激光原理实验介绍.doc

实验一 Nd3+:YAG激光器的安装与调试实验二 Nd3+:YAG激光器参数测量实验三 高斯光束远场发散角测量实验一 Nd3+:YAG激光器的安装与调试一、实验目的1、 通过对Nd3+:YAG激光器的安装与调试熟悉固体激光器的结构和工作原理。2、 学会调整光学谐振腔的基本方法。3、 要求将激光器调整到有最佳输出状态。二、仪器设备YAG棒 脉冲氙灯 半反镜透过率 激光电源水冷设备 光学平台及支架 黑相纸 红光LED指示光源光源 小孔光阑三、实验原理1、 固体激光器基本结构固体激光器主要由工作物质，激励源和光学谐振腔三部分组成。本实验用激光器，泵灯为脉冲氙灯，聚光腔采用镀银金属腔。聚光腔的作用是使光泵发出的光更有效地集中照射到工作物质上，从而提高激光器的总体效率。储能电容c=100mF。谐振腔为平行平面腔，一块全反镜，一块输出镜，反射率R=20%。激光器工作时两镜面要严格平行，且与工作介质轴线严格垂直。激光器分单脉冲和重复脉冲两种输出方式，重复频率1次/秒10次/秒可调。2、 工作物质 E20.75mm0.81mmE1E3E4图2、Nd3+离子能级图Nd3+:YAG激光器的工作物质是一种人工晶体。它的基质是钇铝石榴石，其分子式为：Y3Al5O12，Nd3+是掺杂离子，起激光作用的正是Nd3+离子，是四能级结构，在光泵作用下，处于基态E1的大量粒子被抽运到E4能级。由于E4能级寿命很短，约10-8s，因而很快弛豫到E3能级。E3能级是个亚稳态，寿命在10-310-4s，因而可大量积累粒子，结果在E3与E2之间形成了粒子数反转分布，构成了产生光放大的必要条件。E3粒子向E2跃迁，辐射n32=（E3-E2）/h频率的光子。经谐振腔反射镜反射，沿轴向的光子返回工作介质中，由于粒子数反转的形成，这些光子与E3能级粒子作用，将产生受激辐射，受激辐射的光子与入射光子频率相同，方向相同，偏振态相同，因而使腔内同频同方向光辐射增强，最终形成激光输出。3、 光泵光泵是固体激光器的重要组成部分。本实验为脉冲激光器，因而采用脉冲氙灯作为光泵。脉冲氙灯是在石英管内充有一定压力的氙气，工作于弧光放电状态的一种光源。工作时，与电极两端连接的储能电容上充有直流高压，当一上万伏的高压脉冲触发时，可使灯管内的气体击穿电离，形成放电通道，电容中的能量开始向通道内释放，形成弧光放电。随着放电过程的进行，电容中储存的能量越来越小，经过一段时间后，当电容中的能量不足以维持弧光放电时，放电逐渐熄灭。脉冲氙灯放电的伏安特性表明它是一种非线性过程。氙灯闪光时间与时间常数T=(LC)1/2有关，L、C分别为回路的电感量与电容量。电感的加入限制了放电电流的上升率，并使放电电流的峰值下降，因此对氙灯有保护作用。但电感量过大，放电前沿过于缓慢，会影响工作物质上能级粒子数的积累过程，因而也就影响激光器的输出能量和功率，严重时会导致没有激光输出。-图3、脉冲氙灯电源电路原理图电源通过限流电阻R向储能电容充电。若储能电容器的容量为C0，充电电压为V，则电容器所储存的能量为： E=(1/2)C0V2 （1） 由于C0上的充电电压低于氙灯的自闪电压，氙灯不会自行闪光，需要外触发来加以引导（外触法电压一般都在万伏以上）。4、 自由振荡固体激光器的输出特性自由振荡固体激光器输出激光脉冲的特点是具有尖峰结构，它由一连串不规则振荡尖脉冲组成。泵浦功率越高，窄脉冲之间的时间间隔越小，脉冲个数越多。这种现象被称为弛豫振荡效应。四、实验内容1、 熟悉Nd3+:YAG激光器的结构，仔细观察激光器主要部件的结构。2、 安装好反射镜与LED指示光源。3、 调节LED指示光源，使其与介质棒轴线重合。4、 分别调节两块反射镜支架上的螺钉，使镜面反射光点从小孔返回。5、 打开电源锁，这时水冷开始工作。按下予燃按钮，灯亮；再按下工作电压按钮，灯亮；调电压至900V左右（不能超过1000V），这时应该有激光输出，但很弱。6、 将重复频率调至1次/秒，分别仔细调整两块反射镜调节螺钉，使输出脉冲达最强。实验二 Nd3+:YAG激光器参数测量一、实验目的通过对阈值和转换效率的测量，学会能量计的使用，进一步理解激光器能量转换的环节，输入对输出的影响，以及谐振腔对激光输出的控制作用。二、实验仪器设备YAG多功能激光实验系统 LE-1B型能量计 三、实验原理1、阈值当激光工作物质中大量Nd3+吸收氙灯光能跃迁到E3能级而形成E3与E2间粒子数反转分布状态时，就为产生激光创造了必要条件，但这还不一定能真正出激光，只有当光在谐振腔中来回反射，受激辐射使光在谐振腔中的增益大于损耗时，光在腔内才能形成激光振荡。所谓“阈值”就是在已确定的实验条件下，使激光器刚好能出激光，这时电源所提供给氙灯的最小能量值。在实际应用中，总希望激光器的能量阈值低一些为好。为达此目的，就要选择量子效率高的激光工作物质；选择电光转换效率高的激励光源，设计聚光效率高的聚光腔，以及对光路进行仔细的调整以减小衍射、反射等损耗。2、转换效率激光器从电能输入到激光输出，这中间经过了许多转换过程。总的转换效率是电光转换效率，聚光效率、光谱匹配效率、输出耦合等效率的连乘积。因此，总效率是很低的。当氙灯输入能量超过阈值时，激光器输出的激光能量随输入能量的增加而增加。激光器的能量转换效率，常采用以下两种表示方法;1)、绝对效率（以h绝表示）： h绝= E出/E入 （1）式中E出是激光器输出能量，实验中用激光能量计测出，E入是电源中储能电容器释放的能量。其计算公式为实验一（1）式。C0是储能电容器的电容量。V是储能电容器两端的充电电压（单位为“伏特”）。实验中在C0一定的条件下，改变储能电容器的充电电压（比如从600V到900V，每50V为一间隔），则可测得一组E入和 E出，因而能求得每一对应点的h绝；并可画出一条如图1所示的效率曲线。从图1可看出效率曲线并不通过坐标原点，且不是一条直线，这就是说，各点的效率是随输入能量变化而变化的。2）、斜率效率 h斜 = （E出）A-（E出）B / （E入）A-（E入）B （2）上式也是反映输出能量值随输入能量增长的速率，通常是在输出特性曲线的直线段部分取斜率效率。E出（j）E入3 4 5 6 7 8 102 ( j )2.01.51.00.5AB图1、能量转换效率曲线四、实验内容1、阈值测定1）、按实验一所提供的调试方法和步骤调整好激光器。2）、将能量计探头对准光源。3）、打开能量计，档位先调到2J。若最大输出小于2J，将档位换到200mJ。4）、将电压逐步调小，700V以下将调整间隔缩小，阈值附近要反复测量多次，取其平均值作为该激光器的阈值。2、转换效率的测量从阈值电压开始，每隔50V测量一次输入和输出能量值，直到输入电压增加到900V为止（电压不能超过1000V）。尔后将所测数据列成一表，并用小方格纸绘制能量转换效率曲线图，从曲线的直线段部分求出h斜。实验三 发散角测量一、实验目的掌握测量激光光束发散角的基本方法。二、实验仪器 He-He激光器 透镜 LEP-1A型激光功率能量计：小孔光阑 带刻度光学导轨三、实验原理zfzf 2 w0 202 w F 2w F 图1、高斯光束经透镜的变换高斯光束经透镜变换，出射光束束腰半径： （1）该式可写为： （2）其中，wF是入射在透镜前焦面上的光斑半径（见图1），（3） （6）根据光路可逆原理，入射光腰腰斑半径与透镜后焦面光斑半径的关系： （4） 因而，若测出后焦面光斑半径wF，由式可算出入射光束束腰半径w0，进而得到高斯光束的远场发散角： （5）下面介绍wF的测量。在透镜后焦面上高斯光束光强分布为： （6）后焦面处放一圆孔光阑，让光束通过光阑，光阑半径为a，则通过圆孔光阑的光功率与