黄昌龙脉冲固体激光器的研究闫向红.doc

中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩：
班级： 应用物理学10—1 姓名： 黄昌龙 同组者： 杨大鹏 教师： 闫向宏

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
激光器是根据激光产生的机制而设计的。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，一方面必须运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。粒子数反转分布的条件是
(6-1-1)
式中一下能级的粒子数密度；
一上能级的粒子数密度；
一下能级和上能级的记录权重。
YAG脉冲固体激光器采用掺钕钇铝石榴石（YAG：Nd3+）作为工作物质，它具有四能级系统，其简化能级图如图6-1-2所示。
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。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。触发器接通后，立即发出一个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，处在基态的粒子向高能级跃迁，比如跃迁到能级上。在此能级上的粒子寿命较长，故称为亚稳态。由于光泵系统的不断泵浦，泵浦到一定限度时，激发到高能级上的粒子数比在它下面的能级上的粒子数还多了，实现了粒子数的反转。当粒子跳回低能级上时发光。比如在实现、、的能级间的跃迁时，产生中心波长约为、和的荧光谱线。在通常的条件下，以的荧光谱线为主。
为了提高氙灯光能的运用率，要把氙灯和工作物质一起装在聚光腔内。聚光腔一般做成椭圆或圆柱形，也有双椭圆或球形的，内表面镀银或镀金，并精密抛光。为了利于散热和减少有害的紫外线辐射，灯和工作物质棒通常装在玻璃套管内，套管内充以0.3％的重铬酸钾水溶液。
3、光学谐振腔
为了满足产生激光的阈值条件，即要使光在谐振腔中来回一次在激活介质中所获得的增益足以补充由各种因素所导致的光的损耗。在忽略介质内部损耗的情况下，阈值条件为
(6-1-2)
式中：一谐振腔两端反射镜的反射率（涉及反射镜的吸取，透射和衍射损失）；
—激活介质的长度；
G—激活介质的增益系数，定义为：
(6-1-3)
即频率为ν的单色光在激活介质中传播单位距离所增长的光强的比例。
谐振腔除了导致高的光子密度，满足激光的阈值条件外，还起到了选择作用，即只有光在垂直腔镜的多次反射下才干输出激光，所以激光的方向性好，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
输出特性曲线是指激光器的输出能量与输入能量之间的关系曲线。见图6-1-3。
当改变激光电源中储能电容的充电电压或电容时，就得到了不同的输入能量，其大小由下式计算
（6-1-4）
式中C为储能电容器的电容，单位为，为充电电压，单位为V，为电容器放电后的剩余电压值。输入能量的单位是J。

激光器的输出能量由能量计读出。由图6-1-3可知，对于每一台激光器，都存在着一个最小能量值，当输入激光器的能量等于或小于时，激光器停止振荡，叫做激光器的光泵能量阈值，这是指已调好的激光器可以正常输出激光所需要的最小输入能量值。
对于输出特性曲线上的每一个点，都相应一个输出能量与输入能量的比值，用来表达，叫做激光器的绝对效率，具体表达为
（6-1-5）
对于不同的点，的值是不同的。
在输出特性曲线上，有一直线区间，它表达激光器在这一区间工作时，其输出能量与输入能量的变化成比例，通常引人斜效率来描写这一特性。即
（6-1-6）
A、B为直线部分上的任意两点。
曲线与输出特性曲线的相应关系如图6-1-4所示。
测定一台激光器的和对于了解该激光器的性能，掌握它的最佳工作参数，改善激光器的设计，都是故意义的。
2、发散角
激光束虽有极好的方向性，但也不是绝对严格的平行，即使是抱负的平行平面谐振腔，由于输出的是有限宽度的平面波，也因衍射效应而使光束具有一定的发散性。因而在光束的传播过程中，光束的横截面将越来越大，其发散度可用图6-1-5所示的平面发散角（或立体发散角）描述。激光束发散角的大小是判断光束方向性优劣的一个重要参数。
按照几何光学原理，严格的平行光束在消像差透镜L的像平面上将形成一无穷小的像点；然而具有发散角的光束在透镜像平面上则形成一圆形光斑，如图6-1-6所示，相应光斑的直径D由下式拟定：
(6-1-7)

式中为透镜的焦距，显然，若将照相机物镜先调焦于无穷远，再对欲测定其发散角的激光束拍摄一照片，测出底片上摄得的激光圆斑的直径，即可由（6-1-7）式计算其发散角。
固体激光器的发散角为“毫弧度”数量级，并且固体激光器的能量较强，上述测发散角方法中的拍摄照片的底板可以改用黑色相纸。即在激光器前面适当位置放一长焦距（>100mm）透镜，而在它的焦平面上放置一张黑色相纸，发射一个激光脉冲，在相纸上就出现一个聚焦后的烧蚀斑点。测出其直径D，就可算出发射角。测量发散角装置如图6-1-7所示。
【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】
1、调整激光器的谐振腔

激光器已经调节好封装，放在黑盒内，我们只需打开开关。并且可以达成如图6-1-7所示的状态，激光器、焦距透镜、屏的中央在一条直线上。这时，激光器已进入工作状态。将氙灯的电极与激光电源背后的输出接线往相连，并接通触发高压。在激光器的输出端放入一张黑色相纸，启动电源，按下“充电”按钮，选择适的充电电压，然后按“触发”按钮，此时在黑色相纸上如能打出一个烧蚀斑，即表达已有激光输出，如打不出烧蚀斑，则也许是激光太弱，可适当加大输入能量（不能过高）再试，若仍打不出烧蚀斑，就需要重新检查激光器是否调好。假如调整比较好，应当打出与棒的直径相仿的均匀的烧蚀斑。当然，对烧蚀斑的分析是复杂的，它不仅取决于谐振腔调节的精度，还取决于工作物质的光学均匀性及发光离子的分布情况等。并不是所有激光器总能调成一个圆形的烧蚀斑，因此，在实验中，烧蚀斑只要近似圆形就算基本上可以工作了，并且，在打烧蚀斑过程中，也可以再微调输出镜，使其输出达成最大。
2．测量输入、输出能量
激光器处在工作状态后，就可以用能量计来测量输出激光能量了。充电电压可以从900V或950V开始，逐次下降，每隔50V测一个点，分别计算输入能量、输出能量，认为横坐标、为纵坐标，画出一曲线，从而计算出绝对效率和斜效率，并画出一及一曲线。
3、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，用公式算出发散角。数据表如下：
【实验数据记录及解决】
1、 输入、输出能量的测量
对记录的原始数据解决得到表6-1-1，根据公式6-1-5，计算绝对效率，运用表6-1-1中的数据作一曲线，对曲线进行拟合。得拟和曲线的曲线方程为
=0.996-0.174 (6-1-8)
由曲线拟合能更准确的得到斜效率=0.996。作、一的曲线如图 6-1-10。一曲线如图 6-1-11。

图6-1-9 一曲线及其拟合曲线

图6-1-10 、一的曲线

图6-1-11 一曲线
2、测量发散角
表6-1-2 发散角的测量
透镜焦距f/mm

光斑直径D/mm
纵
横
纵
横
纵
横
平均
1.629
2.130
1.671
2.379
1.511
2.187
1.918
发散角

==0.0123rad
【实验心得及问题】
这是我们做的第一个近代物理实验，通过做实验，结识到近代物理实验和普通物理实验的不同。近代物理实验要比普通物理实验高深、可以锻炼同学们多方面的能力，一方面是对自己刚学习的知识的结识更加进一步，例如原子物理，可以理论联系实际的学习；此外，可以提高我们运用各种软件的能力，实验报告的解决需要多种软件；尚有，锻炼我们的合作精神，亓老师说，每个实验单单靠一个人是无法完毕的，必须要几个人合作才可以完毕，彼此之间需要合作。
此外，实验中我们碰到了一个问题，在讲解的过程中，我们对原理的结识出现了偏差。
通过和老师的共同就交流，我们知道了我们的错误，明白了对的的理论，我觉得这个讲解的过程是非常有必要的，不仅可以锻炼同学们的表达能力和逻辑思维，还可以找到同学们理解上的错误，改正同学们的错误理解，让同学们在理解上有所进步。
【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！
2、激光器工作时，切不可将眼睛对着输出镜，否则会严重烧伤眼睛，导致不可挽救的后果。
3、He一Ne激光器完毕辅助调节任务后，即应关闭，然后再试固体激光器的激光输出。
【原始数据附录】
表6-1-3 原始数据
工作物质 YAG-Nd3+
储能电容C/F
200

充电电压U入/V
剩余电压U/V
最大能量/mJ
最小能量/mJ
输出能量E出/mJ
输入能量E入/mJ
880
75
1254
12
1242
76.8775
70
1229
3
1226
76.95
75
1233
4
1229
76.8775
75
1229
5
1224
76.8775
75
1235
5
1230
76.8775
平均值

/
/
1230.2
76.892
850
70
1155
6
1149
71.76
70
1141
3
1138
71.76
65
1159
3
1156
71.8275
65
1136
4
1132
71.8275
65
1145
4
1141
71.8275
平均值

/
/
1143.2
71.8005
800
65
1025
6
1019
63.5775
60
1024
3
1021
63.64
60
1025
3
1022
63.64
60
1030
3
1027
63.64
60
1023
3
1020
63.64
平均值

/
/
1021.8
63.6275
750
65
882
3
879
55.8275
55
887
3
884
55.9475
55
893
3
890
55.9475
55
895
3
892
55.9475
55
882
3
879
55.9475
平均值

/
/
884.8
55.9235
700
60
730
7
723
48.64
55
736
3
733
48.6975
55
743
3
740
48.6975
55
743
3
740
48.6975
55
746
3
743
48.6975
平均值

/
/
735.8
48.686
650
55
600
2
598
41.9475
55
599
3
596
41.9475
55
607
3
604
41.9475
55
603
3
600
41.9475
55
607
3
604
41.9475
平均值

/
/
600.4
41.9475
600
50
444
2
442
35.75
55
468
3
465
35.6975
55
464
3
461
35.6975
55
463
3
460
35.6975
55
466
3
463
35.6975
平均值

/
/
458.2
35.708
550
50
339
10
329
30
55
340
3
337
29.9475
55
338
3
335
29.9475
55
350
3
347
29.9475
55
340
3
337
29.9475
平均值

/
/
337
29.958
500
50
246
2
244
24.75
55
244
3
241
24.6975
55
243
3
240
24.6975
55
241
3
238
24.6975
55
248
3
245
24.6975
平均值

/
/
241.6
24.708
450
50
139.6
1.8
137.8
20
50
140.5
2.6
137.9
20
50
143.1
2.8
140.3
20
50
139.3
3
136.3
20
50
135.9
3.2
132.7
20
平均值

/
/
137
20
400
50
61.6
2.1
59.5
15.75
50
50.7
3.3
47.4
15.75
50
54.8
3.2
51.6
15.75
50
56.9
3.6
53.3
15.75
50
56.7
3.6
53.1
15.75
平均值

/
/
52.98
15.75
350
50
11.63
2.56
9.07
12
50
12.42
2.52
9.9
12
50
11.25
2.75
8.5
12
50
11.94
2.6
9.34
12
50
12.42
2.68
9.74
12
平均值
50
/
/
9.31
12

【参考资料】
1、周炳琨，激光原理，北京：国防工业出版社，1995.
【附录6-1-1】
PE—1型能量计使用说明
PE—1型能量计是专为物理实验室设计的激光脉冲能量测试装置。它由光电转换头、数字显示两部分组成。重要性能：
（1）通光口径30mm。
（2）最大探测能量为2023mJ，其分三个量程：20mJ、200mJ、2023mJ。
（3）具有保持功能，可保持该次测量光脉冲能量的最大值。
（4）电源为50Hz、200V±10％、功耗10VA。
（5）具有对电网峰涌的抗干扰装置。
仪器的面板如图6-1-9所示。
仪器的操作顺序为：
（1）打开光电转换头端盖，使激光输出对准光电转换头小孔的中央，并呈垂直位置。
（2）按下电源钮，数码管应有显示。
（3）根据激光输出能量的大小，按下合适的量程按钮，假如无法估计其大小，则按下最大量程钮2023，然后根据测量结果再换用合适的量程。
（4）松开保持钮，调节调零钮，使数码管显示为一000。
（5）按下保持钮，这时假如数码显示不为-000，则用按动复位钮，这时数码管可显示为-000。假如数码管仍不显示为-000，可反复放开保持→调零→按下保持钮→按动复位直至显示为-000（或具有一个很小的数值如001～005，则可不必再调节，只要在测量结果中减去初始值即可）。
（6）操作激光电源使激光器输出激光，这时显示屏上显示的数字即为该次测量的光脉冲能量。
（7）一次测量完毕后，可不断的按动复位钮，使显示回复至-000，即可进行下次测量。注意：要完全回复至-000，也许需要很长的时间，故有时为简朴起见，待数字回复到001～005时，即可进行下次测量。测量结果应为显示值减去初始值。
注意：
（1）小量程的数字也许跳动比较频繁，这是正常的。但假如发现在调零时跳动不断，则转换头与仪器的连接线未接好，应仔细检查。
（2）转换头与仪器之间的连接必须注意十、一，不能接反。

【附录6-1-2】
MG—1固体激光器使用说明
MG—1脉冲固体激光器是专为物理实验室设计的仪器，它与PE-1型能量计，发散角测量装置等配套使用可完毕固体激光器输出特性、发散角测量、谐振腔调试等实验。该仪器略加扩充可以进行Q开关激光器、光脉冲的观测、谐振腔腔型的研究等中级物理实验。由于它具有操作简便、性能稳定可靠、使用寿命长等特点，深受师生欢迎。
MG—1脉冲固体激光器由两部分组成：①器件部分；②电源及激励系统。现分述如下：
①器件：
固体激光器器件由工作物质YAG: Nd+3、脉冲氙灯（掺铈）、聚光腔及一对反射镜组成，结构如图6-1-10所示：
其参数为：全反镜：曲率半径为3米的四周镜
输出镜：T＝64％的平面镜
氙 灯：规格为7*70
工作物质：6*65 YAG: Nd+3
最大输出能量：＞500mJ
②电源及激励系统：
激光器电源重要是为储能电容C充电，使电容C储存所需的能量，然后由激励系统控制氙灯点燃，使此能量通过氙灯释放形成高强度的光，照射工作物质以实现粒子数反转分布，最后通过谐振腔中的光子震荡获得激光的能量输出。
其参数为：输入电压：220V±10％、50HZ交流
电压调节范围：直流 600V～950V
电压表（由表改装）的最小分度值：50V
储能电容C：200F
本电源所用的储能电容其标称电压为1000伏，因此充电时特别注意电压不宜超过此限值，为此电路中采用了限压保持装置。当电容器的充电电压超过980伏（约）时发出间歇的声响（系继电器的触点跳动），自动切断高压变压器的输入交流电压，以保证电容器工作在电容器的限值电压1000V以下。电源面板如图6-1-11所示：
其操作顺序为：按下电源，电源指示灯亮，→按下充电钮，充电指示灯亮，电压指示表针转动，直到指针到达所需之电压（表面读数×10伏）释放充电钮，→按下触发钮，这时氙灯点燃，假如谐振腔已调好，则有激光输出。为使充电电压准确达成所需之电压值，在按动充电钮时可采用轻触方式，即按一下放一下。假如在工作过程中，按动触发钮，氙灯不燃，这时可关闭电源，电容器所充电压就可通过泄放电阻泄放，务必待泄放完（表针退到0位）才干检修。