｏ ，
（ ２ ）
对 于 ２个 不 同位置 Ｚ Ｚ，有 ： １
Ｉｌ－ｚ １ ｚ ２ ＝ 一
√ 】㈩ ㈡一
］ ） （ ｇ。 ４ （ ）
一
（） 。 ＋ ＝ √１
求解 光腰半 径 。
（） １
个 按七 色彩 虹 颜色 排列 的光 亮度 对 比条 ，按照这
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A
K
AK
AK
输出波长有： 632.8nm,1.15μm,3.39 μm 功率可1mW~几十mW，波长的稳定度在10-6左右
输出 线偏 振激 光光
5
2.激光参数的定义及测量
3.1.功率 激光器单位时间内所发生出的激光能量。反映激 光输出光能量的大小。单位：W或Lm。对脉冲激 光，用输出能量评价。使用功率计或能量计测量
激光器特性及其参数测量
华南师范大学 黄佐华
一·概述
激光器特性及其参数测量实验是近代物理实 验的重要实验之一。激光具有亮度高、方向 性强及单色性或相干性好等特点。在科学研 究及工农业等领域有广泛应用。由于激光器 的种类很多，性能各异，有气体、固体、液 体、半导体激光器等。需要建立一些指标对 其特性进行评价。激光主要参数有：功率稳 定度、发散角、偏振度及波长等。脉冲激光 还有能量、脉冲宽度等。
3.4偏振度
A Imax I min I max I min
%
反映激光的偏振特性。He-Ne激光器有部分偏振及 线偏振激光。使用旋转偏振片测量。
四·实验内容与注意事项
实验仪器： He-Ne激光器及激光功率计等
1.激光功率及其稳定度 2.发散角 3.偏振度 4.注意小光阑的定位误差 5.综合设计性实验（波长测量）
二.实验目的
1. 熟悉几个评价激光器参数的定义 2.掌握激光器特性及其参数的测量原理及方法 3.学会正确使用激光器、激光功率计或能量计
三·实验原理
1.激光基本原理及组成
激光是受激辐射放大的光。激光器由激光物 质、激励源及谐振腔组成。是目前相干性最 好的人造光源，具有一般光源没有的特点。
气体激光器
半径。
激光发散角定义为
w(z)
z
z处的光斑半径与距离z之比，单位：mrad.反 映激光器的方向性、准直性。
测量光斑半径主要方法：光阑法与光点法，还有CCD法等
光阑法
为光阑直径
(z)
2
ln
P0 P0 P
1 2
光点法：
用小孔光阑和激光功率计沿光斑直径对激光束 进行扫描，画出I-R曲线。
3.2.功率稳定度
S Pmax Pmin % 2P
反映激光器输出激光功率在测量时间内的波动程度，
是激光器的重要质量之一。
3.3发散角
激光器光斑的强度分布符合高斯分布规律。
I
(r,
z)
I0
(z)
exp
2r 2 w2 ( z)
其中 为激光强度是其最大值的1/e2倍时
所对应点离光斑中心点的距离。称为光斑