固体激光器装调.ppt

1、固体激光器的装调及选模,Company name,目 录,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,1. 简 介,激光的发展简史,简 介,Company name,Maiman,简 介,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。,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；

2、 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,Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 表示“受激辐射的光放大”,Laser,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

3、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Nd3+半径大于Y3+的半径，将Nd3+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。,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

4、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。,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。,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

5、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。,横模的选择,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。,实验装置,半导体激光器准直,小孔光阑,全反镜,泵浦氙灯,工作物质,聚光腔,输出镜,可存储示波器,能量计,脉冲光电探头,连续光电探头,实验内容与步骤,用酒精或乙醚

6、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。,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。,1.激光器的安装与调整,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）,将全反射和部分反射腔镜分别装在两端调整架上。,实验内容与步骤,2. 测激光阈值,3激光脉冲波

7、形的测量,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。 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。,6.加小孔光阑进行选模，测试加小孔光阑之后的输出能量。,5.峰值功率P=脉冲能量Eout脉宽,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），并将注入电压（ ，其中C为泵灯电源的充电电容，一般取100F）和平均输出电压换算成能量（按照能量计上的标

8、注换算），绘制注入能量输出能量关系曲线，计算转换效率。,4测试输出能量、输入能量，建立曲线关系。,根据公式：峰值功率=输出能量/脉宽，计算不同注入电压下的输出激光的峰值功率。列表表示注入电压、注入能量、输出电压、输出能量、脉宽、峰值功率。,实验内容与步骤,实验结果,表1 注入电压与脉宽关系,图1 注入电压与静态脉宽的曲线图,表2 注入能量与输出能量关系,激光阈值：500V 探头参数：8.4mV/mJ,图2 注入能量与输出能量关系曲线,激光阈值：500V 探头参数：8.4mV/mJ,实验结果,表3 实验结果汇总,思考问题,把小孔、半导体激光光束调整到包括导轨中心线 的垂面内且与导轨面平行有什么好

9、处？你是如何 调整的？不这样调整是否可以？为什么？,简要叙述脉冲固体激光器输出的静态激光的输出 特性。（输出能量、脉宽、峰值功率等）,在激光器的实际应用中，基横模的选取有什么具 体意义和应用？,脉冲Nd:YAG激光器辐射的激光功率非常高，使用过程中稍有不慎，激光束就会损 伤身体或物品，轻则烧坏衣物，烧伤皮肤，重则造成眼睛永久性失明；如果照射到某些 危险物上甚至会引起火灾和爆炸。激光器泵浦闪光灯电源、触发电源和调Q电源都使用高 压电，意外触及可造成人身伤害。因此，在实验中应注意以下安全事项：,1、仪器启动后，不准向激光腔内窥视。,2、绝对禁止直接或反射的激光射入眼内，有关人员应配戴激光防护镜。,3、严禁学生实验时打开电源箱外壳，以防剩余电压伤人或损伤仪器。,