1. 固体激光器的基本结构与工作物质
固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。图7.1.1是长脉冲固体激光器的基本结构示意图(冷却、滤光系统未画出)。
固体工作物质是固体激光器的核心。影响工作特性的关键是工作物质的光谱特性。最常用的是红宝石和掺Nd 3+激光器。
1) 红宝石激光器
工作物质为Al 2O 3＋Cr 2O 3，Cr 3＋决定光谱性能，从红宝石中铬离子的能级结构图（7.1.2）红宝石激光器为三能级系统，激光谱线：0.6943μm+0.6929μm ；0.6943μm 占优势。泵浦源为脉冲氙灯。由于固体激光器的工作物质是绝缘晶体，所以一般用光泵浦源激励。
优缺点：阈值高、温度效应非常严重、室温下不适于连续和高重复率工作。
图7.1.1 固体激光器的基本结构示意图
图7.1.2 红宝石中铬离子的能级结构
2) Nd 3＋
:YAG 激光器 突出优点：阈值低和具有优良的热学性质，这就使得它适于连续和高重复率工作。
Nd 3＋:YAG 是目前能在室温下连续工作的唯一实用的固体工作物质，在中小功率脉冲器件中，特别是在高重复率的脉冲器件中，目前应用Nd 3＋:YAG 的量，远远超过其它固体工作物质。可以说， Nd 3＋:YAG 从出现至今，大量使用，长盛不衰。
工作物质:将一定比例的A12O 3、Y 2O 3，和Nd 2O 3在单晶炉中进行熔化结晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是钕离子(Nd 3＋)， YAG 中Nd 3＋与激光产生有关的能级结构如图7.1.3所示。它属于四能级系统。
2. 固体激光器的泵浦系统
1) 固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。泵浦光源应当满足两个基本条件。
2) 常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，因而固体工作物质一般都加工成圆柱棒形状，所以为了将泵浦灯发出的光能完全聚到工作物质上，必须采用聚光腔。
3) 图7.1.4所示的椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采用的聚光腔，它的内表面被抛光成镜面，其横截面是一个椭圆。
4) 固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤光。常用的冷却方式有液体冷却、气体冷却和传导冷却等，其中以液冷最为普遍。
5) 泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件滤去泵浦光中的紫外光谱。
图7.1.3 Nd 3＋
:Y AG 的能级结构
3. 固体激光器的输出特性
1. 固体激光器的激光脉冲特性
一般的脉冲固体激光器产生的激光脉冲是由一连串不规则振荡的短脉冲(或称尖峰)组成的，各个短脉冲的持续时间约为(0.1~1)μm ，各短脉冲之间的间隔约为(5~10) μs 。泵浦光越强，短脉冲数目越多，其包络峰值并不增加。
2. 转换效率
总体效率定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比。对于连续激光器(用功率描述)和脉冲激光器(用能量描述)分别表示为：
(7.1.1) (7.1.2)
4. 新型固体激光器
1. 半导体激光器泵浦的固体激光器
半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图7.1.5(a)所示的端泵浦方式和图
7.1.5(b)所示的侧泵浦方式。
图7.1.4 椭圆柱聚光腔 cou ab c L p in th in out t P P P P ηηηηηννη1211???? ??-==cou ab c L p
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=图7.1.5 半导体激光器泵浦固体激光器的结构示意图
半导体激光器泵浦固体激光器与闪光灯泵浦固体激光器相比有其主要优点，如结构紧凑、寿命长、稳定性强、体积小、热效应小、更加环保等。
2. 可调谐固体激光器
可调谐固体激光器主要有两类，一类是色心激光器，一类是用掺过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器。
3. 高功率固体激光器
高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百瓦以上的各种连续、准连续及脉冲固体激光器，它一直是军事应用和激光加工应用所追求的目标。
从二十世纪七十年代起开始研制的板条形固体激光器，就是针对克服工作物质中的热分布及其引起的一系列如折射率分布、应力双折射等固有矛盾而提出的一种结构方案，其结构如图7.1.6所示。
图7.1.6 板条形固体激光器结构示意图
声光调Q倍频YAG激光器实验声光调制器由石英晶体、铌酸锂或重火石玻璃作为声光介质，通过压电晶体电声转换器将超声波耦合，在声光介质中产生超声波光栅，介质的折射率被周期性调制形成折射率体光栅。在腔内采用该技术，可将连续的1064nm基频光变换成10KHz的高重复率脉冲激光，由于具有重复频率和峰值功率高的特点，可获得高平均功率的倍频绿光输出。 【实验目的】 （1）掌握声光调Q连续激光器及其倍频的工作原理； （2）学习声光调Q倍频激光器的调整方法； （3）了解声光调Q固体激光器的静态和动态特性，并掌握测试方法；（4）学习倍频激光器的调整方法。【实验原理】 【实验原理】 声光调Q倍频连续YAG激光器的工作原理 （1）声光调Q基本原理：
图1 声光调制器工作原理 声光调制器是由石英晶体、铌酸锂、或重火石玻璃做为声光介质，通过电声换能器（压电晶体）将超声波耦合进去，在声光介质中产生超声波光栅。超声波光栅将介质的折射率进行周期性调制，从而进一步形成折射率体光栅。如图1所示。光栅公式如下式 （1） 式（1）中，是声光介质中的超声波波长，为布拉格衍射角，为入射光波波长，n为声光介质的折射率。当入射光以布拉格角入射时，出射光将被介质中的体光栅衍射到一级衍射最大方向上。利用声光介质的这种性质，可以对激光谐振腔内的光束方向进行调制。当加入声光调制信号时，光束偏转出腔外，不能在腔内形成振荡，即此时为高损耗腔。在此期间泵浦灯注入给激活介质（激光晶体）的能量储存在激光上能级，形成高反转粒子数。当去掉声光调制信号时，光束不被偏转，在腔内往返，形成激光振荡。由于前面积累的高反转粒子数远远超过激光阈值，所以瞬时形成脉冲激光输出，从而形
Nd:YAG 激光倍频特性 实验目的：1. 了解二次非线性光学效应 2. 了解二倍频晶体中相位匹配 实验原理： 当强光与物质作用后，表征光学的许多参量如折射率、吸收系数、散射截面等不再是常数，而是一个与入射光有关的变量，相应也出现了在线性光学中观察不到的许多新的光学现象，非线性光学的产生与研究大大加深了我们对光与物质相互作用本质的认识，同时也具有极其重要的实用价值。 1. 光学倍频 光学倍频又称二次谐波，指在非线性介质中传播频率为ν的激光，其中一部分能量转换到频率为2ν的光波中去，使在介质中传播的有频率为ν和2ν两种光波。 从量化概念来说，这相当于两个光子在非线性介质内发生湮灭，并产生倍频光子的现象。在倍频过程中满足能量守恒何动量守恒定律。 2. 二次谐波的效率 由基波的能量（功率）转换成二次谐波的能量（功率）的比值，反映了介质的二次谐波效率，为： ωωηI I 2= 常用二次谐波非线性材料有KDP 倍频晶体和KTP 倍频晶体等。KTP 晶体性能优于KDP 晶体，非线性系数是后者的15倍，光损伤阈值也高（大于400mW/cm 2）。 3. 相位匹配 相位匹配物理实质是：基频光在晶体中沿途各点激发的倍频光，在出射面产生干涉，只有相位匹配时才可干涉增强，达到好的倍频效率。相位匹配要求基频光和倍频光在晶体中的传播速度相等，即折射率相等，对于双折射晶体，基频光在晶体面上的入射则需要一定的角度相位匹配。实验中，KTP 晶体是加工好的，只需垂直晶体面入射即可满足相位匹配条件。 实验装置 1. He-Ne 激光器 2. 小孔光阑 3. 1064nm 全反凹面镜M 1 4. Cr 4+ :YAG 调Q 晶体 5. Nd:YAG 振荡棒 6. 输出镜M 2 7. Nd:YAG 放大棒 8. 平板玻璃 9. 能量计 10. KTP 晶体 图1 实验光路示意图 本实验采用与“Nd:YAG 激光器调Q 激光束放大特性”相同的实验装置，倍频晶体放置于放大级输出端后方。 实验过程 实验中要特别注意眼睛不可直视Y AG 输出激光以及He-Ne 激光，并小心精密操作设备。 1、倍频激光输出调节 （1）按照与前一实验相同步骤调整Nd:Y AG 激光器，放置调Q 晶体，放大级工作开启。 （2）在Nd:Y AG 放大棒后加入KTP 晶体，轻轻转动KTP 角度，使KTP 输出由一弱散斑汇聚成一耀眼亮点，即达到晶体最佳匹配效果。倍频后输出激光为1064nm 和532nm 两
篇一：激光谐振腔与倍频实验 激光谐振腔与倍频实验 a13组 03光信息陆林轩 033012017 实验时间：2006-4-25 [实验目的和内容] 1、学习与掌握工作物质端面呈布儒斯特角的钕玻璃激光器的调节，以获得激光红外输出。 2、掌握腔外倍频技术，并了解倍频技术的意义。 3、观察倍频晶体0.53?m绿色光的输出情况。[实验基本原理] 1、激光谐振腔 光学谐振腔是激光器的重要组成部分，能起延长增益介质的作用（来提高光能密度），同时还能控制光束的传播方向，对输出激光谱线的频率、宽度、和激光输出功率、等都产生很大的影响。 图1 激光谐振腔示意图 （1）组成： 光学谐振腔是由两个光学反射镜面组成、能提供光学正反馈作用的光学装置，如图1所示。两个反射镜可以是平面镜或球面镜，置于激光工作物质两端。两块反射镜之间的距离为腔长。其中一个镜面反射率接近100%，称为全反镜；另一个镜面反射率稍低些，激光由此镜输出，故称输出镜。 （2）工作原理： 谐振腔中包含了能实现粒子数反转的激光工作物质。它们受到激励后，许多原子将跃迁到激发态。但经过激发态寿命时间后又自发跃迁到低能态，放出光子。其中，偏离轴向的光子会很快逸出腔外。只有沿着轴向运动的光子会在谐振腔的两端反射镜之间来回运动而不逸出腔外。这些光子成为引起受激发射的外界光场。促使已实现粒子数反转的工作物质产生同样频率、同样方向、同样偏振状态和同样相位的受激辐射。这种过程在谐振腔轴线方向重复出现，从而使轴向行进的光子数不断增加，最后从部分反射镜中输出。所以，谐振腔是一种正反馈系统或谐振系统，具有很好的准直，选频和放大功能。 （3）种类：图2 谐振腔的种类 按组成谐振腔的两块反射镜的形状以及它们的相对位置，可将光学谐振腔区分为：平行平面腔，平凹腔，对称凹面腔，凸面腔等。平凹腔中如果凹面镜的焦点正好落在平面镜上，则称为半共焦腔；如果凹面镜的球心落在平面镜上，便构成半共心腔。对称凹面腔中两块反射球面镜的曲率半径相同。如果反射镜焦点都位于腔的中点，便称为对称共焦腔。如果两球面镜的球心在腔的中心，称为共心腔。 如果光束在腔内传播任意长时间而不会逸出腔外，则称该腔为稳定腔（满足，否则称为不稳定腔（满足1?g1.g2或0?g1.g2）。上述列举的谐振腔都属0?g1.g2?1） 稳定腔。 （4）本实验中的激光谐振腔： 本实验采用的是外腔式钕玻璃激光器。外腔式激光器的两个反射镜是放在激光棒的外侧，长度可调，频率可变，在激光棒的两侧按一定的角度贴有布儒斯特窗片。由于布儒斯特窗对p 偏振分量具有100%的透过率，从而输出线偏光。 2、激光倍频 (1)非线性光学基础 极化强度矢量和入射长的关系为： p??(1)e??(2)e2??(3)e3??（1） ……分别是线性极化率，二阶非线性极化率，三阶非线性极化率……，?(2) ，?(1)，?(3)，且每加一次极化，?值减小七八个数量级。在入射光场比较小的时候，?
激光谐振腔与倍频实验 A13组03光信息陆林轩033012017 实验时间：2006-4-25 [实验目的和内容] 1、学习与掌握工作物质端面呈布儒斯特角的钕玻璃激光器的调节，以获得激光红外输出。 2、掌握腔外倍频技术，并了解倍频技术的意义。 绿色光的输出情况。 3、观察倍频晶体0.53m [实验基本原理] 1、激光谐振腔 光学谐振腔是激光器的重要组成部分，能起延长增益介质的作用（来提高光能密度），同时还能控制光束的传播方向，对输出激光谱线的频率、宽度、和激光输出功率、等都产生很大的影响。 图1 激光谐振腔示意图 （1）组成： 光学谐振腔是由两个光学反射镜面组成、能提供光学正反馈作用的光学装置，如图1所示。两个反射镜可以是平面镜或球面镜，置于激光工作物质两端。两块反射镜之间的距离为腔长。其中一个镜面反射率接近100%，称为全反镜；另一个镜面反射率稍低些，激光由此镜输出，故称输出镜。 （2）工作原理： 谐振腔中包含了能实现粒子数反转的激光工作物质。它们受到激励后，许多原子将跃迁到激发态。但经过激发态寿命时间后又自发跃迁到低能态，放出光子。其中，偏离轴向的光子会很快逸出腔外。只有沿着轴向运动的光子会在谐振腔的两端反射镜之间来回运动而不逸出腔外。这些光子成为引起受激发射的外界光场。促使已实现粒子数反转的工作物质产生同样频率、同样方向、同样偏振状态和同样相位的受激辐射。这种过程在谐振腔轴线方向重复出现，从而使轴向行进的光子数不断增加，最后从部分反射镜中输出。所以，谐振腔是一种正反馈系统或谐振系统，具有很好的准直，选频和放大功能。 （3）种类：
图2 谐振腔的种类 按组成谐振腔的两块反射镜的形状以及它们的相对位置，可将光学谐振腔区分为：平行平面腔，平凹腔，对称凹面腔，凸面腔等。平凹腔中如果凹面镜的焦点正好落在平面镜上，则称为半共焦腔；如果凹面镜的球心落在平面镜上，便构成半共心腔。对称凹面腔中两块反射球面镜的曲率半径相同。如果反射镜焦点都位于腔的中点，便称为对称共焦腔。如果两球面镜的球心在腔的中心，称为共心腔。 如果光束在腔内传播任意长时间而不会逸出腔外，则称该腔为稳定腔（满足120.1g g <<） ，否则称为不稳定腔（满足12121..g g g g <<或0）。上述列举的谐振腔都属稳定腔。 （4）本实验中的激光谐振腔： 本实验采用的是外腔式钕玻璃激光器。外腔式激光器的两个反射镜是放在激光棒的外侧，长度可调，频率可变，在激光棒的两侧按一定的角度贴有布儒斯特窗片。由于布儒斯特窗对P 偏振分量具有100%的透过率，从而输出线偏光。 2、激光倍频 (1)非线性光学基础 极化强度矢量和入射长的关系为： (1)(2)2(3)3P E E E χχχ=+++ （1） (1)χ，(2)χ ，(3)χ，……分别是线性极化率，二阶非线性极化率，三阶非线性极化率……，且每加一次极化，χ值减小七八个数量级。在入射光场比较小的时候，(2) χ ，(3) χ 等极小， P 与E 成线性关系。当入射光场较强时，体现出非线性。只有在具有非中心对称的晶体中才 可以观测到二阶非线性效应。二阶效应可用于实现倍频、和频、差频和参量震荡过程。其中二倍频技术是最基本，利用最广泛的一种技术。本实验就是要观测倍频技术。 (2)相位匹配及实现方法 除了要光强比较大还要实现相位匹配，才可以获得好的倍频效果。由倍频转换率公式：
激光谐振腔模式研究的MATLAB 实现 光信1001班 刘吉祥 U201013222 摘要：谐振腔内的模式计算是分析激光器输出光束质量的前提和基础。本文在matlab 环境下，采用Fox_Li 数值迭代法计算了条形腔、矩形腔、圆形腔、倾斜腔的自再现模的振幅分布和相位分布，并比较了腔形、菲涅尔数、初始光强分布、倾斜扰动等因素对最终模式的影响，具有一定的实际应用价值。 1. 原理说明 设初始时刻在镜I 上有某一个场分布1u ，则当波在腔中经第一次渡越而到达镜II 时，将在镜II 上形成一个新的场分布2u ，场2u 经第二次渡越后又将在镜I 上形成一个新的场分布3u 。每次渡越时，波都将因为衍射损失一部分能量，并引起能量分布变化，如此重复下去……由于衍射主要是发生在镜的边缘附近，因此在传播过程中，镜边缘附近的场将衰落得更快，经多次衍射后所形成的场分布，其边缘振幅往往都很小（与中心处比较），具有这种特征的场分布受衍射的影响也将比较小。可以预期：在经过足够多次渡越之后，能形成这样一种稳态场：分布不再受衍射的影响，在腔内往返一次后能够“再现”出发时的场分布，即实现了模的“自再现”。 光学中的惠更斯—菲涅尔原理是从理论上分析衍射问题的基础，该原理的严格数学表示是菲涅尔—基尔霍夫衍射积分。设已知空间任意曲面S 上光波场地振幅和相位分布函数为),(y x u '',由它所要考察的空间任一点P 处场分布为),(y x u ，二者之间有以下关系式： ??+=-S ik dS e y x u ik y x u ')cos 1()','(4),(θρπρ 式中，ρ为),(y x ''与),(y x 连线的长度，θ为S 面上点),(y x ''处的法线和上述连线之间的夹角，s d '为S 面上的面积元，k 为波矢的模。 本文采用Fox —Li 数值迭代法实现了条形腔、矩形腔、圆形腔、倾斜腔的自再现模的形成。 2. 实现方案 2.1条形腔 条形腔是一种理想模型，即一个方向有限长，而另一个方向上无限延伸的腔形，故只在长度有限的那个方向上发生衍射现象，迭代公式为一维的菲涅尔—基尔霍夫衍射积分：
《激光原理与技术实验指导书》实验报告 广东技术师范学院电子与信息学院
目录 仪器要求与安全保护 (2) 实验一、LD泵浦ND:YVO4固体激光器的基本概念与主要参数测量 (3) 实验二、LD泵浦ND:YVO4固体激光器光斑尺寸的测量 (12) 实验三、LD泵浦ND:YVO4固体激光器远场发散角的测量 (16) 实验四、声光调Q技术 实验五、HE－NE激光器谐振腔调节 (28) 实验六、HE-NE激光器的模式分析 (31)
仪器要求与安全保护 1、仪器安装在干燥、无灰尘、通风良好、远离热源和强（电）磁场的地方。 2、工作温度： 10～15o C 3、相对湿度：＜70% 4、工作电源： 220V±15% 50HZ 5、安全防护 （1）使用 He-Ne 激光器时，“+”，“-”（正，负）极不要插（接）错 （2）激光管的电流不要调的过高，否则容易击穿，烧毁管子。（最好接厂方给定的最佳电流） （3）激光出光后，眼睛不要直接直射观察激光点，否则容易损坏眼睛。 （4）He-Ne 激光管都是玻璃制品，易碎，小心轻拿轻放。调节螺钉不要拧的太紧。 6、日常维护 （1）外腔（或半内腔）激光管，外部活动的谐振腔，不要弄脏布儒斯特窗面，不要沾上灰尘否则不出光。 （2）激光管不要放在潮湿的地方，长时间不用时，最好隔几天点燃一次（特别是夏天）时间 20～30 分钟。 （3）半导体泵浦激光器实验装置应注意防潮，放置于比较干燥的地方。在不使用时请将仪器上盖盖好，端盖旋紧，防止灰尘进入仪器。 注意： 1激光对人眼睛有伤害，注意眼睛不要直接对着光源。 2激光器的电源电压上千伏，注意小心，不要触摸。
光学谐振腔的分类之一 腔内傍轴光线几何逸出损耗的高低：稳定腔、非稳腔、临界腔。 稳定腔：腔内傍轴光线经过任意多次往返传播而不逸出腔外的谐振腔。 非稳腔：腔内光线经过有限次往返传播后逸出腔外的谐振腔。 临界腔：能够保证截面平行于反射镜面的光束在反射镜间传播不逸出。 什么样几何形状的谐振腔？共轴球面腔的三个参数：腔镜的曲率半径R 1、R 2、腔长 L 需要满足什么样的条件呢？ 本节讨论光学谐振腔的稳定性条件。 1.共轴球面谐振腔的稳定性条件 光线在球面谐振腔内往返n 次的光学变换矩阵： = 往返n 次后光线的空间位置坐标与方向坐标： 如果在无论n 取多大值、任何值的情况下，An 、Bn 、Cn 和Dn 都是在一定范 围内的有限值，那么 和 就是有限值，只要反射镜的镜面横向尺寸足够大，就可以保证傍轴光线在腔内往返任意次、无限次而不会从侧面逸出。 从M n 的表达式中可以看出，角度 的大小对矩阵中的四个元素An 、Bn 、Cn 和Dn 起着决定性的作用。 和 取值大小，反映的是光线偏离光轴能力的大小，即造成激光几何 损耗的大小。 下面我们就分三种情况对 角的取值加以讨论，并希望能从中寻找出谐振腔的稳定性条件。 n n n n n A B M C D ??=?????? ? ???----???? ???)1sin(sin sin sin )1sin(sin sin 1n n D n C n B n A 1111n n n n n n r A r B C r D θθθ=+?? =+? ?n r n θn r n θ????? ??? ??? - --=+-=-=-=1212121222)21)(21() 11(24)1(221R L R L R L D R R R R L C R L L B R L A
全固体（腔内/腔外）激光倍频实验 一、实验目的和内容 1. 了解全固体激光器的特点， 学习工作物质的入射端面与输出镜构成的谐振腔的激光 器的调节； 2. 掌握“倍频”的概念，了解倍频技术的意义； 3. 基本掌握非线性晶体的长度，有效非线性系数，相位匹配因子对非线性转换效率的 影响规律； 4. 要求学生每人至少调节一次激光器，观察基频光1064nm 的输出情况，理解激光模式 的含义； 5. 调节非线性晶体，观察倍频光532nm 绿光的输出情况。 二、实验原理 非线性光学基础 光与物质相互作用的全过程，可分为光作用于物质，引起物质极化形成极化场以及极化场作为新的辐射源向外辐射光波的两个分过程。 原子是由原子核和核外电子构成。当频率为ω的光入射介质后，引起其中原子的极化，即负电中心相对正电中心发生位移r ，形成电偶极矩 r m e =， （1） 其中，e 是负电中心的电量。我们定义单位体积内原子偶极矩的总和为极化强度矢量P ， m P N =， （2） N 是单位体积内的原子数。极化强度矢量和入射场的关系式为 +++=3)3(2)2()1(E E E P χχχ （3） 其中χ（1），χ（2），χ（3），…分别称为线性极化率，二级非线性极化率、三级非线性极化率…，并且χ（1）>>χ（2）>>χ（3）…。在一般情况下，每增加一次极化，χ值减少七八个数量级。由于入射光是变化的，其振幅为E ＝E 0sin ωt ，所以极化强度也是变化的。根据电磁理论，变化的极化场可作为辐射源产生电磁波——新的光波。在入射光的电场比较小时（比原子内的场强还小），χ（2），χ（3）等极小，P 与E 成线性关系为P ＝χ（1）E 。新的光波与入射光具有相同的频率，这就是通常的线性光学现象。但当入射光的电场较强时，不仅有线性现象，而且非线性现象也不同程度地表现出来，新的光波中不仅有入射光波频率，还有二次谐波、三次谐波等频率产生，形成能量转移，这就是所谓的频率变换。这也是为什么在高强度的激光出现以后，非线性光学才得到迅速发展的原因。
He-Ne激光器与激光谐振腔实验指导书 浙江大学光电系 特别提示！！！ 1.He-Ne激光器的阳带有几千伏的高压，请注意安全！！！ 2.激光管为玻璃结构，易碎，特别是布氏窗结构，由多种玻璃构成，应避免受力和碰撞。 激光膜片是非常易损的光学元件，应绝对避免人手的触摸和剐蹭，必要的清洁请使用专用长 丝棉或脱脂棉结合干净的乙醚或丙酮轻轻擦拭。 一．实验内容与目的 本套实验装置的核心He-Ne激光器，采用的是一种半内腔结构，激光器的一个全反射镜与毛细管、储气套等做成一体，并在出厂前将全反射镜与毛细管调至垂直。而另一个半反射镜则被安装在一个精密二维调整架上，可灵活移动。 通过一准直光源调整激光管和半反射镜，使之产生激光。用激光功率计检测这束激光并进一步调整膜片使之达到最佳状态（功率最大）。观察光斑大小和光强分布。用扫描干涉仪观察其纵膜的频谱分布情况。调整工作电流，观察输出功率的变化。重复移动半反射镜并重新使之达到最佳状态，观察光斑大小和分布变化，记录功率，用干涉仪观察纵膜，比较前后变化，分析腔长对功率、纵膜、横膜、发散角、束腰、腔型的影响。 在激光管与半反射镜之间插入一可调损耗，使之与增益刚好达到平衡，通过对损耗的测量，求得激光管的增益。 通过实验，掌握激光调谐的原理和技巧，验证谐振腔理论和有关增益的概念，全面、深入地了解激光器的结构、特性、工作条件和相关理论。 二．实验设备 光学导轨、 准直光源（650nm 3.5mW半导体激光器）， 二维可调架， 小孔光栏屏， 激光管调整架（由两个二维调整架组成，可完成4个自由度的调整）， 半内腔氦氖激光管：波长6328nm，最大输出功率≥2mW， 激光电源：稳流，电流可调，范围4.5-8毫安 二维反射镜架：精密细牙调整螺钉（含硬膜半反射镜） 二维可调扩束镜： 激光功率计：3-1/2位数字表头，测量范围：200微瓦、2、20、200毫瓦、可调档, 含半导体激光电源。 显示屏：80毫米×100毫米 增益测量组件：三维可调
固体激光原理与技术综合实验 一、实验目的 1.掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法； 2.掌握固体激光器被动调Q的工作原理，进行调Q脉冲的测量； 3.了解固体激光器倍频的基本原理。 二、实验仪器 固体激光器实验箱（内含808nm泵浦源、耦合透镜、激光晶体、倍频晶体、调Q晶体、输出镜、导轨、功率计、防护眼镜、）、示波器 三、实验内容 1．808nm半导体泵浦源的I-P曲线测量 ①将808nm泵浦源固定于导轨的右端，将功率计探头放置于其前端出光口并靠近。 ②调节功率计调零旋钮，使读数归零。 ③调节工作电流从零到最大，依次记录对应的电源电流示数I和功率计读数P，并且画出I-P曲线图。 ④将半导体泵浦光源的电流调回至最小。 2．1064nm固体激光谐振腔涉及调整
①将650nm指示激光器固定在导轨左端，调节旋钮，使之照射到有段泵浦光源的中心。 ②将耦合镜组放置在光源左边并靠近，调节旋钮，使指示激光束照射到耦合镜组中心，且反射的指示激光束返回到出光口。 ③将激光晶体放置在耦合镜组前，调节前后位置，使泵浦光源的聚焦点能够打在晶体中间，再调节旋钮，使反射的指示激光束返回到出光口。 ④将1064nm的激光输出镜放置在激光晶体前，镀膜面朝向晶体，距离为50mm左右。调节旋钮，使反射的指示激光束返回到出光口。慢慢调高泵浦光功率至800mA时，使用红外显示卡观察是否可以看到1064nm的激光点。如果没有，微调输出镜的俯仰旋钮，直至出光，关闭指示激光。 3．1064nm固体激光器模式观测及调整 ①固定一个输出镜和腔长，将功率计放置在导轨左端，使激光点打到功率计中心。 ②观察功率计读数，通过调整输出镜、激光晶体、耦合镜组的旋钮和激光晶体的前后，使功率计示数最高，确保激光谐振腔此时处于相对最佳状态。 ③调节工作电流从阈值到最大，依次记录对应的电源电流示数I 和功率计读数P，填入下表。 ④根据实验1的测试数据，拟合出1064nm固体激光输出的I-P
激光原理与技术实验 YAG 多功能激光实验系统光路图 实验内容 一、固体激光器的安装调试 1、安装激光器。 2、调整激光器，使输出脉冲达最强 二、激光参数测量 1、测量自由振荡情况下激光器的阈值电压。 2、测量脉冲能量和转换效率。 3、测量光束发散角。 三、电光调Q 实验研究 1、调整Q 开关方位，寻找V λ/4 。 2、确定延迟时间。 3、测试动静比。 四、倍频实验 1、测量倍频光能量与入射角的关系。 2、倍频效率的测量。 五、激光放大实验 1、放大器放大倍率测量。 2、放大器增益测量 3、最佳时间匹配测量。 M 1 脉冲氙灯 脉冲氙灯
第一章 习题 1、请解释 （1）、激光 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 辐射的受激发射光放大 （2）、谐振腔 在工作物质两端各放上一块反射镜，两反射镜面要调到严格平行，并且与 晶体棒轴垂直。这两块反射镜就构成谐振腔。谐振腔的一块反射镜是全反射镜， 另一块则是部分反射镜。激光就是从部分反射镜输出的。谐振腔的作用一是提 供光学正反馈，二是对振荡光束起到控制作用。 （3）、相干长度 从同一光源分割的两束光发生干涉所允许的最大光程差，称为光源的相干 长度，用?Smax 表示，相干长度和谱线宽度有如下关系： ?Smax = λ2 / ? λ 光源的谱线宽度越窄，相干性越好。 2、激光器有哪几部分组成？ 一般激光器都具备三个基本组成部分：工作物质、谐振腔和激励能源。 3、激光器的运转方式有哪两种？ 按运转方式可分为： 脉冲、连续 ，脉冲分单脉冲和重复脉冲。 4、为使氦氖激光器的相干长度达到1km ，它的单色性?λ/λ应为多少？ 109max 10328.61016328.0-?=?==?m m S μμλλ λ 第二章 习题 1、请解释 （1）、受激辐射 高能态E 2 的粒子受到能量 h ν = E 2 - E 1 光子的刺激辐射一个与入射光子一模 一样的光子而跃迁到低能级 E 1 的过程称受激辐射. （2）高斯光束 由凹面镜所构成的稳定谐振腔中产生的激光束即不是均匀平面光波，也不 是均匀球面光波，而是一种结构比较特殊的高斯光束，沿 Z 方向传播的高斯光 束的电矢量表达式为：
实验七Nd：YVO4激光器的搭建及倍频实验 一.实验目的 1. 学习固体激光器的搭建，熟悉不同腔型、不同温度下激光输出功率的差异。 2.了解光在非线性材料中的非线性极化及倍频过程中的有效非线性系数计算。 3.熟悉倍频过程中的角度相位匹配、温度相位匹配方法。 4.熟悉激光倍频晶体的调节及倍频效率的测量。 二.实验原理 7.1Nd:YVO4激光器的搭建 本实验提供半导体激光器温控驱动电源和激光系统两部分。驱动电源主要用于半导体激光器的电流驱动和温度控制。电源使用细节及步骤如下： 1. 用“Current Set”电流时，因为用的是2W的LD, 所以调节电流时显示的电流值最大不要超过2A。在不制冷情况下, 电流的调节最大值会相应的减小, 因为要是室内温度比较高的话电流还没有达到最大值时系统也有可能过热报错。 2. 电源电流和TEC热敏电阻值的切换按钮为后面板的“5，电源表头显示选择开关”，拨到“Cur”，前面板显示的是电流值，如拨到“Rt1”前面板显示的是TEC1的热敏电阻值，拨到“Rt2”前面板显示的是TEC2的热敏电阻值，此值可以通过热敏电阻与温度的换算表换算为具体的温度；“TTL”调制方式开关一般不用。 3. 先开电源开关（ON），缓慢调节“Current Set”电流按钮直至所需的电流值，工作中如果“Error，过热保护指示灯”显示红灯时，请立即把“Current Set”电流按钮逆时针调到最小并关闭电源按钮（OFF），休息半小时后再工作。每次关闭电源开关前都要把电流调节到最小。 4. 控温电流调节电位器（边上的延伸调节钮），是用来调节制冷电流值，并通过热敏电阻显示的阻值，转化为具体的控制温度，可以通过调节此旋钮实现对TEC温度的控制。每次关闭电源开关前, 控温电流调节电位器也要逆时针调节至最小。(其初始都是在最小的位置)
1. 固体激光器的基本结构与工作物质 固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。图7.1.1是长脉冲固体激光器的基本结构示意图(冷却、滤光系统未画出)。 固体工作物质是固体激光器的核心。影响工作特性的关键是工作物质的光谱特性。最常用的是红宝石和掺Nd 3+激光器。 1) 红宝石激光器 工作物质为Al 2O 3＋Cr 2O 3，Cr 3＋决定光谱性能，从红宝石中铬离子的能级结构图（7.1.2）红宝石激光器为三能级系统，激光谱线：0.6943μm+0.6929μm ；0.6943μm 占优势。泵浦源为脉冲氙灯。由于固体激光器的工作物质是绝缘晶体，所以一般用光泵浦源激励。 优缺点：阈值高、温度效应非常严重、室温下不适于连续和高重复率工作。 图7.1.1 固体激光器的基本结构示意图 图7.1.2 红宝石中铬离子的能级结构
2) Nd 3＋ :YAG 激光器 突出优点：阈值低和具有优良的热学性质，这就使得它适于连续和高重复率工作。 Nd 3＋:YAG 是目前能在室温下连续工作的唯一实用的固体工作物质，在中小功率脉冲器件中，特别是在高重复率的脉冲器件中，目前应用Nd 3＋:YAG 的量，远远超过其它固体工作物质。可以说， Nd 3＋:YAG 从出现至今，大量使用，长盛不衰。 工作物质:将一定比例的A12O 3、Y 2O 3，和Nd 2O 3在单晶炉中进行熔化结晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是钕离子(Nd 3＋)， YAG 中Nd 3＋与激光产生有关的能级结构如图7.1.3所示。它属于四能级系统。 2. 固体激光器的泵浦系统 1) 固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。泵浦光源应当满足两个基本条件。 2) 常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，因而固体工作物质一般都加工成圆柱棒形状，所以为了将泵浦灯发出的光能完全聚到工作物质上，必须采用聚光腔。 3) 图7.1.4所示的椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采用的聚光腔，它的内表面被抛光成镜面，其横截面是一个椭圆。 4) 固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤光。常用的冷却方式有液体冷却、气体冷却和传导冷却等，其中以液冷最为普遍。 5) 泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件滤去泵浦光中的紫外光谱。 图7.1.3 Nd 3＋ :Y AG 的能级结构
实验一：He-Ne 激光器谐振腔调整和激光特性的测量 一、实验目的： 1.了解He-Ne 激光器的构造。 2. 观察并测量He-Ne 激光器的功率、发散角等特性参数。 3. 调整谐振腔一端的反射镜，观察谐振腔改变后He-Ne 激光器性能参数的变化。 4. 了解外腔He-Ne 激光器的偏振态。 5. 通过光栅方程来验证He-Ne 激光的波长。 二、实验内容： 1. He-Ne 激光器发散角测量 由于远场发散角实际是以光斑尺寸为轨迹的两条双曲线的渐近线间的夹角，所以我们应延长光路以保证其精确度，此时需要在前方放置反射镜。可以证明当距离大于 λ ωπ2 7时所测的全发散角与理论上的远场发散角相比误差仅在1%以内。 （1）确定和调整激光束的出射方向，放置一个反射镜来延长光路。 （2）在光源前方L1处用光功率计检测，在与光轴垂直的某方向延正负轴测量并绘出光功率/位移曲线。 （3）由于光功率/位移曲线是高斯分布的，定义Pmax/e2为光斑边界，测量出L1位置的光斑直径D1。 （4）在后方L2处用光功率计同样测绘光强/位移曲线，并算出光斑直径D2。 （5）由于发散角度较小，可做近似计算，θ2=D2-D1/L2-L1,便可以算出全发散角2θ。 2 .利用光栅方程验证波长。 He-Ne 激光器的波长是623.8nm, 通过光栅方程可以验证激光器的波长值。 观察衍射图样，统计出衍射级数j 。 根据三角公式，计算出衍射角θ。 由于光栅常数d 已知，根据光栅方程可以计算出激光波长。 ) ,2,1,0(sin ±±==j j d λ θ 1. 观察He-Ne 外腔激光器模型，了解各部分构造及工作原理。He-Ne 激光器的组成包括有：共振腔（由放电毛细管和反射镜组成）、工作物质（有氦氖气体按一定比例组成）、放电电源（通常多采用直流高压电源）。当氦氖激光器的电极上加上几千伏的直流高压后，管
激光谐振腔 摘要：本实验通过对He-Ne激光器的调节加强学生对激光谐振腔以及相关知识的理解，熟悉和掌握激光器调节的原理和技巧。 关键词：光模式；谐振腔；He-Ne激光器 Laser resonator Duo Wang (School of Science, BUPT. Beijing, 100876) Abstract:In this study, through the regulation of the He-Ne laser to enhance students' understanding of the laser resonator and knowledge and master the principles and techniques of laser adjustment. Keywords:Light mode; Resonator; He-Ne laser 自1960年激光器问世以来，作为一种新光源，激光器具有光束发散角小、亮度高、单色性和相干性好的特点。He-Ne激光器是一种应用很广的典型激光器件，它是由（1）起放大作用的工作物质；（2）具有选频（或者说滤波）和正反馈作用的光学谐振腔；（3）激励能源等三部分组成。激光模式的研究对激光器研制和激光应用技术都有很大意义。 1 实验原理 1.1谐振腔和纵模频率 由两块互相平行的平面反射镜组成的平行平面腔是一种典型的光学谐振腔。其原理如图1所示。 图 1 平行平面腔示意图 平行于轴线传播的平面波A在两反射镜间经过偶数次发射后得到光波B、C……，这些光波和A叠加在一起，根据干涉现象的原理，A、B、C等只有当它们的相位相同是才能互相加强，腔内才能发生“谐振”，最后才能形成激光。设谐振腔长度为L，腔内工作物质的折射率为μ，光波的频率为ν，相应的真空中波长为λ0=cν，式中c是真空中的光速。工作物质中的波长为λ=cμν，于是可得平行平面腔的谐振条件为 L=Nλ 2 =Nλ0 2μ （1）式中N是整数。上式也可写作 ν=N c 2μL （2）在工作物质的增益及腔镜反射率都不随频率改变的理想情况下，只考虑谐振腔的正反馈（靠反射镜实现）及谐振选频作用，由（2）式可得到如图2所示的一些列等间隔的频谱线，每种谐振频率的光振荡成为一种模式。 图2 腔的谐振频率示意图 图2中相邻亮谱线频率间隔Δν 由谐振
实验三激光倍频实验 一．实验目的和内容 1、半导体泵浦0.53μm绿光激光器由于其具有波长短，光子能量高，在水中传输距离远和人眼敏感等优点。效率高、寿命长、体积小、可靠性好。近几年在光谱技术、激光医学、信息存储、彩色打印、水下通讯、激光技术等科学研究及国民经济的许多领域中展示出极为重要的应用, 成为各国研究的重点。 2、半导体泵浦0.53μm绿光激光器适用于大学近代物理教学中非线性光学实验。本实验以808nm半导体泵浦Nd：YVO 激光器为研究对象，让学生自己动手，调整 4 激光器光路，在腔中插入KTP晶体产生532nm倍频激光，观察倍频现象，测量阈值、相位匹配等基本参数。从而对激光技术有一定了解。 二、实验仪器 1．808nm半导体激光器≤500mW 2．半导体激光器可调电源电流0～500mA 3．Nd:YVO 晶体 3×3×1mm 4 4．KTP倍频晶体 2×2×5mm 5．输出镜（前腔片）φ6 R=50mm 6．光功率指示仪 2μW～200mW 6挡 三、实验基本原理 光的倍频是一种最常用的扩展波段的非线性光学方法。激光倍频是将频率为ω的光，通过晶体中的非线性作用，产生频率为2ω的光。 当光与物质相互作用时，物质中的原子会因感应而产生电偶极矩。单位体积内的感应电偶极矩叠加起来，形成电极化强度矢量。电极化强度产生的极化场发射出次级电磁辐射。当外加光场的电场强度比物质原子的内场强小的多时，
物质感生的电极化强度与外界电场强度成正比。 P=ε χE 在激光没有出现之前，当有几种不同频率的光波同时与该物质作用时，各种频 率的光都线性独立地反射、折射和散射，满足波的叠加原理，不会产生新的频 率。 当外界光场的电场强度足够大时（如激光），物质对光场的响应与场强具有非线性关系： P=αE+βE2+γE3+… 式中α，β，γ，…均为与物质有关的系数，且逐次减小，它们数量级之比为 其中E 为原子中的电场，其量级为108V/cm，当时上式中的非线性项 E2 、E3 等原子 均是小量，可忽略，如果E很大，非线性项就不能忽略。 考虑电场的平方项 出现直流项和二倍频项cos2ωt，直流项称为光学整流，当激光以一定角度入射到倍频晶体时，在晶体产生倍频光，产生倍频光的入射角称为匹配角。 倍频光的转换效率为倍频光与基频光的光强比，通过非线性光学理论可以得到：