半导体泵浦激光原理
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3、粒子数反转
为使光源发射激光，关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，此即为粒子数反转。
【实验内容】：
一、LD泵浦Nd：YVO4固体激光器的基本概念与主要参数测量
LD泵浦Nd：YVO4固体激光器具有以下特点：
2、光谱匹配性好；
②、体积小，结构简单，装调方便，使用寿命长；
3、具有倍频特性。
LD泵浦Nd：YVO4固体激光器的相关参数和曲线：
自发辐射：在没有外界作用下，原子中的电子自发的由高能级向低能级跃迁，跃迁时将产生光辐射，此即为自发辐射。辐射光子能量为：
原子的自发辐射过程完全是一个随机过程，所辐射的光之间完全没有联系。
波尔兹曼分布规律：在通常的热平衡条件下，处于高能级 上的原子数密度 ，远比处于低能级的原子数密度低。处于能级E的原子数密度N的大小随能级E的增加而指数减小，即N∝ 。于是，在上、下两个能级上的原子数密度比为
（实验数据见Excel上。）
计算光斑尺寸：
距离原点为0.2m时，有ep=0.29mm，W=1.4826（2ep）=0.8599mm；
距离原点为0.4m时，有ep=0.42mm，W=1.4826（2ep）=1.2454mm；
距离原点为0.6m时，有ep=0.57mm，W=1.4826（2ep）=1.6902mm；
【问题思考】：
1、、LD泵浦Nd：YVO4固体激光器受激发射的条件是什么？
答：受激发射是指处在亚稳态能级上电子，在外加光的诱发和刺激下可以使其迅速跃迁到低能级上，并放出光子。对于LD泵浦Nd：YVO4固体激光器，同时还要求粒子数反转，而且，泵浦功率要超过阈值功率。
2、如何提高测量光斑尺寸的精度？
答：减少外来光干扰，保证刀口与激光束垂直，选用更加精确的仪器，每0.02mm推进一下刀口等等，都可以提高测量光斑尺寸的精度。
4、缓慢旋转螺旋测微器，推进刀口，每0.04mm测一对应的激光功率P，记录下来；
5、重复4，直到光斑全部被刀片挡住，即功率计显示为零，由此建立P—x曲线；
6再将刀口拉回，重新测量一组P—x数据；
7、数据拟合及处理得出光斑尺寸及基横模的判断结果。
三、LD泵浦Nd：YVO4固体激光器远场发散角的测量
1、调好光路，使得532nm的激光稳定输出；
W = 1.4826（2ep）
=1.7456（2ep）
三、LD泵浦Nd：YVO4固体激光器远场发散角的测量
激光光能量在空间的分布高度集中在光的传播方向上，但它仍有一定的发散度。总的来说，光斑尺寸w(z)是随z的增加而增加的，成为两条对称曲线，在z=0处最细。
由上述可知，本实验用刀口法测量激光光斑尺寸。当利用一刀口垂直于光束传播方向，将遮盖部分光束，这将导致通过的激光功率下降。测出激光透过功率为94%和6%二值所对应的刀口相对位置，即可测得光束腰斑直径2ω值。
实验10半导体泵浦激光原理
【实验目的】：
1、掌握LD泵浦Nd:YV 固体激光器的基本概念；
2、掌握连续激光器阈值概念及测量方法；
3、掌握连续激光器斜率效率及测量方法。
【实验原理】：
1、普通光源的发光——受激吸收和自发辐射
普通常见光源的发光是由于物质在受到外来能量作用时，原子中的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。激发过程是“受激吸收”过程。
c、导数法：在 — 曲线中，将输出功率对泵浦功率求二阶导数，求导数波峰所对应的功率值为 。
③、 — 曲线的斜率
该斜率为 以上的 — 曲线的斜率，表示波长为808nm的泵浦功率有多少转换成1064nm固体激光器的输出功率。
二、LD泵浦Nd：YVO4固体激光器光斑尺寸的测量
在各种不同光强分布形式中，基横模的光强分布不均匀性最小，因此需要激光器工作在基横模状态。激光基横模的光强分布是高斯分布，能够方便地测量光斑的大小。
略去某些误差较大的点，我们所得到的图形与理论图形相近。
以下的直线方程我们求得为：y=0.173x-0.0137
以上的直线方程我们求得为：y=0.664x-0.167
求阈值功率 ：
双斜法：0.173x-0.0137=0.664x-0.167，解得x=0.312，即 所对应的阈值电流为0.312，因LD的电流正比于其功率，所以我们可以认为阈值功率 =0.312mw。
一、LD泵浦Nd：YVO4固体激光器的基本概念与主要参数测量
功率可调808nm激光二极管、Nd：YVO4固体激光器一套、光功率指示仪（功率计）
二、LD泵浦Nd：YVO4固体激光器光斑尺寸的测量
激光器（工作波长为532nm的基横模固体激光器）、装有移动精度0.02mm的螺旋测微器的刀口、光电探测器、功率计
①、泵浦功率（ ）-—输出功率（ ）特性曲线
如下图：
随泵浦功率增加，激光器首先渐渐增加自发辐射，直至超过阈值，发生受激辐射。开始发生受激辐射时的泵浦功率值，为阈值功率，用 表示。
②、利用 — 曲线找到 的方法有三种：
a、双斜法：将 — 曲线中两条直线延长线交点所对应的功率作为阈值功率；
b、常规法：输ຫໍສະໝຸດ Baidu光功率延长线与功率轴的交点作为激光器的阈值功率；
刀口推入时，得到的图像如下：
刀口拉出时，得到的图像如下：
对两图像进行适当组合，数据拟合，可得，ep=0.29mm。所以，光斑大小为：
W=1.4826（2ep）=0.8599mm；
=1.7456（2ep）=1.0124mm。
由所得出的图像可知，激光基横模的光强分布是高斯分布。
三、LD泵浦Nd：YVO4固体激光器远场发散角的测量
距离原点为0.8m时，有ep=0.58mm，W=1.4826（2ep）=1.7198mm；
距离原点为1.0m时，有ep=1.08mm，W=1.4826（2ep）=3.2024mm。
其中，距离原点为1.0m处的数据可能有误。
由于我们没有记录下z=0点时的光斑尺寸（它是高斯光束的特征参量），无法确定 ，所以无法求出准直距离 ,从而无法求出远场发射角。
三、LD泵浦Nd：YVO4固体激光器远场发散角的测量
实验装置同二。
【实验步骤】：
一、LD泵浦Nd：YVO4固体激光器的基本概念与主要参数测量
1、连上电线，保证旋钮位置对应的电流为最小；
2、打开激光光源；
3、调节电流旋钮，逐步增大电流，同时检测激光功率计的读数；
4、记录不同电流下的功率；
5、绘制激光器的 — 特性曲线；
3、在实验中由于存在外来光干扰（实验室灯光），所以功率计读数无法降至0，第三个实验中，距离原点为1.0m处的数据可能有误，原因有可能是外来光干扰太过强烈。
2、以输出镜为原点，在光路方向上利用刀口法分别测量距离原点为0.2m，0.4m，0.6m，0.8m，1.0m处的光斑尺寸；
3、计算每一处的光斑尺寸，利用两种方法处理数据求出远场发散角。
【实验数据及处理】：
一、LD泵浦Nd：YVO4固体激光器的基本概念与主要参数测量
（实验数据见Excel上。）
由Excel作出的激光器的 — 特性曲线如下：
6、用两种以上方法确定激光器的阈值功率；
7、计算室温时激光器的 — 曲线的斜率。
二、LD泵浦Nd：YVO4固体激光器光斑尺寸的测量
1、调好光路，使激光器稳定输出532nm的绿光；
2、将刀口位于激光光斑边缘位置，并将功率计置于刀口后面来测量未被刀口挡住的激光光功率；
3、测量此时的激光的输出功率（此时激光全部打入功率计） ；
用刀口法可以测定光斑的大小和验证光斑的光强分布是高斯分布。实验中使刀口平行于y轴，沿垂直于x轴方向移动。当刀口缓慢推入光束时，设刀口挡住了x≤a的所有点。最后，归一化的高斯分布和相对功率与刀口位置关系曲线如下图所示：
相对功率为0.25和0.75的点分别位于高斯分布曲线极大值两侧，其距离为ep=0.6745σ。由实验得到的相对功率与刀口位置的关系曲线可确定ep的值。用ep的值可计算出光斑大小：
∝exp[-( )/kT]
式中，k为波尔兹曼常量，T为绝对温度。因为 > ,所以 《 。
普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。一般来说，这种光源所辐射光的能量是不强的，能量分散。
2、受激辐射和光的放大
亚稳态能级：在原子中可能存在这样一些能级，一旦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的两个状态之间，这就是一种选择规则，被激发到这种能级上时，由于不满足跃迁的选择规则，可使它在这种能级上的寿命很长，不易发生自发跃迁到低能级上。
远场发散角：以光斑尺寸为轨迹的两条双曲线的渐近线间的夹角。如图所示：
测量远场发散角的方法有两种：
a、选取z > 的两个不同值 、 ，根据光斑尺寸定义，从I—ρ曲线中分别求出w( )、w( )，利用公式：
2θ=2
b、用一个z值（z>7 ）及与其对应的w(z)，通过公式：
2θ=2w(z)/z
来计算。
【实验装置】：
常规法：0.664x-0.167=0，解得x=0.252，所以阈值功率 =0.252mw。
由上可知，室温时激光器的 — 曲线的斜率为k=0.664。所以波长为808nm的泵浦功率有66.4%的转换成1064nm固体激光器的输出功率。
二、LD泵浦Nd：YVO4固体激光器光斑尺寸的测量
（实验数据见Excel上。）
取激光器的轴向为直角坐标系的z轴，以谐振腔的中心为原点，并在与主轴z垂直的平面上取x轴和y轴。
衡量光斑大小可以用光斑半径，它定义为光强衰减到中央最大光强的1/ 的位置与z轴之间的距离，称为半宽度，记为W；也可用半极大全宽度，它定义为光强衰减到中央最大光强的一半的位置与z轴之间距离的2倍，称为半功率直径，记为 。可得， = W=1.1774W。
受激辐射：处在亚稳态能级上电子，在外加光的诱发和刺激下可以使其迅速跃迁到低能级上，并放出光子。受激辐射理论是激光的基础。
受激辐射过程大致如下：原子开始处在高能级 ，当一个外来光子所带的能量hv正好为某一对能级之差 - ，则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级 向低能级 跃迁。原子所发出的光子与诱发光子全同，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子，就会出射两个完全相同的光子。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的光，就是激光。
为使光源发射激光，关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，此即为粒子数反转。
【实验内容】：
一、LD泵浦Nd：YVO4固体激光器的基本概念与主要参数测量
LD泵浦Nd：YVO4固体激光器具有以下特点：
2、光谱匹配性好；
②、体积小，结构简单，装调方便，使用寿命长；
3、具有倍频特性。
LD泵浦Nd：YVO4固体激光器的相关参数和曲线：
自发辐射：在没有外界作用下，原子中的电子自发的由高能级向低能级跃迁，跃迁时将产生光辐射，此即为自发辐射。辐射光子能量为：
原子的自发辐射过程完全是一个随机过程，所辐射的光之间完全没有联系。
波尔兹曼分布规律：在通常的热平衡条件下，处于高能级 上的原子数密度 ，远比处于低能级的原子数密度低。处于能级E的原子数密度N的大小随能级E的增加而指数减小，即N∝ 。于是，在上、下两个能级上的原子数密度比为
（实验数据见Excel上。）
计算光斑尺寸：
距离原点为0.2m时，有ep=0.29mm，W=1.4826（2ep）=0.8599mm；
距离原点为0.4m时，有ep=0.42mm，W=1.4826（2ep）=1.2454mm；
距离原点为0.6m时，有ep=0.57mm，W=1.4826（2ep）=1.6902mm；
【问题思考】：
1、、LD泵浦Nd：YVO4固体激光器受激发射的条件是什么？
答：受激发射是指处在亚稳态能级上电子，在外加光的诱发和刺激下可以使其迅速跃迁到低能级上，并放出光子。对于LD泵浦Nd：YVO4固体激光器，同时还要求粒子数反转，而且，泵浦功率要超过阈值功率。
2、如何提高测量光斑尺寸的精度？
答：减少外来光干扰，保证刀口与激光束垂直，选用更加精确的仪器，每0.02mm推进一下刀口等等，都可以提高测量光斑尺寸的精度。
4、缓慢旋转螺旋测微器，推进刀口，每0.04mm测一对应的激光功率P，记录下来；
5、重复4，直到光斑全部被刀片挡住，即功率计显示为零，由此建立P—x曲线；
6再将刀口拉回，重新测量一组P—x数据；
7、数据拟合及处理得出光斑尺寸及基横模的判断结果。
三、LD泵浦Nd：YVO4固体激光器远场发散角的测量
1、调好光路，使得532nm的激光稳定输出；
W = 1.4826（2ep）
=1.7456（2ep）
三、LD泵浦Nd：YVO4固体激光器远场发散角的测量
激光光能量在空间的分布高度集中在光的传播方向上，但它仍有一定的发散度。总的来说，光斑尺寸w(z)是随z的增加而增加的，成为两条对称曲线，在z=0处最细。
由上述可知，本实验用刀口法测量激光光斑尺寸。当利用一刀口垂直于光束传播方向，将遮盖部分光束，这将导致通过的激光功率下降。测出激光透过功率为94%和6%二值所对应的刀口相对位置，即可测得光束腰斑直径2ω值。
实验10半导体泵浦激光原理
【实验目的】：
1、掌握LD泵浦Nd:YV 固体激光器的基本概念；
2、掌握连续激光器阈值概念及测量方法；
3、掌握连续激光器斜率效率及测量方法。
【实验原理】：
1、普通光源的发光——受激吸收和自发辐射
普通常见光源的发光是由于物质在受到外来能量作用时，原子中的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。激发过程是“受激吸收”过程。
c、导数法：在 — 曲线中，将输出功率对泵浦功率求二阶导数，求导数波峰所对应的功率值为 。
③、 — 曲线的斜率
该斜率为 以上的 — 曲线的斜率，表示波长为808nm的泵浦功率有多少转换成1064nm固体激光器的输出功率。
二、LD泵浦Nd：YVO4固体激光器光斑尺寸的测量
在各种不同光强分布形式中，基横模的光强分布不均匀性最小，因此需要激光器工作在基横模状态。激光基横模的光强分布是高斯分布，能够方便地测量光斑的大小。
略去某些误差较大的点，我们所得到的图形与理论图形相近。
以下的直线方程我们求得为：y=0.173x-0.0137
以上的直线方程我们求得为：y=0.664x-0.167
求阈值功率 ：
双斜法：0.173x-0.0137=0.664x-0.167，解得x=0.312，即 所对应的阈值电流为0.312，因LD的电流正比于其功率，所以我们可以认为阈值功率 =0.312mw。
一、LD泵浦Nd：YVO4固体激光器的基本概念与主要参数测量
功率可调808nm激光二极管、Nd：YVO4固体激光器一套、光功率指示仪（功率计）
二、LD泵浦Nd：YVO4固体激光器光斑尺寸的测量
激光器（工作波长为532nm的基横模固体激光器）、装有移动精度0.02mm的螺旋测微器的刀口、光电探测器、功率计
①、泵浦功率（ ）-—输出功率（ ）特性曲线
如下图：
随泵浦功率增加，激光器首先渐渐增加自发辐射，直至超过阈值，发生受激辐射。开始发生受激辐射时的泵浦功率值，为阈值功率，用 表示。
②、利用 — 曲线找到 的方法有三种：
a、双斜法：将 — 曲线中两条直线延长线交点所对应的功率作为阈值功率；
b、常规法：输ຫໍສະໝຸດ Baidu光功率延长线与功率轴的交点作为激光器的阈值功率；
刀口推入时，得到的图像如下：
刀口拉出时，得到的图像如下：
对两图像进行适当组合，数据拟合，可得，ep=0.29mm。所以，光斑大小为：
W=1.4826（2ep）=0.8599mm；
=1.7456（2ep）=1.0124mm。
由所得出的图像可知，激光基横模的光强分布是高斯分布。
三、LD泵浦Nd：YVO4固体激光器远场发散角的测量
距离原点为0.8m时，有ep=0.58mm，W=1.4826（2ep）=1.7198mm；
距离原点为1.0m时，有ep=1.08mm，W=1.4826（2ep）=3.2024mm。
其中，距离原点为1.0m处的数据可能有误。
由于我们没有记录下z=0点时的光斑尺寸（它是高斯光束的特征参量），无法确定 ，所以无法求出准直距离 ,从而无法求出远场发射角。
三、LD泵浦Nd：YVO4固体激光器远场发散角的测量
实验装置同二。
【实验步骤】：
一、LD泵浦Nd：YVO4固体激光器的基本概念与主要参数测量
1、连上电线，保证旋钮位置对应的电流为最小；
2、打开激光光源；
3、调节电流旋钮，逐步增大电流，同时检测激光功率计的读数；
4、记录不同电流下的功率；
5、绘制激光器的 — 特性曲线；
3、在实验中由于存在外来光干扰（实验室灯光），所以功率计读数无法降至0，第三个实验中，距离原点为1.0m处的数据可能有误，原因有可能是外来光干扰太过强烈。
2、以输出镜为原点，在光路方向上利用刀口法分别测量距离原点为0.2m，0.4m，0.6m，0.8m，1.0m处的光斑尺寸；
3、计算每一处的光斑尺寸，利用两种方法处理数据求出远场发散角。
【实验数据及处理】：
一、LD泵浦Nd：YVO4固体激光器的基本概念与主要参数测量
（实验数据见Excel上。）
由Excel作出的激光器的 — 特性曲线如下：
6、用两种以上方法确定激光器的阈值功率；
7、计算室温时激光器的 — 曲线的斜率。
二、LD泵浦Nd：YVO4固体激光器光斑尺寸的测量
1、调好光路，使激光器稳定输出532nm的绿光；
2、将刀口位于激光光斑边缘位置，并将功率计置于刀口后面来测量未被刀口挡住的激光光功率；
3、测量此时的激光的输出功率（此时激光全部打入功率计） ；
用刀口法可以测定光斑的大小和验证光斑的光强分布是高斯分布。实验中使刀口平行于y轴，沿垂直于x轴方向移动。当刀口缓慢推入光束时，设刀口挡住了x≤a的所有点。最后，归一化的高斯分布和相对功率与刀口位置关系曲线如下图所示：
相对功率为0.25和0.75的点分别位于高斯分布曲线极大值两侧，其距离为ep=0.6745σ。由实验得到的相对功率与刀口位置的关系曲线可确定ep的值。用ep的值可计算出光斑大小：
∝exp[-( )/kT]
式中，k为波尔兹曼常量，T为绝对温度。因为 > ,所以 《 。
普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。一般来说，这种光源所辐射光的能量是不强的，能量分散。
2、受激辐射和光的放大
亚稳态能级：在原子中可能存在这样一些能级，一旦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的两个状态之间，这就是一种选择规则，被激发到这种能级上时，由于不满足跃迁的选择规则，可使它在这种能级上的寿命很长，不易发生自发跃迁到低能级上。
远场发散角：以光斑尺寸为轨迹的两条双曲线的渐近线间的夹角。如图所示：
测量远场发散角的方法有两种：
a、选取z > 的两个不同值 、 ，根据光斑尺寸定义，从I—ρ曲线中分别求出w( )、w( )，利用公式：
2θ=2
b、用一个z值（z>7 ）及与其对应的w(z)，通过公式：
2θ=2w(z)/z
来计算。
【实验装置】：
常规法：0.664x-0.167=0，解得x=0.252，所以阈值功率 =0.252mw。
由上可知，室温时激光器的 — 曲线的斜率为k=0.664。所以波长为808nm的泵浦功率有66.4%的转换成1064nm固体激光器的输出功率。
二、LD泵浦Nd：YVO4固体激光器光斑尺寸的测量
（实验数据见Excel上。）
取激光器的轴向为直角坐标系的z轴，以谐振腔的中心为原点，并在与主轴z垂直的平面上取x轴和y轴。
衡量光斑大小可以用光斑半径，它定义为光强衰减到中央最大光强的1/ 的位置与z轴之间的距离，称为半宽度，记为W；也可用半极大全宽度，它定义为光强衰减到中央最大光强的一半的位置与z轴之间距离的2倍，称为半功率直径，记为 。可得， = W=1.1774W。
受激辐射：处在亚稳态能级上电子，在外加光的诱发和刺激下可以使其迅速跃迁到低能级上，并放出光子。受激辐射理论是激光的基础。
受激辐射过程大致如下：原子开始处在高能级 ，当一个外来光子所带的能量hv正好为某一对能级之差 - ，则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级 向低能级 跃迁。原子所发出的光子与诱发光子全同，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子，就会出射两个完全相同的光子。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的光，就是激光。