光电子技术实验报告

《光电子技术实验》实验报告

固体激光器的静态特性及调Q技术王浩然无112011011202

1实验目的

∙掌握固体激光器与调Q的工作原理；

∙掌握固体激光器的调节方法，了解谐振腔参数及调节精度对激光器性能的影响；

∙测量固体激光器的静态输出特性和调Q输出特性；

∙掌握用于固体激光器调整和测量的仪器的使用方法。

2实验原理

2.1固体激光器的工作原理

固体激光器主要由激光工作物质、激励泵源、聚光器和光学谐振腔组成，其结构示意如下图所示：

图1:固体激光器结构

本次实验中的激光工作物质为钕玻璃，激活粒子为掺在玻璃中的钕离子，激光输出波长为1.06μm。

钕粒子产生受激辐射的原理如下图所示：

图2:钕粒子能级

钕粒子吸收光泵的能量由基态E1跃迁到E4能带，由于E4能带寿命很短，钕粒子很快以无辐射跃迁的形式跃迁到E3能级，E3是亚稳态能级，具有较长的能级寿命，钕粒子可以在该能级上积累起来，E3能级的钕粒子向E2能级跃迁，由E2能级返回基态，由于E2能级在热平衡

时基本处于空的状态，因此在光泵情况下，容易在E3能级和E2能级上实现集居数反转，实现受激辐射。

光在处于集居数反转的工作物质中传播时，用增益系数G来表示通过单位长度激活物质后增强的百分数。当光强较小时，增益系数与光强无关，称为小信号增益系数，用G0表示。与此同时，光在谐振腔中传播时，由于谐振腔反射镜的透射、吸收损耗、散射损耗等造成光在往返传播中不断衰减，用损耗系数α来表示，因此可以得出激光形成自激振荡的条件为

G0l≥αL

其中l为工作物质长度，L为谐振腔的长度。

2.2调Q原理

静态固体激光器输出能量分布在众多尖小的脉冲而限制了输出功率，采用调Q技术可以使激光能量集中在一个单脉冲中输出，大大提高固体激光器的输出功率的峰值。

调Q技术是采用调Q器件的饱和吸收特性实现的。调Q晶体是一种非线性吸收介质，其吸收系数A与入射光强I之间的关系可以表示为：

A=

A0

1+I/I s

易知当光强较弱时，调Q晶体对入射光有较强的吸收，随着入射光强增加，吸收系数减小。当光泵激励刚开始时，腔内光强很弱，调Q晶体的吸收很强，给激光器引入很大的损耗，激光不能产生。光泵继续激励时，使得工作物质内反转集居数不断积累，使腔内光强不断增强，从而使调Q晶体吸收减弱，阈值反转集居数下降，当粒子反转集居数大于阈值反转集居数时，受激辐射迅速增强，光强迅速增大，这又使阈值反转集居数不断下降，直至饱和。由于激光器粒子反转集居数大大超过阈值，手机辐射光强急剧增长。同时受激辐射不断消耗上能级的粒子，使得粒子反转集居数下降，当反转集居数小于阈值后，光强减小，反转集居数阈值增大，激光迅速熄灭。上述过程中，激光器输出一个很窄的巨脉冲。

调Q激光器的输出能量曲线如下图所示，随之输入能量的增加，输出能量阶梯状增长，阶梯高度近似相等，这是由于输入能量较大时，在调Q晶体输出第一个脉冲之后，光泵继续激励回事激光器输出第二个脉冲，以此类推。

图3:调Q激光器输出特性

3实验步骤

实验装置如下图所示：

图4:实验装置

其中He-Ne激光器和内调焦望远镜用于调整整个光路平行，半反膜镀在钕玻璃的一端，氙灯和聚光器作为工作物质钕玻璃的光泵。能量计用于测量输出脉冲的能量，光电探测器和示波器用于观察输出特性曲线。

实验步骤如下：

1.调整光路使得工作物质断面与全反镜平行，使得静态固体激光器能产生激光。调整方法为用He-Ne激光器准直固体激光器的钕玻璃棒和反射膜片，调整各元件使得它们轴向对中，并使得它们对He-Ne激光器的反射光斑基本重合，最后用内调焦望远镜细调光路，将各个元件调整到严格平行。

2.测量静态激光器的输出输入能量关系曲线。给光泵氙灯的激励电容上不同的充电电压，改变激光器的输入能量。

3.观察激光器的静态输出波形，记录器形状和总宽度，改变输入能量，观察波形变化规律。

4.在光路中加入调Q晶体，调整使得加入调Q晶体后谐振腔的平行性。测量调Q激光器的输入输出能量曲线。测量单脉冲输出能量、双脉冲输出能量、三脉冲输出能量以及对应的输入能量变化，测量调Q激光器的动静比。

5.对于不同的输入能量，采用光电探测器和示波器观察调Q激光器各输入能量下对应的输出脉冲的个数。

6.对与静态激光器，调整反射镜使得偏离谐振腔的平行位置，观察其对与固定的输入能量时输出能量的变化。偏离平行位置的大小，可以由内调焦望远镜读出。

4实验数据

对于静态固体激光器，采用He-Ne激光器和内调焦望远镜的方法调整光路平行，测得可以产生激光的电容阈值电压为470V，在此值以上，测得电容两端电压和激光器的输出能量之间的关系，可以画出输入输出能量曲线，其中输入能量

E i=1

2

CV2

其中C =200μF 为光泵氙灯电源电容大小。

图5:静态固体激光器输

入输出能量曲线

在光泵氙灯电源电容充电电压为600V 时，用光电探测器和示波器观察静态激光器的输出波形如下：

图6:静态固体激光器的输出波形

此时测得半波脉冲宽度为108μs ，改变光泵电源电容的充电电压，可以测得对于不同的输入电压时，半波脉冲宽度如下表：

电容电压V

脉冲宽度μs

600108650116700122800

130

由上表可以看出，随着输入能量的增大，脉冲宽度增加。

加入调Q晶体后，测得的光泵电容两端电压与输出能量之间的关系如下表：

电压V600625650675900700725750775800825850875900

能量mJ25.128.325.728.959.659.858.993.096.697.5102.7124.9130.3155.6

表1:调Q固体激光器的输入电压与输出能量

由上表格中易知，此时的输出能量为阶梯状分布，聚集在几个离散的值周围。可以画出此时的输入输出能量曲线如下：

图7:调Q固体激光器输入输出能量曲线

加入调Q晶体后，对于单脉冲情况，测得的输出波形如下：

图8:调Q固体激光器单脉冲输出波形

可以测得半波脉冲宽度为384ns，可以看出，相对于静态固体激光器，加入调Q晶体后，单脉冲的宽度更窄，能量更集中。

对于不同的输入能量，可以观察到双脉冲、三脉冲和四脉冲的波形如下：