固体脉冲激光器输出特性的研究实验报告

班级：材物09-2学号：09132216 姓名：潘大伟

实验：33305

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，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

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。

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。

○

1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。 ○

2触发器接通，发出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，由于光泵系统的不断泵浦，泵浦到一定程度时，实现了粒子数的反转。

3、光学谐振腔

○

1谐振腔除了造成高的光子密度。○2选择作用，只有光在垂直腔镜的多次反射下才能输出激光，所以激光方向性好，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 见图6-1-3。

()222

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 。

激光器的输出能量出E 由能量计读出。

%

100⨯=入

出

E E η叫做激光器的绝对效率，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

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。 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， 【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。

【实验内容和计算】

1. 测量输入、输出能量

使充电电压从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。

表6-1-1 输入、输出能量测量 工作物质 Y AG ：Nd 3+

储能电容F C 610/- 200

充电电压V U /入 900 850 800 750 700 650 600 剩余电压V U /剩 80

70

70

80

70

65

65

输入能量J E /入 80.36

71.76

63.51

55.61

48.51

41.83

35.58

输出能量

E /mJ 出

1270 1130 982 856 727 580 433

绝对效率η

0.01580 0.01575 0.01546 0.01539 0.01499 0.01387 0.01217

斜效率斜η

0.01697

30

40

50

60

70

80

400

600

800

1000

1200

1400

E

/J

λ

E /m J

出###

E

B

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

0.0135

0.0140

0.0145

0.0150

0.0155

0.0160

0.0165

0.0170

η

斜

η

E

λ

###

Y A x i s T i t l e

B

2. 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。

表6-1-2 发散角的测量

透镜焦距f/mm

156

光斑直径D/mm

纵

横

纵

横

纵

横

平均

2.811 1.50 2.828 1.50 2.876 1.55 2.178

发散角rad /θ

0.013962

【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！