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1、、实验目的1. 了解并掌握激光形成机理2. 了解激光阈值的概念，学会测量阈值3. 测量输入输出曲线及其斜效率的计算二、实验原理1. 普通光源的发光受激吸收和自发辐射普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级（E）的电子寿命很短（一般为10-8109秒），在没有外界作用下2会自发地向低能级（E）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量1为hv = E E21这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各
2、发 光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的 射向四面八方，另外末位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度， 所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。在通常热平衡条件下，处于高 能级 E 上的原子数密度 N ，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能22级E的原子数密度N的大小时随能级E的增加而指数减小，即N*exp（-E/kT）,这是著名的波耳兹曼分布规律。于是在上、下两个能级上的原子数密度比为N /N x exp（E E ）/kT2 1 2 1式中k为波耳兹曼常量，T为绝对温度。因为EE，所以NN。例如，已2 1 2 1知氢原子基态能量为E =
3、 13.6eV，第一激发态能量为E=-3.4eV,在20C时，12kT0.025eV,则N / N x exp（400）021可见，在20C时，全部氢原子几乎都处于基态，要使原子发光，必须外界 提供能量使原子到达激发态，所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射 两个过程。一般说来，这种光源所辐射光的能量是不强的，加上向四面八方发射， 更使能量分散了。2. 受激辐射和光的放大由量子理论知识知道，一个能级对应电子的一个能量状态。电子能量由主量 子数n （n=l,2,）决定。但是实际描写原子中电子运动状态，除能量外，还有轨 道角动量L和自旋角动量s,它们都是量子化的，由相应的量子数来描述。对轨
4、道角动量，波尔曾给出了量子化公式Ln = nh，但这不严格，因这个式子还是在 把电子运动看作轨道运动基础上得到的。严格的能量量子化以及角动量量子化都 应该有量子力学理论来推导。量子理论告诉我们，电子从高能态向低能态跃迁时只能发生在l （角动量量 子数）量子数相差1 的两个状态之间，这就是一种选择规则。如果选择规则不 满足，则跃迁的几率很小，甚至接近零。在原子中可能存在这样一些能级，一旦 电子被激发到这种能级上时，由于不满足跃迁的选择规则，可使它在这种能级上 的寿命很长，不易发生自发跃迁到低能级上。这种能级称为亚稳态能级。但是， 在外加光的诱发和刺激下可以使其迅速跃迁到低能级，并放出光子。这种过
5、程是 被“激”出来的，故称受激辐射。受激辐射的概念是爱因斯坦于1917年在推导 普朗克的黑体辐射公式时，第一个提出来的。他从理论上预言了原子发生受激辐 射的可能性，这是激光的基础。受激辐射的过程大致如下：原子开始处于高能级E，当一个外来光子所带的2能量h u正好为某一对能级之差E -E ,则这原子可以在此外来光子的诱发下从高21能级E向低能级E跃迁。这种受激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出 21与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及 光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子，就会出射两个完全相同的光子。 这意味着原来光信号被放大，这种在受激过程中产生并被放
6、大的光，就是激光。高能态原子丿低能态原子图1-1双能级原子中的三种跃迁3. 粒子数反转一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当 处在高能级地原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸 收，而占优势。由此可见，为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键是发光 原子处在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称为粒子数反转。但在热平 衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实现粒子数 反转则是产生激光的必要条件。4. 激光产生的条件激光器由泵浦源、激光增益介质、腔镜组成。泵浦源提供能量给增益介质， 介质中的激活离子吸收能量后跃迁到高能级，进而
7、在激光上能级和下能级之间形 成粒子数反转，并产生受激发射。但是由于激光谐振腔存在着各种各样的损耗， 比如谐振腔镜的不平行导致光逸出，散射，及透射（这对于输出镜来说是尤其明 显的），还有由于腔镜的有限尺寸导致的衍损耗，激光晶体的吸收损耗等，产生 受激发射需要一个门槛，用g表示激光的增益系数，表示激光谐振腔的损耗系 数，只有当激光谐振腔产生的增益大于损耗时即g6时，才能形成激光。这 个门槛所对应的泵浦能量值或功率值叫做激光的阈值。当形成激光后，在一定范 围内，输出激光能量正比于注入能量（可以用激光电源的能量、工作电压、闪光 等的功率等来表示）。通过测量不同注入能量下的激光输出能量，可以得到一条 能
8、量输入-输出曲线。该曲线的斜率称为激光的斜效率。、实验装置我们的实验装置是闪光灯泵浦的Nd3+:YAG激光器，图1-2为典型的Nd3+:YAG 激光器结构示意图。图 1-2 Nd3+:YAG 激光器结构示意图通常Nd3+： YAG晶体被加工成直径为4-8mm、长60-100mm的棒状（根据实际 需要而定），两端磨成光学平面，平面的法线与棒轴有一个小夹角，光学表面镀 有增透膜，棒的侧面加工为毛面，以防止寄生振荡。激发（泵浦）用的氙灯（连续 激光常用氪灯）做成和YAG棒长度相近的直管形状，以便与YAG棒达到最佳的配 合。为了有效地利用灯的光能，把棒和灯放在一个内壁镀金或其它高反膜的空心 椭圆柱面反
9、光镜中，它们各占据椭圆的一根焦线。附图 1-3 表示了这一结构的横 截面。不难想象，闪光灯发出的光通过椭圆柱面镜的反射，原则上百分之百地到 达 YAG 棒上。其它仪器：能量计。图1.3聚光腔横截面示意图四、实验内容与步骤1、打开激光器，此时保证激光电源的工作电压为0V附近，并将能量计的探 头置于激光的输出位置，打开能量计。2、慢慢增大电压，同时密切检测能量计的读数。3、当能量计的读数大于0时（注意排除噪声的影响），表明有激光输出，此1时对应的电压即为阈值电压，可以计算出相应的阈值能量（-CV2）, C为2充电电容，本激光器为100uF。V为工作电压4、继续提高电压，每隔50V测量一个能量值。5、画出输入-输出曲线，计算斜效率。6、做拟合直线的反向延长线，与 X 轴的交点的横坐标即位阈值电压。五、实验报告要求列出每项实验测量到的原始数据，并做图。
