脉冲固体激光器输出特性

中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩：

实验6-1 脉冲固体激光器输出特性研究

【实验目的】

1、了解脉冲固体激光器的基本结构和基本原理，并练习调整激光器谐振腔，使其输出激光。

2、测定脉冲激光器的输出特性曲线，找出光泵能量阈值，计算出激光器的绝对效率和斜效率。

3、测定激光器输出光束的发散角。 【实验原理】

（一）固体激光器的基本结构和工作原理 激光器由工作物质，泵浦系统和光学谐振腔等部分组成。实验所用YAG 激光器的结构如图6-1-1所示。

1.工作物质

要形成激光，首先必须利用激励源使工作物质激活，既使工作物质内部的电子在某些能级之间实现粒子数的反转分布。粒子数反转分布的条件是

11

22

1 N g N g (6-1-1) 式中1N 一下能级的粒子数密度；

2N 一上能级的粒子数密度；

21,g g 一下能级1E 和上能级2E 的统计权重。

YAG 脉冲固体激光器采用掺钕钇铝石榴石

（YAG ：Nd 3+

）作为工作物质，它具有四能级系统，其简化能级图如图6-1-2所示。

2.光学谐振腔

为了满足产生激光的阈值条件，即要使光在谐振腔中来回一次在激活介质中所获得的增益足以补充由各种因素所导致的光的损耗。在忽略介质内部

损耗的情况下，阈值条件为

1221≥l e r r G (6-1-2)

式中：21,r r 一谐振腔两端反射镜的反射率（包括反射镜的吸收，透射和衍射损失）；

l —激活介质的长度；

G —激活介质的增益系数，定义为：

()dz

z I z dI v G v v .)

()(=

(6-1-3)

即频率为ν的单色光在激活介质中传播单位距离所增加的光强的百分比。

（二）YAG 激光器输出特性 1.输出特性曲线

输出特性曲线是指激光器的输出能量与输入能量之间的关系曲线。见图6-1-3。

当改变激光电源中储能电容的充电电压或电容时，就得到了不同的输入能量，其大小由下式计算

()

2

22

1剩

充U U C E -=

λ （6-1-4） 式中C 为储能电容器的电容，单位为F ，充U 为充电电压，单位为V ，剩U 为电容器放电后的剩余电压值。输入能量入E 的单位是J 。

在输出特性曲线上，有一直线区间，它表示激光器在这一区间工作时，其输出能量与输入能量的变化成比例，通常引人斜效率斜η来描写这一特性。即

B

A B

A E E E E 入入出出斜--=

η （6-1-6）

A 、

B 为直线部分上的任意两点。

入斜—、E ηη曲线与输出特性曲线的对应关系如图6-1-4所示。

2、发散角

激光束虽有极好的方向性，但也有一定的发散性，其发散度可用图6-1-5所示的平面发散角θ'（或立体发散角Ω）描述。激光束发散角的大小是判断光束方向性优劣的一个重要参数。

按照几何光学原理，严格的平行光束在消像差透镜L 的像平面上将形成一无穷小的像点；然而

具有发散角θ'的光束在透镜像平面上则形成一圆形光斑，如图6-1-6所示，相应光斑的直径D由下式确定：

D''

=θ2 (6-1-7)

f

式中f'为透镜的焦距，显然，若将照相机物镜先调焦于无穷远，再对欲测定其发散角的激光束拍摄一照片，测出底片上摄得的激光圆斑的直径，即可由（6-1-7）式计算其发散角。

【实验仪器】

YAG固体激光器、能量计、He一Ne激光器，读数显微镜，直流电源等。

【实验内容】

1、调整激光器的谐振腔

要求全反镜，输出镜及工作物质棒的

两个端面（一共四个平面）严格保持平行，

从而使谐振腔有最佳的品质。激光器的输

出跟谐振腔凋整的精度有关，如调整不好，

输出显著减少、甚至不输出激光。因此，

这步工作必须仔细做好，才能输出好的激

光束。

本实验采用He—Ne激光器辅助调节法调整固体激光器。调节前，须将He—Ne激光管水平放置，并使其轴线与固体激光器谐振腔的光轴大体一致，两者距离约1.5m，在He-Ne管前放一白色小孔屏，让激光束通过小孔射出，作为基准光线。调整固体激光器的基座，使He-Ne激光能穿透两块镜片和工作物质棒，见图6-1-8。

第一步：将全反镜连同框架一起卸掉或使其明显偏离标准位置，并用纸挡住半反镜，调节基座，使棒的两个端面反射回来的光斑恰好进入白色小孔屏的小孔，这时棒的端面已经与激光垂直（因棒的两端面是平行的，所以通常只看到一个反射斑。

第二步：取掉挡住半反镜的纸片，调节半反镜框架上的螺丝，使它反射回来的光斑也进入小孔。 第三步：轻轻装上全反镜，用纸片挡住工作物质，再调节全反镜框架上的螺丝，使它反射回来的光也进入小孔。

这时，激光器已进入工作状态。将氙灯的电极与激光电源背后的输出接线往相连，并接通触发高压。在激光器的输出端放入一张黑色相纸，开启电源，按下“充电”按钮，选择适当的充电电压，然后按“触发”按钮，此时在黑色相纸上如能打出一个烧蚀斑，即表示已有激光输出，如打不出烧蚀斑，则可能是激光太弱，可适当加大输入能量（不能过高）再试，若仍打不出烧蚀斑，就需要重新检查激光器是否调好。如果调整比较好，应该打出与棒的直径相仿的均匀的烧蚀斑。当然，对烧蚀斑的分析是复杂的，它不仅取决于谐振腔调节的精度，还取决于工作物质的光学均匀性及发光离子的分布情况等。并不是所有激光器总能调成一个圆形的烧蚀斑，因此，在实验中，烧蚀斑只要近似圆形就算基本上可以工作了，而且，在打烧蚀斑过程中，也可以再微调输出镜，使其输出达到最大。

2．测量输入、输出能量 激光器处于工作状态后，就可以用能量计来测量输出激光能量了。充电电压可以从900V 或950V 开始，逐次下降，每隔50V 测一个点，分别计算输入能量入E 、输出能量出E ，以入E 为横坐标、出E 为纵坐标，画出出E 一入E 曲线，从而计算出绝对效率η和斜效率斜η，并画出η一出E 及斜η一入E 曲线。

3、测量发散角

输出激光经透镜聚焦，在透镜的焦平面上放置一屏，上面固定一张黑色相纸。在调节好位置后，打出三个聚焦烧蚀斑点，用读数显微镜测出斑点直径D ，用公式f D =θ算出发散角。 【注意事项】

1、电源工作时绝对不能用手触摸储能电容器或氙灯两极，关闭电源后，因电容器中尚有残余电压，手也不能触摸，以防触电！