光电子技术实验报告

《光电子技术实验》实验报告
固体激光器的静态特性及调Q技术王浩然无112011011202
1实验目的
∙掌握固体激光器与调Q的工作原理；
∙掌握固体激光器的调节方法，了解谐振腔参数及调节精度对激光器性能的影响；
∙测量固体激光器的静态输出特性和调Q输出特性；
∙掌握用于固体激光器调整和测量的仪器的使用方法。

2实验原理
2.1固体激光器的工作原理
固体激光器主要由激光工作物质、激励泵源、聚光器和光学谐振腔组成，其结构示意如下图所示：
图1:固体激光器结构
本次实验中的激光工作物质为钕玻璃，激活粒子为掺在玻璃中的钕离子，激光输出波长为1.06μm。

钕粒子产生受激辐射的原理如下图所示：
图2:钕粒子能级
钕粒子吸收光泵的能量由基态E1跃迁到E4能带，由于E4能带寿命很短，钕粒子很快以无辐射跃迁的形式跃迁到E3能级，E3是亚稳态能级，具有较长的能级寿命，钕粒子可以在该能级上积累起来，E3能级的钕粒子向E2能级跃迁，由E2能级返回基态，由于E2能级在热平衡
时基本处于空的状态，因此在光泵情况下，容易在E3能级和E2能级上实现集居数反转，实现受激辐射。

光在处于集居数反转的工作物质中传播时，用增益系数G来表示通过单位长度激活物质后增强的百分数。

当光强较小时，增益系数与光强无关，称为小信号增益系数，用G0表示。

与此同时，光在谐振腔中传播时，由于谐振腔反射镜的透射、吸收损耗、散射损耗等造成光在往返传播中不断衰减，用损耗系数α来表示，因此可以得出激光形成自激振荡的条件为
G0l≥αL
其中l为工作物质长度，L为谐振腔的长度。

2.2调Q原理
静态固体激光器输出能量分布在众多尖小的脉冲而限制了输出功率，采用调Q技术可以使激光能量集中在一个单脉冲中输出，大大提高固体激光器的输出功率的峰值。

调Q技术是采用调Q器件的饱和吸收特性实现的。

调Q晶体是一种非线性吸收介质，其吸收系数A与入射光强I之间的关系可以表示为：
A=
A0
1+I/I s
易知当光强较弱时，调Q晶体对入射光有较强的吸收，随着入射光强增加，吸收系数减小。

当光泵激励刚开始时，腔内光强很弱，调Q晶体的吸收很强，给激光器引入很大的损耗，激光不能产生。

光泵继续激励时，使得工作物质内反转集居数不断积累，使腔内光强不断增强，从而使调Q晶体吸收减弱，阈值反转集居数下降，当粒子反转集居数大于阈值反转集居数时，受激辐射迅速增强，光强迅速增大，这又使阈值反转集居数不断下降，直至饱和。

由于激光器粒子反转集居数大大超过阈值，手机辐射光强急剧增长。

同时受激辐射不断消耗上能级的粒子，使得粒子反转集居数下降，当反转集居数小于阈值后，光强减小，反转集居数阈值增大，激光迅速熄灭。

上述过程中，激光器输出一个很窄的巨脉冲。

调Q激光器的输出能量曲线如下图所示，随之输入能量的增加，输出能量阶梯状增长，阶梯高度近似相等，这是由于输入能量较大时，在调Q晶体输出第一个脉冲之后，光泵继续激励回事激光器输出第二个脉冲，以此类推。

图3:调Q激光器输出特性
3实验步骤
实验装置如下图所示：
图4:实验装置
其中He-Ne激光器和内调焦望远镜用于调整整个光路平行，半反膜镀在钕玻璃的一端，氙灯和聚光器作为工作物质钕玻璃的光泵。

能量计用于测量输出脉冲的能量，光电探测器和示波器用于观察输出特性曲线。

实验步骤如下：
1.调整光路使得工作物质断面与全反镜平行，使得静态固体激光器能产生激光。

调整方法为用He-Ne激光器准直固体激光器的钕玻璃棒和反射膜片，调整各元件使得它们轴向对中，并使得它们对He-Ne激光器的反射光斑基本重合，最后用内调焦望远镜细调光路，将各个元件调整到严格平行。

2.测量静态激光器的输出输入能量关系曲线。

给光泵氙灯的激励电容上不同的充电电压，改变激光器的输入能量。

3.观察激光器的静态输出波形，记录器形状和总宽度，改变输入能量，观察波形变化规律。

4.在光路中加入调Q晶体，调整使得加入调Q晶体后谐振腔的平行性。

测量调Q激光器的输入输出能量曲线。

测量单脉冲输出能量、双脉冲输出能量、三脉冲输出能量以及对应的输入能量变化，测量调Q激光器的动静比。

5.对于不同的输入能量，采用光电探测器和示波器观察调Q激光器各输入能量下对应的输出脉冲的个数。

6.对与静态激光器，调整反射镜使得偏离谐振腔的平行位置，观察其对与固定的输入能量时输出能量的变化。

偏离平行位置的大小，可以由内调焦望远镜读出。

4实验数据
对于静态固体激光器，采用He-Ne激光器和内调焦望远镜的方法调整光路平行，测得可以产生激光的电容阈值电压为470V，在此值以上，测得电容两端电压和激光器的输出能量之间的关系，可以画出输入输出能量曲线，其中输入能量
E i=1
2
CV2
其中C =200μF 为光泵氙灯电源电容大小。

图5:静态固体激光器输
入输出能量曲线
在光泵氙灯电源电容充电电压为600V 时，用光电探测器和示波器观察静态激光器的输出波形如下：
图6:静态固体激光器的输出波形
此时测得半波脉冲宽度为108μs ，改变光泵电源电容的充电电压，可以测得对于不同的输入电压时，半波脉冲宽度如下表：
电容电压V
脉冲宽度μs
600108650116700122800
130
由上表可以看出，随着输入能量的增大，脉冲宽度增加。

加入调Q晶体后，测得的光泵电容两端电压与输出能量之间的关系如下表：
电压V600625650675900700725750775800825850875900
能量mJ25.128.325.728.959.659.858.993.096.697.5102.7124.9130.3155.6
表1:调Q固体激光器的输入电压与输出能量
由上表格中易知，此时的输出能量为阶梯状分布，聚集在几个离散的值周围。

可以画出此时的输入输出能量曲线如下：
图7:调Q固体激光器输入输出能量曲线
加入调Q晶体后，对于单脉冲情况，测得的输出波形如下：
图8:调Q固体激光器单脉冲输出波形
可以测得半波脉冲宽度为384ns，可以看出，相对于静态固体激光器，加入调Q晶体后，单脉冲的宽度更窄，能量更集中。

对于不同的输入能量，可以观察到双脉冲、三脉冲和四脉冲的波形如下：
图9:调Q固体激光器双脉冲输出波形
图10:调Q固体激光器三脉冲输出波形
图11:调Q固体激光器四脉冲输出波形
对于静态固体激光器，在光泵电源电容充电电压为700V的条件下，调整全反镜使其偏离
平衡位置，用内调焦望远镜读出偏离平行位置的大小，测出其输出能量变化如下表：
偏离平行位置角度′输出能量J
00.355
0.50.336
1.00.286
1.50.268
2.00.241
2.50.217
3.00.192
3.50.188
表2:偏离平衡位置时静态激光器的输出
对应的偏离角度输出能量曲线如下：
此时可以做出
由图中可以看出，随着全反镜偏离平行位置的角度的增大，输出能量下降呈现先快后慢的特点，对于第一二个点间下降较慢，说明实际的平行位置不在我们调节的平行位置，应在第一二个点之间。

5实验体会
本次实验的关键是光路的调整，用He-Ne激光器和内调焦望远镜调整光路严格平行是静态激光器能产生激光的关键，实验过程中，由于我认错了半反膜的十字叉丝，调整叉丝重合时调整错了，导致无法产生激光，仔细调整发现最不清晰的暗红色的叉丝为半反膜的叉丝，调整好光路后接下来的实验都很顺利。