实验四 连续半导体泵浦固体激光器静态输出特性和声光调q实验

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1、实验四连续半导体泵浦固体激光器静态输出特性和声光调Q实验Ø实验目的1.了解固体激光器的输出特性和阈值特性，掌握激光器输出特性斜率效率的计算；2.掌握激光器设计中最佳透过率的概念，巩固最佳透过率选取原则；3.掌握声光调Q的基本原理和布拉格衍射的特征及布拉格衍射角的概念，了解激光器在连续和调Q脉冲工作状态下的激光功率输出特性，4.了解不同调Q频率下，激光功率变化的原因，巩固最佳调Q频率选取的原则。Ø实验原理1.固体Nd:YAG激光器工作原理固体激光器通常由三个基本部分组成，即固体激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔。激光工作物质是激光器的心脏，产生激光的是激活离子，激光器的输出

2、特性在很大程度上由激活离子的能级结构决定。目前，常用的固体激光工作物质有红宝石晶体、钕玻璃和掺钕钇铝石榴石（即Nd3+:YAG）晶体。由于Nd3+:YAG晶体具有荧光谱线窄、量子效率高等特点，它的增益高、阈值低、激光输出效率高，故在中小功率的脉冲器件中，以及在高重复率的脉冲激光器中得到广泛应用。本实验中即采用Nd3+:YAG作为激光工作物质，该工作物质的激活离子为Nd3+，属四能级系统，发射激光波长为1.06μm，工作于连续方式。Nd3+:YAG产生受激辐射的能级如图4-1所示。激活粒子（Nd3+:离子）在这些能级之间的跃迁特性为：在光泵浦作用下，处于基态能级E1上的粒

3、子被激发到高能级E4上，由于E4能级寿命很短，处在该能级上的粒子很快以无辐射跃迁方式迅速转移到较低的激发态能级E3上，E3为亚稳态，在E3能级上的粒子有较长的寿命（10-3~10-4s），因而易于实现粒子数积累。当粒子数由E3向E2跃迁时，产生激光辐射，粒子到达能级E2后，再以无辐射跃迁迅速地返回到基态E1。基于这种状态以及由于热平衡情况，使得粒子不易在E2能级上积聚，因此，在外界激励下，E3和E2之间较易形成粒子数反转，从而实现受激辐射。图4-1四能级系统结构示意图在集居数反转状态的物质称为激活介质。当光通过此介质时，得到放大。这种放大作用的大小通常用增益系数G来描述

4、，它表示光通过单位长度激活介质后光强增长的百分数。G是光强的函数，同时也是反转集居数Δn的函数。当光在激活介质中传播时，随着光强增强，单位体积内的反转集居数Δn减少，G也随之减小，这称为增益饱和效应，当光强很小时，增益系数用G0来表示，称为小信号增益系数，它与光强无关。激光器能够产生自激振荡的条件可由下式表达：≥0也即G0≥α（4.1）式中Im为腔内光强，仅与放大器本身参数有关：Is为饱和光强（为描述增益饱和效应引入的参量）；α为包括激光介质损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数。这里激光介质的损耗有吸收、散射损耗；谐振腔的损耗有反射镜的透射、吸收、衍射损耗及谐振腔失调引起

5、的偏折损耗等。当光腔内折射率均一时，（4.1）还可表示为：≥αL式中为工作物质长度，L为谐振腔长度，若光泵激励足够强，使得=αL时，激光器开始振荡，为此时应的输入光泵的能量称为激光器的阈值输入能量Et，相应反转集居数为阈值反转集居数Δnt。当>αL，腔内光强增加，且正比于(≥αL)，此时激光输出能量将随之增加，由此可见，激光器的增益特性和损耗特性将直接影响该系统的输入输出特性。对一台激光器系统，存在一个最佳透过率Tm，当T=Tm时，对于相同的输入能量输出能量最大。通常的激光器谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵浦使反转粒子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级

6、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，这是普通激光器峰值功率不能提高的原因。2.声光调Q的原理既然激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，那么，要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变激光器的阈值来实现，具体的说，就是当激光器开始泵浦初期，设法将激光器的振荡阈值调得很高，激光器谐振腔的损耗大于增益，Q值很低，抑制激光振荡的产生，这样激光上能级的反转粒子数便可积累得很多。当反转粒子数积累到最大时，再突然把阈值调到很低，Q值很高，此时，积累在上能级的大量粒子便雪崩式的跃迁到低能级，于是在极短的时间内将能量释放出来，

7、就获得峰值功率极高的巨脉冲激光输出。调Q技术正是利用了上述原理，通过某种方式使激光谐振腔的Q值产生突变，使受激辐射在很短的时间建立并达到最大值，获得峰值功率高于兆瓦，脉宽为几十纳秒的激光巨脉冲。常用调Q方法有转镜调Q、电光调Q、声光调Q和被动调Q。对于连续泵浦的固体激光器通常采用声光调Q的形式。声光调Q激光器是利用声光相互作用原理，采用声光调制器件进行调Q的激光器。声波是一种弹性波（纵向应力波），当它在介质中传播时，使介质产生相应的弹性形变，引起介质的密度成疏密相间的交替变化，因此介质的折射率也随着发生周期性的变化，等于在介质中形成一个光