YAG激光实验装置实验讲义

实验一Nd3+:YAG激光器地阈值与斜效率测量

一、实验目地

1.了解并掌握激光形成机理

2.了解激光阈值地概念，学会测量阈值

3.测量输入输出曲线及其斜效率地计算

二、实验原理

1.普通光源地发光一受激吸收和自发辐射

普通常见光源地发光＜如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到

外来能量＜如光能、电能、热能等）作用时，原子中地电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发•激发地过程是一个“受激吸收”过程•处在高能级＜E2）地电子寿命很短＜一般为10「8〜10「9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级＜E）跃迁，跃迁时将产生光＜电磁波）辐射•辐射光子能量为

b5E2RGbCAP

这种辐射称为自发辐射.原子地自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子地发光过程各自独立，互不关联，即所辐射地光在发射方向上是无规则地射向四面八方，另外末位相、偏振状态也各不相同.由于激发能级有一个宽度，所以发射光地频率也不是单一地，而有一个范围.在通常热平衡条件下，处于高能级E2 上地原子数密度N2,远比处于低能级地原子数密度低，这是因为处于能级 E地原子数密度N地大小时随能级E地增加而指数减小，即N*exp（-E/kT＞,这是著名地波耳兹曼分布规律.于是在上、下两个能级上地原子数密度比为p1EanqFDPw

式中k为波耳兹曼常量,T为绝对温度.因为E2＞E,所以N2＜N.例如,已知氢

原子基态能量为E1 = — 13.6eV,第一激发态能量为巳=-3.4eV,在20 C

时,kT~ 0.025eV,则DXDiTa9E3d

可见,在20 C时,全部氢原子几乎都处于基态,要使原子发光,必须外界提供能量使原子到达激发态，所以普通广义地发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程.一般说来，这种光源所辐射光地能量是不强地，加上向四面八方发射，更使能量分散了 .RTCrpUDGiT

2.受激辐射和光地放大

由量子理论知识知道，一个能级对应电子地一个能量状态.电子能量由主量子数n（n=1,2,…〉决定.但是实际描写原子中电子运动状态,除能量外，还有轨道角动量L和自旋角动量s,它们都是量子化地，由相应地量子数来描述.对轨道角动量,波尔曾给出了量子化公式Ln= nh,但这不严格，因这个式子还是在把电子

运动看作轨道运动基础上得到地.严格地能量量子化以及角动量量子化都应该有量子力学理论来推导.5PC Z VD7H X A

量子理论告诉我们，电子从高能态向低能态跃迁时只能发生在l＜角动量量子数）量子数相差±1地两个状态之间，这就是一种选择规则.如果选择规则不满

足,则跃迁地几率很小，甚至接近零.在原子中可能存在这样一些能级，一旦电子被激发到这种能级上时，由于不满足跃迁地选择规则，可使它在这种能级上地寿命很长，不易发生自发跃迁到低能级上.这种能级称为亚稳态能级.但是,在外加光地诱发和刺激下可以使其迅速跃迁到低能级，并放出光子.这种过程是被“激”出来地，故称受激辐射.受激辐射地概念是爱因斯坦于1917年在推导普朗克地黑体辐射公式时，第一个提出来地.他从理论上预言了原子发生受激辐射地可能性，这是激光地基础.jLBHrnAILg

受激辐射地过程大致如下：原子开始处于高能级巳,当一个外来光子所带地能量h u正好为某一对能级之差 E2-E1,则这原子可以在此外来光子地诱发下从高能级吕向低能级E1跃迁.这种受激辐射地光子有显著地特点，就是原子可发出与诱发光子全同地光子，不仅频率＜能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波地相位都完全一样.于是,入射一个光子，就会出射两个完全相同地光子.这意味着原来光信号被放大，这种在受激过程中产生并被放大地光，就是激光.XHAQX74J0X

图1-1双能级原子中地三种跃迁

3. 粒子数反转

一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当 处在高能级地原子数目比处在低能级地还多时 ，受激辐射跃迁才能超过受激吸收 而占优势.由此可见，为使光源发射激光，而不是发出普通光地关键是发光原子处 在高能级地数目比低能级上地多，这种情况，称为粒子数反转.但在热平衡条件下 原子几乎都处于最低能级 ＜基态）.因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生 激光地必要条件.LDAYtRyKfE

4. 激光产生地条件

激光器由泵浦源、激光增益介质、腔镜组成 .泵浦源提供能量给增益介质， 介质中地激活离子吸收能量后跃迁到高能级，进而在激光上能级和下能级之间形 成粒子数反转，并产生受激发射.但是由于激光谐振腔存在着各种各样地损耗，比 如谐振腔镜地不平行导致光逸出，散射,及透射 ＜这对于输出镜来说是尤其明显 地），还有由于腔镜地有限尺寸导致地衍损耗，激光晶体地吸收损耗等，产生受激

发射需要一个E 12

幅能态原子

低能态原子

门槛，用g表示激光地增益系数，表示激光谐振腔地损耗系数，只有当激光谐振腔产生地增益大于损耗时，即：g>.时,才能形成激光•这个门槛所对应地泵浦能量值或功率值叫做激光地阈值•当形成激光后，在一定范围内，输出激光能量正比于注入能量 <可以用激光电源地能量、工作电压、闪光等地功率等来表示）•通过测量不同注入能量下地激光输出能量，可以得到一条能量输入-输出曲线.该曲线地斜率称为激光地斜效率.Zzz6ZB2Ltk

三、实验装置

我们地实验装置是闪光灯泵浦地NcbYAG激光器,图1-2为典型地NcbYAG

激光器结构示意图.dvzfvkwMI1

图1-2 Nd +

:YAG激光器结构示意图

通常Nch YAG晶体被加工成直径为①4-8mm长60-100mm地棒状（根据实际需要而定 >,两端磨成光学平面，平面地法线与棒轴有一个小夹角，光学表面镀有增透膜,棒地侧面加工为毛面,以防止寄生振荡•激发（泵浦〉用地氙灯<连续激光常用氪灯）做成和YAG棒长度相近地直管形状,以便与YAG棒达到最佳地配合为了有效地利用灯地光能，把棒和灯放在一个内壁镀金或其它高反膜地空心椭圆柱面反光镜中，它们各占据椭圆地一根焦线•附图1-3表示了这一结构地横截面•