脉冲固体激光器特性参数测量.
哈尔滨工业大学科技成果——半导体激光器脉冲特性参数测试系统
哈尔滨工业大学科技成果——半导体激光器脉冲特
性参数测试系统
项目简介
半导体激光器已经成为通信和网络技术所支撑的信息技术的核心器件。
因此，各国竞相投入巨资研制高性能的半导体激光器，而先进的测试设备是保证器件性能提高的必备条件。
目前只有国外少数的几个国家具备研制激光器特性参数测试设备的能力。
在国内，激光器的测试设备，尤其脉冲测试设备，仍然处于空白。
系统基本工作原理
半导体激光器特性参数测试系统通过给被测激光器注入按一定步幅增加的恒流或脉冲电流，同时采集流过激光器的电流IF、两端电压VF、输出光功率Po和背光电流Im等信号，从而得到反映激光器电抗特性的VF-IF曲线和电光转换特性的Po-IF曲线，从而得到激光器的阈值电流Ith、串联电阻Rs、效率ηs、“扭折”kink等特性参数。
系统初期装置与测试示例
下图给出了一个半导体激光器的测试曲线。
从曲线中可以自动计算特征参数，也可以直观地知道其特性。
应用领域
对半导体激光器的脉冲特性以及连续特性进行测试。
广泛应用于半导体激光器的生产厂家和使用单位。
小型脉冲固体激光器输出特性的实验研究
ｉ ｐ ｔｅ ｅ ｇ ｓｔ ｅ ｍｏ ｔｉ ｏ ｔ ｎ ｆｕ ｎ ｉ ｇ ｆ ｃ ｏ ｏ ｏ ｔ ｕ ｎ ｒ ｙ ｎ ｕ ｎ ｒ ｙ ｗａ ｈ ｓ ｍｐ ｒ ａ ｔｉ ｌ ｅ ｃｎ ａ ｔ ｒｔ ｕ ｐ ｔｅ ｅ ｇ ．Ｔｈ ｒ ｒ ｐ ｉ ｍ ｎ ｅ ｅ ｗｅ ｅ ｏ ｔｍｕ
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韩 玉 东 ， 张 方 唐 锐 陈 烁 。 ， ，
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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
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脉冲激光器的重要参数
脉冲激光器的重要参数
脉冲激光器的重要指标：脉冲重复频率、峰值功率、脉冲宽度、脉冲能量、平均功率、峰值功率密度
1、激光重频：激光分两类：⼀类是连续激光，⼀类是脉冲激光。
激光重复频率是对脉冲激光⽽⾔的，指在单位时间内，有规律地输出激光的脉冲数⽬（等同于⼀秒内脉冲重复出现的次数，单位为赫兹（hz））。
重频低在⼀样的输出功率下对应的脉冲能量⾼，适合⾮线性等研究，⾼重频则在⾼速采样等领域有优势。
2、峰值功率（Peakpower）：代表着单个脉冲所能达到的最⾼功率。
单位为⽡特（W）。
3、脉冲宽度（Pulsewidth）：简称脉宽，是指单个脉冲的持续时间，因此，它是⼀个时间衡量单位，有毫秒（ms）、微秒（us）、纳秒（ns）、⽪秒（ps）、飞秒（fs）等各种量级。
量级越⼩，激光作⽤持续时间越短。
4、脉冲能量（Pulseenergy）：指的是单个脉冲携带的激光能量。
是峰值功率与脉冲宽度的乘积。
单位为焦⽿（J）。
例如当峰值功率为10千⽡，脉冲宽度为100纳秒时候，脉冲能量E=10kwX100ns=1mj。
5、平均功率（Averagepower）：是指⼀个重复周期内单位时间所输出的激光能量。
是脉冲能量与脉冲重复频率的乘积。
单位为⽡特（W）。
6、峰值功率密度（Peakpowerdensity）：是指单位⾯积内激光功率，由激光功率和激光起作⽤的⾯积共同决定的⼀项指标。
单位为⽡特/平⽅厘⽶（W/CM2）。
激光的技术习题
激光原理与技术实验YAG 多功能激光实验系统光路图实验内容一、固体激光器的安装调试1、安装激光器。
2、调整激光器，使输出脉冲达最强二、激光参数测量1、测量自由振荡情况下激光器的阈值电压。
2、测量脉冲能量和转换效率。
3、测量光束发散角。
三、电光调Q 实验研究1、调整Q 开关方位，寻找V λ/4 。
2、确定延迟时间。
3、测试动静比。
四、倍频实验1、测量倍频光能量与入射角的关系。
2、倍频效率的测量。
五、激光放大实验1、放大器放大倍率测量。
2、放大器增益测量3、最佳时间匹配测量。
M 1脉冲氙灯 脉冲氙灯第一章 习题1、请解释（1）、激光Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation辐射的受激发射光放大（2）、谐振腔在工作物质两端各放上一块反射镜，两反射镜面要调到严格平行，并且与晶体棒轴垂直。
这两块反射镜就构成谐振腔。
谐振腔的一块反射镜是全反射镜，另一块则是部分反射镜。
激光就是从部分反射镜输出的。
谐振腔的作用一是提供光学正反馈，二是对振荡光束起到控制作用。
（3）、相干长度从同一光源分割的两束光发生干涉所允许的最大光程差，称为光源的相干长度，用∆Smax 表示，相干长度和谱线宽度有如下关系：∆Smax = λ2 / ∆ λ光源的谱线宽度越窄，相干性越好。
2、激光器有哪几部分组成？一般激光器都具备三个基本组成部分：工作物质、谐振腔和激励能源。
3、激光器的运转方式有哪两种？按运转方式可分为： 脉冲、连续 ，脉冲分单脉冲和重复脉冲。
4、为使氦氖激光器的相干长度达到1km ，它的单色性∆λ/λ应为多少？109max 10328.61016328.0-⨯=⨯==∆mm S μμλλλ第二章 习题1、请解释（1）、受激辐射高能态E 2 的粒子受到能量 h ν = E 2 - E 1 光子的刺激辐射一个与入射光子一模一样的光子而跃迁到低能级 E 1 的过程称受激辐射.（2）高斯光束由凹面镜所构成的稳定谐振腔中产生的激光束即不是均匀平面光波，也不是均匀球面光波，而是一种结构比较特殊的高斯光束，沿 Z 方向传播的高斯光束的电矢量表达式为：)]())(2(exp[])()(exp[)(),,(222220z i z z R y x ik z y x z A z y x E ϕωω+++-∙+-= 高斯光束是从z<0处沿z 方向传播的会聚球面波,当它到达z=0处变成一个平面波,继续传播又变成一个发散的球面波.球面波曲率半径R(z)>z,且随z 而变.光束各处截面上的光强分布均为高斯分布.（3）、增益饱和受激辐射的强弱与反转粒子数 ∆N 有关，即增益系数G ∝ ∆N ，光强 I ∝ ∆N 。
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。
LD端面泵浦全固体高功率457nm脉冲激光器的研究的开题报告
LD端面泵浦全固体高功率457nm脉冲激光器的研究的开题报告一、选题背景随着激光技术的不断发展，激光器在医疗、通信、制造等领域得到广泛应用。
其中，脉冲激光器作为一种高能量、高功率、高稳定性的激光器，在工业和军事领域具有重要的应用价值。
然而，现有的脉冲激光器普遍存在体积大、功率低、成本高等问题，且波长覆盖范围有限，难以满足新兴领域的需求。
因此，开发新型高功率、全固态、波长覆盖广的脉冲激光器是当前的研究热点之一。
二、研究目的本文旨在设计一种基于LD端面泵浦的全固态高功率457nm脉冲激光器，并对其进行性能测试和优化，实现高能量、高稳定性、低噪声的输出。
三、研究内容1.系统设计：根据波长要求和器件性能，设计端面泵浦全固态激光器的光路结构、光学系统和稳定控制电路等。
2.材料选择：选取高品质、高激发交叉截面的Nd:YVO4晶体、高反射率、高透过率的反射镜材料和优质的Q开关材料，保证激光器的高品质因素。
3.系统搭建：根据设计方案，制作光路结构，搭建电路和控制系统，对全固态激光器进行组装，并对系统进行测试和调试。
4.性能测试和分析：对全固态激光器进行性能测试，包括激光输出能量、脉冲宽度、脉冲重复频率、波长稳定性等参数，分析全固态激光器的输出特性。
5.性能优化：基于测试结果，对全固态激光器进行性能优化，例如优化光路结构、调节Nd:YVO4晶体温度、调整Q开关等，提高激光器的输出能量和稳定性。
四、研究意义本文的研究成果将有助于满足新兴领域对高功率、高能量、波长覆盖广的脉冲激光器的需求，促进激光技术在医疗、通信、制造等领域的广泛应用。
同时，本文的研究方法也为探索其他高性能、全固态激光器的设计和优化提供了指导和借鉴价值。
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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三. 脉冲固体激光器的输出特性 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。
2. 发射角
激光束的发散
激光束通过透镜后所成的像
【实验器材】
Nd:YAG固体脉冲激光器，He-Ne激光器，能量计，会聚透镜， 底片纸，读数显微镜。
【实验内容】 1.调整激光器的谐振腔
激光器的组成
1. 受激辐射 2. 粒子数反转分布 3. 激光谐振腔 1.工作物质 2.激励源 3.谐振腔镜
三个组成部分
二. 脉冲固体激光器的基本结构和工作原理
亚稳态
Nd:YAG固体脉冲激光器结构 工作物质：掺钕钇铝石榴石（Nd3+:YAG）
激励源：脉冲氙灯 输出的激光以1.06mm波长为主 Nd:YAG晶体的能级结构
【实验原理】
一、实现激光的条件 （1）粒子数反转
（2）光学谐振腔和工作物质
谐振腔的光放大和选频功能
亚稳态
谐振腔的选频
基态
2nh , m
=
mc 2nh
m=0,1,2.....
光源原子分子的能级有宽度
是输出的激光频率
（3）阈值条件
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的临界条件称为阈值 条件。产生激光的阈值条件为 dI ( z ) 2Gl G ( ) R1R2e 1 I ( z )dz
实验1-4 脉冲固体激光器 基本特性参数测量
近代物理实验室
理学院物理与光电工程系
爱因斯坦提出的产生激光的基本原理 ——自发吸收，自发辐射和受激辐射过程， 以及粒子数反转
爱因斯坦 激发态 亚稳态 自发吸收 自发辐射 受激辐射
基态 粒子数反转和受激辐射
原子能级跃迁的三种过程
1960年，T.H.西奥多· 梅曼制成了第一台红宝石激光器。 1961年，伊朗科学家A.贾文等人制成了氦氖激光器。 1962年，R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。 2013年，南非科学与工业研究委员会国家激光中心研究人员 开发出世界首个数字激光器，开辟了激光应用的新前景。
R1和R2衍射损失），l是激活介质的长度，G是激活 介质的增益系数 ，意义为：频率为ν的单色光在激活介质 中传播单位距离所增加的光强的百分比。
最小值
1 Gm (v) ln( R1 R2 ) 2l
产生激光的条件
合适的工作物质，激励源和谐振腔，满足阈值条件。
激光器
激光与全息技术
激光核聚变
激光核聚变过程
美国激光核聚变装置
中国的磁约束核聚变装置（人造太阳）
【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。
用He-Ne激光管调整固体脉冲激光器谐振腔
2. 测量输入、输出能量 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 、输出能量 ，以 为横坐标、 为纵坐标，画出E出-E入曲线，从而计算出绝对效率 和 斜效率 斜 ，并画出 - E出及 斜 - E入曲线。 3. 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
D f
算出发散角。
【预习要求】 1. 光和原子体系相互作用的三个基本过程是什么？ 2. 产生激光的必要条件是什么？ 3. 谐振腔的作用是什么？ 4. YAG固体脉冲激光器的工作原理是什么？ 5. 什么是绝对效率和斜效率？如何测量？ 6. 如何测量激光的发散角？