固体激光器综合实验

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1、.实验一固体激光器综合实验一.主要功能和特点此套系统适用于光信息科学与技术、电子科学与技术、应用物理等相关专业。可测量阈值、转换效率，倍频效率等参量，开设电光调Q，选模等实验。使学生全面了解激光原理和激光技术，掌握电光调Q系统的调试方法。电光调Q固体脉冲激光器外罩机壳，整体美观大方，并可保护内部装置。系统结构紧凑，采用内置三角导轨，具有良好的稳定性。所有器件均采用标准件，互换性强，并且都可以拆卸，便于学生动手装调。本装置的准直光源采用650nmLD代替传统的He-Ne激光器，具有体积小、使用安全、调节方便、光强可调等优点。本装置采用脉冲氙灯泵浦Nd3+:YA

2、G输出1064nm激光，经倍频后可以输出532nm激光。采用电光晶体进行电光调Q，可实现ns级脉宽激光的输出。二:实验原理（一）:激光原理简介1：激光原理（1）自发辐射根据已知的理论，原子只能存在分立的能态，处在不同能态的原子具有不同的能量。若原子处于内部能量最低的能量状态，称此原子处于基态，其它比基态能量高的状态，都叫做激发态。在热平衡时，材料中处于下能态的原子数远比上能态的多，电磁波与其发生作用，能使原子从低能级上升到高能级。这种原子在两个能级之间的变化叫做跃迁。可以说，处于基态的原子，从外界吸收能量以后，将跃迁到能量较高的激发态。在高能态上的原子是不稳

3、定的，它总是力图使自己处于最低的能量状态；即使在没有任何外界作用的情况下，它也有可能从高能态跃迁到低能态并把相应的能量释放出来。这种在没有外界作用的情况下，原子从高能态向低能态的跃迁方式有两种：一种是在跃迁过程中，释放的能量以热量的形式放出，这称为无...辐射跃迁；另一种跃迁过程中，释放出的能量是通过光辐射的形式放出，这称为自发辐射跃迁。辐射的光子能量满足波尔关系：1（1.1）图2.1自发辐射图2.2受激吸收图2.3受激辐射原子自发辐射的特点是原子的自发辐射几率A21只与原子本身性质有关，与外界辐射场无关。即原子自发辐射是完全随机的，各个原子在自发跃迁中彼此

4、无关，这样产生的自发辐射光在相位、偏振态以及传播方向上都是杂乱无章的，光能量分布在一个很宽的频率范围内。（2）受激吸收当原子系统受到外来的能量为hγ21的光子照射时，如果hγ21=E2-E1，则处于低能态E1上的原子受到激发，跃迁到高能态E2上去，同时吸收一个能量为hγ21的光子，这种过程称为光的受激吸收。原子的受激吸收几率与外来的光辐射能量密度ρ(ν)的数值大小有关，ρ(ν)越大，几率W12就越大。所以，与自发辐射几率不同，原子的受激吸收几率是随ρ(ν)而变化的。（3）受激辐射在光的受激吸收过程的同时，还有一个相反的过程，即当原子受到外来的能量为hγ21的

5、光子照射时，如果hγ21=E2-E1，则处在高能态E2上的原子也会受到外来的能量为hγ21的光子的诱发，而从高能态E2跃迁到低能态E1上去。这时原子将发射一个和外来光子能量相同的光子，这种过程叫做受激辐射。有这种辐射过程产生的光便是激光[7]。...在激光器中，外部泵浦源使激光材料中的粒子（原子）从低能态跃迁到高能态，即泵浦辐射导致“粒子数反转”。使频率适中的电磁波入射到该“反转”的激光材料上，入射光子将使高能级的原子降落回低能级而发射出附加的光子，形成光波放大。最终，能量从原子系统萃取出来，供给到辐射场。这一切都是以之前所述的原子系统受激吸收——受激辐射一

6、系列机制为根据的。简言之，当材料受到激励，使得它的原子（分子）在高能级的分布多于低能级时，该材料就能够以与能级差相应的频率使辐射放大，从而产生激光[7]。2:调Q技术原理1)调Q的意义普通脉冲固体激光器输出的脉冲，是由许多振幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成的，如图2.1。图2.1静态激光脉冲中的迟豫振荡每个尖峰的宽度约为0.1-1μs，间隔为微秒量级，脉冲序列的长度大致与闪光灯泵浦时间相等，这种现象称为激光器迟豫振荡。如此，激光器的能量分散在这样一串脉冲中，因而不可能有很高的峰值功率，这是因为通常的激光谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵浦使反转粒子数达到或

7、略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很大的反转粒子数，只能被限制在阈值反转数附近[7]。调Q能够抑制弛豫振荡，将输出激光的脉宽从微秒量级压缩到纳秒量级，从而大大提高峰值功率。2)调Q的原理...从激光产生的原理得知，激光器振荡的阈值条件可以表示为≥(2.1)而，所以≥(2.2)式中g是模式数目，是自发辐射几率，是光子在腔内的寿命。我们引入品质因数Q，将它定义为[8]式中，为激光的中心频率。用W表示腔内存图2.2Q开关激光脉冲建立过程储的能量,δ表示光在腔内传播单次能量的损耗率，那么光在一个单程中的能量损耗

8、为δW。设L为腔长，n为介质折射率，c为光速，则光在