6-1 固体激光器特性

实验6-1 脉冲固体激光器输出特性研究固体激光器是指以某些晶体或特种玻璃为工作物质的激光器。

目前，世界上找到的能产生激光的固体物质有几十种，但应用比较成熟的只有钇铝石榴石（YAG：Nd3+）红宝石、钕玻璃等。

固体激光器有连续和脉冲两种工作方式。

连续激光器能长时间持续输出稳定的激光，功率从几毫瓦到几百瓦，脉冲激光器又可分为单脉冲激光器及重复频率激光器。

前者几秒钟发射一个脉冲，后者一秒钟发射几个到几十个脉冲，激光持续时间为毫秒级，功率为千瓦级。

在脉冲激光器上加一个调Q装置就成为巨脉冲激光器，它可以使激光脉冲缩短到纳秒（10-9s）数量级，从而大大提高了脉冲功率（兆瓦数量级）。

近年来出现的锁模技术的激光器——锁模激光器，其激光脉冲为皮秒（10-12s），甚至达到飞秒（10-15s）数量级，脉冲功率有很大增加。

固体激光器能输出连续激光或功率高的激光脉冲，从而产生用通常方法难以达到的局部超高温、超高压，因而应用越来越广泛。

在工业上用来打钟表钻石和喷丝头上的微孔，切割和焊接难熔金属。

在医疗上常用固体激光消除肿瘤以及作手术激光刀等。

以固体激光器为核心的激光测距仪和激光雷达广泛用于测量和国防上。

科学研究上常用固体激光器作为强光源实现动态全息摄影。

大能量的激光器还可以用来引发核聚变、探索受控热核反应等，前景十分广阔。

激光技术的飞速发展和广泛应用使得激光已成为高校中越来越多的学科、专业学习和研究的重要课题。

激光器的结构、工作原理，激光的形成条件及其性能和基本参数的检验与测定是非常必要的。

【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，其英文为Laser，全名为Light amplification by stimulated emission of radiation，全名译为辐射的受激发光放大。

这很好地概括了激光产生的机制。

激光器就是根据激光产生的机制而设计的。

它由工作物质，泵浦系统和光学谐振腔等部分组成。

实验所用Y AG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（Y AG ：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、泵浦系统本实验中所用YAG 激光器的光泵系统由聚光腔、脉冲氙灯和它的供电系统以及触发器组成。

直流电源给储能电容充电到数百伏，并加到氙灯的两极，这时氙灯不发光。

触发器接通后，立即发出一个一万多伏的电脉冲使氙灯导通，这时储能电容通过氙灯放电，氙灯发出强烈的闪光。

此光激活工作物质，处于基态的粒子向高能级跃迁，比如跃迁到234F 能级上。

在此能级上的粒子寿命较长，故称为亚稳态。

由于光泵系统的不断泵浦，泵浦到一定程度时，激发到高能级上的粒子数比在它下面的能级上的粒子数还多了，实现了粒子数的反转。

当粒子跳回低能级上时发光。

比如在实现29344I F →、2112344I F →、213344I F →的能级间的跃迁时，产生中心波长约为m μ914.0、m μ06.1和m μ35.1的荧光谱线。

在通常的条件下，以m μ06.1的荧光谱线为主。

为了提高氙灯光能的利用率，要把氙灯和工作物质一起装在聚光腔内。

聚光腔一般做成椭圆或圆柱形，也有双椭圆或球形的，内表面镀银或镀金，并精密抛光。

为了利于散热和减少有害的紫外线辐射，灯和工作物质棒通常装在玻璃套管内，套管内充以0.3％的重铬酸钾水溶液。

3、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。

谐振腔除了造成高的光子密度，满足激光的阈值条件外，还起到了选择作用，即只有光在垂直腔镜的多次反射下才能输出激光，所以激光的方向性好，且腔越长，方向性越好。

（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 。

激光器的输出能量出E 由能量计读出。

由图6-1-3可知，对于每一台激光器，都存在着一个最小能量值min E ，当输入激光器的能量等于或小于min E 时，激光器停止振荡，min E 叫做激光器的光泵能量阈值，这是指已调好的激光器能够正常输出激光所需要的最小输入能量值。

对于输出特性曲线上的每一个点，都对应一个输出能量出E 与输入能量入E 的比值，用η来表示，叫做激光器的绝对效率，具体表示为%100⨯=入出E Eη（6-1-5）对于不同的点，η的值是不同的。

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。

测定一台激光器的min E 和对于了解该激光器的性能，掌握它的最佳工作参数，改进激光器的设计，都是有意义的。

2、发散角激光束虽有极好的方向性，但也不是绝对严格的平行，即使是理想的平行平面谐振腔，由于输出的是有限宽度的平面波，也因衍射效应而使光束具有一定的发散性。

因而在光束的传播过程中，光束的横截面将越来越大，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：f D ''=θ2 (6-1-7)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。

固体激光器的发散角为“毫弧度”数量级，而且固体激光器的能量较强，上述测发散角方法中的拍摄照片的底板可以改用黑色相纸。

即在激光器前面适当位置放一长焦距（>100mm ）透镜，而在它的焦平面上放置一张黑色相纸，发射一个激光脉冲，在相纸上就出现一个聚焦后的烧蚀斑点。

测出其直径D ，就可算出发射角。

测量发散角装置如图6-1-7所示。

【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。

数据记录表如下：表6-1-1 输入、输出能量测量工作物质 Y AG ：Nd 3+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。

数据表如下：表6-1-2 发散角的测量【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。