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1、实验一 Nd3:YAG激光器的阈值与斜效率测量一、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（E2）的电子寿命很短（一般为108109秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量为这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射
2、过程完全是一种随机过程，各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E2上的原子数密度N2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级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Nexp(-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式中k为波耳兹曼常量，T为绝对温度。因为E2E1，所以N2d 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
3、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，可以得到一条能量输入-输出曲线。该曲线的斜率称为激光的斜效率。三、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Y
4、AG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，此时对应的电压即为阈值电压，可以计算出
5、相应的阈值能量（CV2），C为充电电容，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。 实验二 Nd3:YAG激光器的特性试验：电光调Q及倍频技术一、实验目的：1、掌握电光Q开关的原理及调试方法。2、学会电光Q开关装置的调试及主要参数的测试。3、掌握倍频的基本原理和调试技能。4、了解影响倍频效率的主要因素。二、实验原理1. 电光调Q 调Q技术的发展和应用，是激光发展史上的一个重要突破。一般的固体脉冲激光器输
6、出的光脉冲，其脉宽持续在几us甚至几ms,其峰值功率也只有kw级水平，因此，压缩脉宽，增大峰值功率一直是激光技术所需解决的重要课题。调Q技术就是为了适应这种要求而发展起来的。调Q基本概念 ：用品质因数Q值来衡量激光器光学谐振腔的质量优劣，是对腔内损耗的一个量度。调Q技术中，品质因数Q定义为腔内贮存的能量与每秒钟损耗的能量之比，可表达为：式中v0为激光的中心频率。如用E表示腔内贮存的激光能量，为光在腔内走一个单程能量的损耗率那么光在这一单程中对应的损耗能量为E。用L表示腔长；n为折射率；c为光速。则光在腔内走一个单程所用时间为nLc。由此，光在腔内每秒钟损耗的能量为Ec/nL.这样Q值可表示为
7、式中为真空中激光波长。可见Q值与损耗率总是成反比变化的，即损耗大Q值就低；损耗小Q值就高。固体激光器由于存在弛豫振荡现象，产生了功率在阈值附近起伏的尖蜂脉冲序列，从而阻碍了激光脉冲峰值功率的提高。如果我们设法在泵浦开始时使谐振腔内的损耗增大，即提高振荡阈值，振荡不能形成，使激光工作物质上能级的粒子数大量积累。当积累到最大值(饱和值时)，突然使腔内损耗变小，Q值突增。这时，腔内会像雪崩一样以飞快的速度建立起极强的振荡，在短时间内反转粒子数大量被消耗，转变为腔内的光能量，并在透反镜端面耦合输出一个极强的激光脉冲。通常把这种光脉冲称为巨脉冲。调节腔内的损耗实际上是调节Q值，调Q技术即由此而得名。也称
8、为Q突变技术或Q开关技术。用不同的方法去控制不同的损耗，就形成了不同的调Q技术。 有转镜调Q技术，电光调Q技术、可饱和染料调Q技术、声光调Q技术、透射式调Q技术。本实验以电光Q开关激光器的原理、调整、特性测试为主要内容。利用晶体的电光效应制成的Q开关，具有开关速度快；所获得激光脉冲峰值功率高，可达几Mw至Gw，脉冲宽度窄，一般可达ns至几十ns,器件的效率高，可达动态效率1，器件输出功率稳定性较好，产生激光时间控制程度度高，便于与其它仪器联动，器件可以在高重复频率下工作等优点所以这是一种已获广泛应用的Q开关。YAG棒在闪光灯的激励下产生无规则偏振光，通过偏振器后成为线偏振光，若起偏方向与KD*
9、P晶体的晶袖x(或y)方向一致，并在KD*P上施加一个V1/4的外加电场。由于电光效应产生的电感应主轴X和y与入射偏振光的偏振方向成450角，这时调制器起到了一个1/4波片的作用，显然，线偏振光通过晶体后产生了/2的位相差，可见往返一次产生的总相差为，线偏振光经这一次往返后偏振面旋转了90，不能通过偏振器。这样，在调制晶体上加有I/4波长电压的情况下，由介质偏振器和KD*P调制晶体组成的电光开关处于关闭状态，谐振腔的Q值很低，不能形成激光振荡。虽然这时整个器件处在低Q值状态，但由于闪光灯一直在对YAG棒进行抽运，工作物质中亚稳态粒子数便得到足够多的积累，当粒子反转数达到最大时，突然去掉调制品体
10、上的l4波长电压，即电光开关迅速被打开，沿谐振腔轴线方向传播的激光可自由通过调制晶体，而其偏振状态不发生任何变比，达时谐振腔处于高Q值状态，形成雪崩式激光发射。2.倍频技术 原子是由原子核和核外电子构成。当频率为w的光入射介质后，引起介质中原子的极化，即负电中心相对正电中心发生位移r形成电偶极矩mer ，其中e是负电中心的电量我们定义单位体积内原子偶极矩的总和为极化强度矢量PNm，N是单位体积内的原子数。极化强度矢量和入射场的关系式为其中分别称为线性极化率、二级非线性极化率、三级非线性极化率。并且在一般情况下,每增加一次极化,值减小七八个数量级。由于人射光是变化的，其振幅为，所以极化强度也是变
11、化的。根据电磁理论，变化的极化场可作为辐射源产生电磁波新的光波在入射光的电场比较小时(比原于内的场强还小)，等极小，P与E成线性关系为， 新的光波与入射光具有相同的频率，这就是通常的线性光学现象。但当入射光的电场较强时，不仅有线性现象，而且非线性现象也不同程度地表现出来。新的光波中不仅含有入射的基波频率，还有二次谐波、三次谐波等频率产生，形成能量转移，频率变换。这就是只有在高强度的激光出现以后，非线性光学才得到迅速发展的原因。设有下列两波同时作用于介质：介质产生的极化强度应为二列光波的叠加。有经推导得出，二级非线性极化波应包含下面几种不同频率成分：从以上看出，二级效应中含有基频波的倍频分量(21)(22)、和频分量(1十2)、差频分量(12)和直
