固体激光器装调
YAG
电光调Q 脉冲YAG 激光器与倍频实验赵凯（201421140047）[摘要]本实验研究闪光灯泵浦的调Q 脉冲Nd 3+：YAG 激光器，了解其工作原理，掌握该激光器的装配和调试方法以及相应的激光参数测量，学习应用非线性光学晶体产生倍频光的基本原理。
本实验通过调Q ，极大地压缩激光脉冲的脉宽，得到高峰值功率的激光脉冲。
并总结激光输出能量与氙灯注入能量的关系，以及绝对效率和斜率效率随注入能量的变化规律，并总结倍频输出与倍频晶体角度的关系。
一、引言固体激光器是以固体材料作为工作物质的激光器，它具有输出能量大、峰值功率高、器件结构紧凑等优点，在工业激光材料加工、激光医学、激光化学、科学研究以及国防等方面有着重要的应用。
迄今，已实现激光振荡的固体激光工作物质有数百种之多，其中以掺钕钇铝石榴石（Nd 3+：YAG ）应用最多。
Nd 3+：YAG 是一种典型的四能级激光工作物质，由于它的热传导性好、激光阈值低和转换效率高，所以用它可以做成高重复频率的脉冲激光器和连续激光器。
如果在脉冲激光器内采用调Q 和放大技术，很容易获得时间宽度为10ns 量级而峰值功率达几百 MW 量级的TEM 00激光脉冲。
再通过P KD *等非线性光学晶体对波长为 1.06μm 的Nd 3+：YAG 激光基波进行二倍频、三倍频和四倍频，则可得到532nm 、 355nm 和266nm 四种波长的脉冲激光器。
此外，还可以用上述二倍频或三倍频光去泵浦染料激光器，获得从紫外到近红外的波长连续可调谐的脉冲激光。
这种以Nd 3+：YAG 激光器为基础的脉冲激光系统以其高峰值功率、高重复频率和宽范围波长调谐特性等优点在科学技术、医学、工业和军事上得到了广泛的应用。
二、实验原理1．Nd 3+：YAG 激光器的工作原理和结构掺钕钇铝石榴石晶体是以钇铝石榴石（简称 YAG ，其分子式为 1253O Al Y ）单晶为基质材料，掺入适量的三价稀土离子Nd 3+所构成。
激光指示器的多参数检测装配与调整
一系统组成激光指示器主要由基准光管，模拟光管底座壳体，衰减片，计算机系统组成。
其中模拟光管主要是用来解束散角偏移量等。
基准光管主要用来提供对准目标，底座是为了提供一个基准，壳体是为了防尘防背景光杂光以及美观性。
二检测指标检测系统主要完成对被测激光指示器以下几个性能参数的检测：作用距离：在指示器发射处能清晰看到米距离上的激光光斑，其背景照度20Lx；激光束发散角（光斑大小）50m处2θ≤1mil光斑走动量：作用距离上50米处背景光20lx下≤1m;作用距离50m；光斑偏移量：≤1mil；光斑调整范围：≥10mil.检测系统数据采集与处理要满足以下要求：能自动计算激光指示器的激光束发散角、作用距离、光点走动量、光斑调整范围和光斑偏移量的精确判定；能实时显示激光光斑图像，输入测试时间、操作人员、指示器编号等信息。
当检测激光指示器不合格时，能自动提示。
具备数据备份（输出表格、数据统计、历史记录查询功能（输入激光指示器类型、试验时间、编号等信息即可查询）。
系统具备视频信号采集与数据传输同时进行的能力，每次检测时间节点可控制。
三检测原理针对以上被检测激光指示器的功能要求及技术指标，确定如下几个部分：1)对目前激光束发散角的检测方法进行分析，确定焦斑法检测原理，对各个检测参数原理进行分析;2)对检测系统的激光光束发散角焦斑法检测技术、多参数集成检测技术等的关键技术进行分析研究;3)对系统检测精度进行分析。
4)确定装调检测方案。
产品的原理光路图如图3.1：图3.1光路原理图当作用距离为50m远时。
激光的光轴和对准光管的光轴会发生交叉。
（1）激光束散角固体激光器的出射光束多为高斯光束，其光场分布规律呈高斯曲线形式，在波阵面上振幅的分布是不均匀的。
高斯光束在共焦腔中的中心处(坐标系原点)是强度为高斯分布的平面波，在其他处为高斯分布的球面波。
沿Z轴传播的高斯光束的电矢量为:（3-1）式中E (x,y,z)为点(x,y,z)处的电矢量;W(z)为Z点处的光斑半径。
固体激光器原理固体激光器
固体激光器原理-固体激光器固体激光器发展历程固体激光器发展历程固体激光器用固体激光材料作为工作物质的激光器。
1960年，梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。
固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。
这类激光器所采用的固体工作物质，是把具有能产生受激发射作用的金属离子掺入晶体而制成的。
在固体中能产生受激发射作用的金属离子主要有三类：(1)过渡金属离子；(2)大多数镧系金属离子；(3)锕系金属离子。
这些掺杂到固体基质中的金属离子的主要特点是：具有比较宽的有效吸收光谱带，深圳市星鸿艺激光科技有限公司专业生产激光打标机，激光焊接机,深圳激光打标机,东莞激光打标机比较高的荧光效率，比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线，因而易于产生粒子数反转和受激发射。
用作晶体类基质的人工晶体主要有：刚玉、钇铝石榴石、钨酸钙、氟化钙等，以及铝酸钇、铍酸镧等。
用作玻璃类基质的主要是优质硅酸盐光学玻璃，例如常用的钡冕玻璃和钙冕玻璃。
与晶体基质相比，玻璃基质的主要特点是制备方便和易于获得大尺寸优质材料。
对于晶体和玻璃基质的主要要求是：易于掺入起激活作用的发光金属离子；；具有适于长期激光运转的物理和化学特性。
晶体激光器以红宝石和掺钕钇铝石榴石为典型代表。
玻璃激光器则是以钕玻璃激光器为典型代表。
工作物质固体激光器的工作物质，由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。
这种工作物质一般应具有良好的物理－化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。
玻璃激光工作物质容易制成均匀的大尺寸材料，可用于高能量或高峰值功率激光器。
但其荧光谱线较宽，热性能较差，不适于高平均功率下工作。
常见的钕玻璃有硅酸盐、磷酸盐和氟磷酸盐玻璃。
80年代初期，研制成功折射率温度系数为负值的钕玻璃，可用于高重复频率的中、小能量激光器。
晶体激光工作物质一般具有良好的热性能和机械性能，窄的荧光谱线，但获得优质大尺寸材料的晶体生长技术复杂。
固体激光器的装配和调试
激光器的组成
激光器的组成通常由三部分 1.工作物质 2.谐振腔 3.泵浦源
激光器的组成
结构图 实物图
4F3/2→4I11/2容易实现粒子数的反转，激光跃迁时谱线为1.064μm
YAG固体激光器结构
水冷系统
全反膜 电极
聚光腔 YAG棒 氙灯
充
触
电
发
电
电
储能电容器 源
源
工作物质
部分反射膜
T
打 火 线 圈
（微调！）ห้องสมุดไป่ตู้
10.在激光器输出激光后，继续微调前腔镜和 后腔镜，直到打出的光斑均匀、圆整。
11. 在激光器输出端放激光能量计，调整能量计位 置使输出能量最大。
12. 减小电压至激光器刚能出光，此时的泵浦能量 为阈值能量。
13. 激光器输出输入曲线的测定： ① 改变激光电压，分别测500V、600V、700V、
800V和900V时的输出能量值，每个电压处测3次 并取平均值。 ② 绘出激光器的输入电压－输出能量曲线 。
7
【实验仪器 Experimental Device】
• YAG晶体 • 前腔镜和后腔镜 • 激光电源：（含电源、Q开关、手动快门） • 水箱 • 导轨、滑块和支架 • 辅助激光器 • 能量计 • 光阑
【实验步骤 Experimental Step】
1. 检查所有电缆，插上电源，确定水泵及其控 制线连接完好。
2. 调整He-Ne激光器俯仰使其水平。
3. 使He-Ne激光通过激光棒两个端面中心。反 射光斑靠近出光口。
4. 将前腔镜放在导轨上，调整使激光通过中心， 调俯仰使光斑重合。
5. 将后腔镜放在导轨上，调整使激光通过中心， 调俯仰使光斑重合。
创鑫激光 MUN-3 5W-NEFAB1.0 紫外固体激光器（一体机）用户手册说明书
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1公司简介深圳市创鑫激光股份有限公司成立于2004年，是国内首批成立的光纤激光器制造商之一，也是国内首批实现在光纤激光器、光学器件两类核心技术上拥有自主知识产权并进行垂直整合的国家高新技术企业之一。
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 。
实验1NdYAG固体激光器实验
hv21(a) 2 1 (b) 2 E 1(c) 图1、光与物质作用的吸收过程Nd ：YAG 固体激光器实验一、 实验内容与器件1、了解半导体激光器的工作原理和光电特性2、掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法二、 实验原理概述1. 激光产生原理光与物质的相互作用可以归结为光与原子的相互作用，有三种过程：吸收、自发辐射和受激辐射。
如果一个原子，开始处于基态，在没有外来光子，它将保持不变，如果一个能量为hv 21的光子接近，则它吸收这个光子，处于激发态E 2。
在此过程中不是所有的光子都能被原子吸收，只有当光子的能量正好等于原子的能级间隔E 1-E 2时才能被吸收。
激发态寿命很短，在不受外界影响时，它们会自发地返回到基态，并放出光子。
自发辐射过程与外界作用无关，由于各个原子的辐射都是自发的、独立进行的，因而不同原子发出来的光子的发射方向和初相位是不相同的。
处于激发态的原子，在外的光子的影响下，会从高能态向低能态跃迁，并两个状态间的能量差以辐射光子的形式发射出去。
只有外来光子的能量正好为激发态与基态的能级差时，才能引起受激辐射，且受激辐射发出的光子与外来光子的频率、发射方向、偏振态和相位完全相同。
激光的产生主要依赖受激辐射过程。
激光器主要有：工作物质、谐振腔、泵浦源组成。
工作物质主要提供粒子数反转。
hv 21 2 E 1(a) E 2E 1(b)hv 21 hv 21图2、光与物质作用的受激辐射过程泵浦过程使粒子从基态E 1抽运到激发态E 3，E 3上的粒子通过无辐射跃迁（该过程粒子从高能级跃迁到低能级时能量转变为热能或晶格振动能，但不辐射光子），迅速转移到亚稳态E 2。
E 2是一个寿命较长的能级，这样处于E 2上的粒子不断积累，E 1上的粒子 又由于抽运过程而减少，从而实现E 2与E 1能级间的粒子数反转。
激光产生必须有能提供光学正反馈的谐振腔。
处于激发态的粒子由于不稳定性而自发辐射到基态，自发辐射产生的光子各个方向都有，偏离轴向的光子很快逸出腔外，只有沿轴向的光子，部分通过输出镜输出，部分被反射回工作物质，在两个反射镜间往返多次被放大，形成受激辐射的光放大即产生激光。
高功率固体激光器晶体断裂的故障分析及防护
多， 早期激光器输出功率大多在 １０ 以内， ０Ｗ 这种故 上。伴随着激光器使用功率 的升高， 激光器 Ｙ Ｇ晶 障现象通 过规范 晶体 安装工 艺和使 用优质 的水压 保 Ａ 体断裂 的故 障也频繁发 生 ， 即固体激光 器 中的激光工 护 开关 可 以有效 防范 。 作物质 Ｙ Ｇ晶体在使用 过程 中 出现突然 断裂 现象 。 Ａ 但近几 年频 繁发 生 的高 功率 固体激光 器 晶体 断 Ｙ Ｇ晶体作 为 固体 激光 器 的 核 心器 件 ， Ａ 价格 昂 裂 的故障 和以前 有所 不 同 ， 障 发生 过 程 和激 光 器 故 贵， 晶体断裂故障频繁发生给激光器生产厂家和用 的工作 状态存 在 密切联 系 。 户 带来较 大 的经济 损 失 和心 理 影 响 ， 固体 激 光 器 给 （） １ 激光器工作频率越高 ， 输出功率越高 ， 障 故 的推广 和使用 带来很 大 的障碍 ， 通过对 引起 Ｙ Ｇ晶 Ａ 发生概率就越高。特别是在 ３０ 功率段使用的设 ０Ｗ 体断裂故障的几种原因进行分析 ， 提出了对应 的防 备故障比率几乎达到 ５ 而 １０ 小功率段使用的 ％， ０ Ｗ 护措施 ， 实践证 明这些 防护 措施对 Ｙ Ｇ晶体 断裂 故 Ａ 设 备几 乎没有 出现过这 种故 障 。 障有很好 的 防范效果 。 （） ２ 激光器高功率连续工作的时间越长 ， 障 故
升， 以达到热平衡 ， 可 冷却水有足够的冷却能力 。同 时， 用大流量 的水泵更换过几台故障设备的水泵 ， 水
流量可升高到 ４ Ｌ ｍｎ故障情况仍然不能好转 ， ５ ／ ｉ， 证 明故障现象和水流量关 系不大 。 只有从 注入功率上找原 因， 大功率 固体激光器
的相互干扰 ， 降低外界干扰源对激光电源的影响。 在激光器光路安装调试过程中， 特别是谐振腔 装调过程 中， 光路一定要严格准直 ， 激光输出不能偏 离光 轴 中心 ， 最好 使用 铸造 成型 的激光 器底 座 ， 采用 四维 膜 片调整 架使 膜 片 中心对准 光轴 中心 。
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静态激光的驰豫振荡现象
产生驰豫振荡的主要原因是：当激光器达到阈值时，产生 激光，使谐振腔内的光能密度增加。由于增益饱和效应， 光能密度的增加将导致粒子反转数降低，到低于阈值时， 激光发射就停止。此时，光泵抽运使粒子反转数又增加， 超过阈值时，产生第二个激光脉冲。如此不断重复，便形 成了一系列小的尖峰脉冲。。
横模的选择
腔内电磁场在垂直于其传播方向Z的横向X-Y面内存在的 稳定的场分布，称为横模。选取横模技术就是使激光器处 于单横模TEM00状态运转，抑制各高阶模振荡。
采用小孔光阑作为选模原件插入腔内是固体激光器中 常用的选模方法。由于高阶横模的光腰比基模的大，如果 光阑的孔径选择得适当，就可以将高阶横模的光束遮住一 部分，而基模则可顺利通过。 另外，由衍射理论可知，腔内插入小孔光阑相当于减 小腔镜的横截面积，即减小了腔的菲涅耳数，因而各阶模 的衍射损耗加大，但损耗程度不同，只要小孔光阑的孔径 选择适当，便可选出基模。
提供外界能量。
谐振腔：光放大作用
工作物质
本实验选用Nd3+:YAG激光棒。
Nd3+ :YAG晶体（即掺钕钇铝 石榴石）是以钇铝石榴石晶体为 基质掺杂适量的三价稀土元素钕 离子（Nd3+）构成的。其中是以 Nd3+置换YAG中的部分钇离子，晶体呈淡紫色。Nd3+ 是激活离子，从提高物质的增益来看，其浓度应越大越 好，但是由于 Nd 3+ 半径大于 Y 3+ 的半径，将 Nd 3+ 掺入 YAG中有结构上的困难，其浓度过大会造成质量上的缺 陷。一般Nd3+的含量为1%左右。
实验装置
输 出 镜 工作 物质
聚光腔
泵 浦 氙 灯
全 反 镜
小孔光阑
半导体激 光器—准 直
连续光电探头 脉冲光电探头 可存储示波器
能量计
实验内容与步骤
1.激光器的安装与调整
用酒精或乙醚棉球将氙灯和激光棒擦净后 ,分别安放在椭 圆柱面聚光腔的两条焦线位置上,即要固牢,又不宜过紧。 将全反射和部分反射腔镜分别装在两端调整架上。 调节导轨上的半导体激光器，使其小孔光束在通过导轨中心 线的垂面内且与导轨面平行。再在导轨的另一端放好接收屏， 使半导体激光器光束光斑落于接收屏上。（可在接收屏上放置 上转换片，方便激光输出时的观测） 调节两腔镜架和聚光腔架,使其小孔光束尽量通过两腔镜 和激光棒的中心，并使它们的反射光点均匀落回小孔。 接好电气系统，检查无误后使激光器运转。再微调腔镜，至 使输出光在感光相纸上打出圆整均匀的焦斑为止。
光学谐振腔
最常见的激光谐振腔是由相 对的两个球面镜或平面镜构成的 。典型的谐振腔结构有平平腔、 平凹腔、凹凸腔、共焦腔等。本 实验选用平凹腔，由一个平面镜 和一个凹面镜构成，凹面镜做全反镜，镀1064nm 全 反模，平面镜做输出镜，镀1064nm部分反射部分 透 射模。
泵浦系统
泵浦系统的作用是为工作物质达到粒子数反转分布提供 必要的能量，并控制激光器按使用要求正常运转。它主要 由泵浦光源，聚光腔和电气系统组成。常用的泵浦光源有 弧光放电灯，半导体激光器等。其中氙灯和氪灯不仅辐射 强度和辐射效率高，而且具有较宽的发射谱带，并与 Nd3+：YAG等的吸收谱有较好的匹配，所以被普遍使用。 通常脉冲激光器选用氙灯，连续激光器则选用氪灯。
2 in
5.峰值功率P=脉冲能量Eout／脉宽
Maiman
简 介
1961年8月，中国第一台激光器 --" 小球照明红宝石 " 激光器，在中 国科学院长春光学精密机械研究所 诞生了。它虽比国外同类型激光器 的问世迟了近一年的时间，但在许 多方面有自身的特色，特别是在激 发方式上，比国外激光器具有更好 的激发效率，这表明我国激光技术 当时已达到世界先进水平。
目 录
1. 简 介
2. 实验目的 3. 实验原理 4. 实验装置及仪器
5. 实验内容与步骤
6. 实验结果与讨论
Company name
简 介
激光的发展简史
1917年，爱 因斯坦提出了“受 激辐射”的概念， 奠定了激光的理论 基础。 1958年，贝尔实验室 的汤斯和肖洛发表了关于激 光器的经典论文，奠定了激 光发展的基础。
简 介
1960年，美国人梅曼(T. H. Maiman)发明了世界 上第一台红宝石激光器。 1961年，He－Ne气体激光器 在美国贝尔实验室研制成功。 这两次发明开创了传统的固体激 光器和气体激光器的时代，自此，激 光走上了高速发展的道路。此后，半 导体激光器、染料激光器、自由电子 激光器都在相应学科的支持下出现。 特别是八十年代，随着光电子学和半 导体技术的发展，光纤激光器和孤子 激光器相继出现，将激光引入以光电 子和微电子为主的信息时代。Company name
实验内容与步骤
2. 测激光阈值
3．激光脉冲波形的测量
1) 用连续光电探头和示波器测量脉冲氙灯的脉宽。观察 脉冲氙灯脉宽的量级。 2) 用脉冲光电探头和示波器测量静态激光的脉宽，观 察驰豫振荡现象。记录不同注入电压所对应的输出激 光的脉宽。要求在阈值电压以上开始测量，每隔30V 输入电压测一组数据，共测五组，每组5个对应的脉 宽值，计算其平均值及标准差，并列表或画图表示。
实验内容与步骤
4．测试输出能量、输入能量，建立曲线关系。
用热释电探头和示波器测量输出激光的能量。记录不同 注入电压下激光的输出电压值（测量要求同3），并将注入 CV 电压（ E 1 ，其中 C为泵灯电源的充电电容，一般取100μ F） 2 和平均输出电压换算成能量（按照能量计上的标注换算）， 绘制注入能量——输出能量关系曲线，计算转换效率。
实验目的
1、了解固体激光器的基本组成和原理； 2、学习固体激光器的装配和调试方法； 3、掌握固体激光器的主要性能及基本技术参
数的测试方法；
4、学会横模选择方法。
实验原理Laser源自Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 表示“受激辐射的光放大” 1964年10月，物理学家钱学森建议称之为-----激光 工作物质 ：提供反转粒子数 激励源：为实现粒子数反转