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11221 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：()dzz 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()2221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BA BA 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！2、激光器工作时，切不可将眼睛对着输出镜，否则会严重烧伤眼睛，造成不可挽救的后果。

3、He 一Ne 激光器完成辅助调节任务后，即应关闭，然后再试固体激光器的激光输出。

【数据记录及处理】 1. 测量输入、输出能量在激光器处于工作状态后，充电电压从870V 开始，逐次下降，每隔50V 测一个点，记录充电电压、剩余电压、输出能量。

见表1 。

表1.输出、输入能量测量由公式()222剩充入U U C E -=E 入 =（6-1020021⨯⨯8702 -70 2）=75.2J绝对效率η=%60.1%1002.75J1200%100E =⨯=⨯Jm E 入出 同理得到不同充电电压的E 入 、η、。

见表2 输入输、出能量如图1。

E 出/m J图1.输出特性曲线由公式BA BA E E E E 入入出出斜--=η，η斜为图1中曲线的斜率，将图1中进行线性拟合得到η斜见表2中，从图中可知，在一定范围内，激光器的斜效率呈线性关系，随着输入能量的增加，绝对效率呈线性增加。

即充电电压增加时，输入、输出能量呈线性关系.。

通过输入能量的调节可以调节输出能量，并且输入能量有一个最小值，小于这个最小值将没有激光的输出。

η斜 /%E 入 /J图2.斜η一入E 曲线η/%E 出 /mJ图3.η一出E 曲线从图2 、图3知，绝对效率总小于斜效率，并且逐渐接近，斜效率在一定区间内是不变的，而绝对效率开始逐渐增大，在最后减小。

这是因为开始时，输入能量低，有很多原子没有激发，随着能量输入的增加，原子激发的个数也增加，因此绝对效率会增加，但随着能量输入的增加原子激发增加会减少，因此绝对效率会降低。

2. 测量发散角在调节好位置后，打出三个聚焦烧蚀斑点，用读数显微镜测出斑点直径得到数据如表3.表3.发三角的测量如表3，由公式rad 01295.0mm 156mm 0202.2f D =='='θ ， θrad 006475.021='=θ=6.475×10-3rad 。

结果如表3所示。

从结果可以看出，激光器输出的激光方向性很好，发散立体角在“毫弧度”数量级，通过一个透镜使输出能量集中在一个很小的范围内，产生局部高温。

能将底片烧蚀。

激光的方向性与谐振腔的好坏、工作物质、反射镜、输出镜有关，主要是谐振腔。

因此，要得到方向性好的激光，就必须要好的谐振腔，以获得更好的激光。

【思考与讨论】1. 怎样调整YAG 激光器的谐振腔？ 答：（1）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。

(2) 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。

(3) 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。

2．斜效率的物理意义是什么？答：斜效率是输出能量与输入能量的变化比例，反应输入、输出能量的关系。

即输出能量与输入能量成正比,且是线性关系。

斜效率是衡量激光器好坏的一个重要标准，斜效率越高，绝对效率就越高，激光器就越节能，输出功率就越大。

本实验的激光器的斜效率很小，因此，提高些效率很有必要。

【实验总结】本实验仪器复杂，但操作简单，实验内容也不多。

实验仪器很自动化，输入输出能量自动显示，但是读数要迅速，因为示数是不断在减小，读慢了误差很大。

激光器的输出能量很高，发射方向不能对着人，以免发生事故。

实验的误差较大，主要是读数误差，测量斑点直径的误差。

读数误差是由于示数在不断变化，误差只能减小；激光打的斑点一般不是标准的圆，而实验是测量两个直径取平均值得到的近似值。

因此，本实验不能精确测量实验结果。