激光原理与技术实验参考书

激光原理与技术实验参考书内容摘要：

  HLSSHLPsssS 2322 2121   （ 16） 因此， 32 SS HLPS  （ 17） 于是 3333221221SSSS IPnHL PPnn   （ 18） 式中， HLPI ss  称为超声强度。 将（ 18）式代入（ 14）式，便得到 衍射效率  ssSis IMLIPnLII 22326212s in2s in  (19) 或者   sis PMHLII221 2s in  (20) 式中 ，是声光介质的物理参数组合，是由介质本身性质决定的量，称为 声光材料的品质因数（或声光优质指标） ，它是选择声光 介质的主要指标之一。 从（ 20）式可见：（ a） 若在超声功率 PS一 定的情况下， 欲使 衍射光强尽量大，则要求选择 M2大的材料，并要把换能器做成长而窄（即 L 大 H 小）的形式； (b)当超声功率 PS 足够大，使  sPMHL 22达到 2 时， %1001 iII ；（ c） 当改变超声功率 Ps 时， I1/Ii 也随之改变，因而通过控制超声功率 PS（即控制加在电声换能器上的电功率）就可以达到控制衍射光强的目的，实现声光调制。 三、实验 仪器 光学导轨， HeNe 激光器及电源，驻波声光调制器及其驱动源，可变光阑，声光调制器，透镜，观察屏， 光强分布测量系统， 光电接收器，示波器， 支架若干。 四、实验 内容与 步骤 （一）超声驻波场中光衍射的实验观察 1．按照图 7 塔好光路； 2．开启激光电源，点亮激光器； 3．令激光束垂直于声光介质的通光面入射，观察屏上的光点，可观察到三个光点，它们分别由透射光以及声光介质两个通光面反射并进一步经激光器输出镜反射的光线形成，如图 8 所示，当此三个光点在观察屏上处于与声传播方向相同的一条直线上即可，这时可认为入射光已垂直于声 传播方向。 (但如果反射回来的光又进入激光器，会引起激光器工作不稳定。 ) 3262 / svPnM 11 4．开启声光调制器驱动源，观察衍射光斑，同时调节阻抗匹配磁芯，令衍射最强，观察衍射光斑形状。 5．改变声光调制器的方位角，观察不同入射角情况下的衍射光斑。 【思考题】 为什么入射角增大衍射光斑数目减少 ? （二） 观察超声驻波场的像，测量声波的传播速度。 1． 在图 9 中移开透镜， 重复 实验内容 (一 )的步骤，令观察屏上的衍射光点最多。 2． 如图 9 安上透镜 和光阑 ，改变透镜与调制器之间的位置，用光阑限定声光调制器前表面入射光斑的尺寸。 3． 当入射光 充满通光面时，数出衍射条纹的数目 N，利用下式计算声光介质中的声速 Ⅴ。 V=df/2N 式中 d= 是光斑直径， f=10MHz 为超声波的频率。 【思考题】 推导声速测量公式。 （ 三 ） 超声驻波衍射光强的测量 衍射效率 12 1． 如图 10 搭好实验仪器， 重复实验 内容 （ 一 ） 的步骤，令观察屏上的衍射光点最多。 2． 移开观察屏，用激光功率计测出入射光强 0I 3． 利用光阑分别让 0，  1，  2，  3„级衍射光打到激光功率计的光敏面上，测出 各级衍射光的强度 mI ， 衍射效率为 0IImm 4． 改变驱动电压，测出对应的衍射效率，作出 各级光的 衍射效率与驱动电压的关系曲线。 （ 四 ） 衍射光强分布的测量 光栅常数 如图 11 搭好实验仪器， 重复实验 内容（ 一 ） 的步骤，令观察屏上的衍射光点最多。 将光强分布测量系统置于导轨另一端。 用适当的光 阑 测量 各 点上的光强，绘出光强分布曲线。 读出声光调制器距光 阑 的距离。 利用光栅公式求出光栅常数。 并与实验 内容（ 二 ） 进行比较，求出声波传播速度。 激光波长 635nm。 （ 五 ） 衍射光强波形的测量 13 1． 重复实验 内容（ 一 ） 的步骤，令观察屏上的衍射光点最多。 2． 如图 12，用 光电接收器分别接收不同级衍射光，改变驱动功率，用示波器观察调制光强波形。 3． 分析驱动功率与衍射光强波形的关系。 【思考题】 试分析在什么条件下，衍射光强可获得最好的 2 倍声频调制。 14 实验三 Nd： YAG 激光器调腔实验 一、实 验目的 掌握固体激光器的装配和调试方法； 熟悉脉冲固体激光器的主要性能； 学会选取最佳输出耦合条件。 二、实验原理 1． Nd3+： YAG（掺钕钇铝石榴石）晶体的光谱及物化特性： Nd3+： YAG 晶体是以钇铝石榴石晶体（简称 YAG，分子式为 Y3 Al3O12）为基质，掺杂适量的三价稀土元素钕离子（ Nd3+）构成的，其中 Nd3+置换 YAG 中的部分钇离子（ Y3+），晶体呈淡紫色。 Nd3+是激活离子，从提高工作物质的增益来看，其浓度应越大越好，但由于Nd3+的半径（ A ）大于 Y3+的半径（ A ），将 Nd3+掺入 YAG 中有结构上的困难，其浓度过大会造成材料的缺陷，因此 Nd3+的掺杂浓度通常严格控制在 %~%。 一般 Nd3+的含量为 1%左右（即 100 个 Y3+中约有一个被 Nd3+所取代），即 Nd3+的密度约为 1020cm3。 Nd3+： YAG 属于立方晶体系，是各向同性晶体，在实际生产过程中是将 Al2OY2O3 和 Nd2O3 按一定比例放入单晶炉中溶化，沿着籽晶 [111]或 [001]方向拉制而成的。 Nd3+：YAG 的物理和化学性质主要取决于 YAG 的性质，具有良好的导热性能和很大的硬度。 Nd3+： YAG 的激活离子 Nd3+的能级图如图 1 所示。 在常态下 4I9/2 为基态， 4F7/2+4S3/2，4F5/2+2H9/2，4F3/2等为激发态， Nd3+处在 4I11/2 和4I13/2 的离子数近于零。 Nd3+： YAG 的吸收谱如图 2 所示。 它有五条主要吸收带，这些吸收带的中心波长分别是 m、 m、 m、 m 和 m，其中 m 的吸收带较强。 在各激发态中， Nd3+在 4F3/2能级上 的寿命较长（约 230μ s），称之为亚稳态，也是激光的上能级。 Nd3+其余的激发态的寿命都很短，而不稳定，迅速地无辐射跃迁到 4F3/2 上，故在亚稳态上能够积累更多的粒子。 在实现激光跃迁时主要有三条谱线： 4F3/2→ 4I9/2 的中心波长为 μ m， 4F3/2→ 4I11/2为 m， 4F3/2→ 4I13/2 为 m 和 m。 4I11/2 和 4I13/2 能级上的粒子很不稳定，很快驰豫到基态 4I9/2上，故在 4I11/2 和 4I13/2 上的粒子数基本上为零。 因此在 4I3/2→ 4I11/2和 4F3/2→ 4I13/2 之间较容易实现粒子数的反转分布。 其中 m 的荧光谱线最强，在激光振荡过程中由于粒子数竞争， 4F3/2→ 4I11/2 的跃迁几率最大，可以抑制其它谱线的振荡，这样就构成了激发态→亚稳态（激光上能级 4F3/2）→激光下能级 4I11/2 的四能级系统。 由于四能级系统的激光下能级通常是空的，故上能级只要有少量的粒子就可达到粒子数的反转分布状态。 因此，四能级系统的激光振荡阈值较三能级系统低很多。 2．固体激光器基本结构 本实验所用的实验装置如图 3 所示，其中 Nd3+： YAG 激光器为长脉冲固体激光器 ，主要包括如下三个部分： （ 1） 工作物质 本实验选用 Nd3+： YAG 激光晶体棒为工作物质。 为了保证激光器的高效稳定运转，所用 Nd3+： YAG 激光棒应具有如下特性： 15  光学均匀性好，无气泡、条纹等；  两端面的平行度误差小于 10″，端面平面度小于 1/2 光圈；  棒的侧面要打毛以利于均匀吸收泵浦光的能量和减少寄生振荡；  两端面镀增透膜，以防自激振荡的产生；  棒的长度与直径之比在 10： 1~20： 1 之间选取 图 1 Nd3+： YAG 晶体的能级结构 图 2 Nd3+： YAG 晶体在 300K 时的吸收谱 16 全 反 膜Y A G 棒聚 光 腔部 分 反 射 膜储 能 电 容 器充电电源触发电源打火线圈T电 极氙 灯水 冷 系 统 图 3 长脉冲 Nd3+： YAG 激光器装置示意图 （ 2） 激光谐振腔 通常选用平行平面腔，它是由两个镀有干涉介质膜层的光学玻璃片（也称为膜片或腔镜）组成的，其中一个腔镜是全反射镜，镀 m 的全反射膜（反射率应大于 %），另一个膜片镀对 m 的光有一定反射率的部分反射镜。 对镀膜的玻璃基片的光学要求与对激光棒的精度要求相同，其形状和大小可根据使用要求而定。 平行平面腔可以看作是曲率半径为无穷大的球面腔，满足 g1g2=1，属于介稳腔。 平行平面腔的特点是 调整精度高、模体积大，需要仔细调整激光谐振腔。 （ 3） 泵浦源系统 泵浦源系统的作用是为工作物质达到粒子数反转分布提供必要的能量，并控制激光器按使用要求正常运转。 它主要由泵浦光源、聚光腔和电气系统组成。 目前常用的泵浦光源有惰性气体灯（氙灯、氪灯）、卤化物灯、半导体激光器等。 其中氙灯和氪灯不仅辐射强度和辐射效率高，而且具有较宽的发射谱带，并与 Nd3+： YAG 等吸收谱有较好的匹配，通常脉冲激光器选用氙灯，连续激光器则选用氪灯。 半导体激光泵浦固体激光器是近年来发展起来的一种新型激光器件，其利用输出波长与激光晶体的某一 吸收峰对应的半导体激光作为泵浦源，具有体积小、效率高的优点。 对于 Nd3+： YAG 晶体，泵浦光波长一般选 808nm。 本实验中选用脉冲氙灯对激光棒进行泵浦，其一般由灯管、充入的气体和电极所构成，结构如图 3 所示。 灯管是由耐高温、机械性能和透光性能好石英玻璃制做的。 如果在石英玻璃中掺入适量的铈，还可吸收小于 m 的紫外光，并能产生 ~μ m 的荧光，可大大减小工作物质的热效应，提高泵浦效率。 灯的电极通常是用钍钨、钡钨、铈钨等制成。 灯管和电极之间用过渡玻璃直接封接或气泡封接，管内充入适量的氙气。 泵浦 灯的工作过程是：先给贮能电容器充电至某一电压、此电压应大于灯的点火电压，小于其自闪电压。 然后用一个万伏以上的脉冲高压触发之，使其内部气体电离，在灯两电极间的电场作用下，正负离子沿相反方向做加速运动，又激发和电离其它原子，进而形成雪崩式电离。 灯内的阻值瞬间由原来的无穷大突然变得很小，造成导电通道，贮能电容器通过灯管内放电，使灯发出闪光。 灯的触发方式有两种：外触发式――脉冲高压通过绕在灯管上的17 触发丝来触发泵浦灯；内触发式――脉冲高压直接通过灯的电极来触发泵浦灯。 为了提高转换效率和泵浦灯的使用寿命，常采用预燃或准 预燃方式。 预燃式电源的结构如图 4 所示。 V0V1V2L1L贮 能 电 容 CK预 燃 电 源触 发 电 源C2 图 4 预燃式电源原理示意图 电气系统的作用是为光泵提供能量，控制整机按设计要求正常运转，其主要部分就是贮能电容器的充、放电回路和触发电路，或再加上控制回路、乃至预燃和调制电路等。 在图 4所示的预燃式电源中包括了充放电电路、预燃电路和触发电路，灯一经触发，它便可维持其小电流（约 100~200mA）辉光放电。 然后控制开关元件（通常采用可控硅）按要求重复工作，而不需要再行触发。 此类装置必须配备冷却系统。 聚光腔 的作用是将脉冲氙灯发出的，对工作物质激光上能级实现粒子数反转分布有贡献的光波，有效地会聚到工作物质上，以提高泵浦效率。 本实验采用脉冲氙灯侧面泵浦激光晶体，因此对侧面泵浦所用的聚光腔作以简介。 这种聚光腔的种类较多，如单椭圆柱面腔、双椭圆柱面腔、相交圆柱面腔和紧包腔等。 为了提高聚光效率，在腔内反射面抛光后需镀上高反射膜层（如镀金、银、铝等金属膜），或采用具有高反射率的陶瓷或聚四氟乙烯。 本实验装置采用聚四氟乙烯紧包腔。 3．激光器的运转特性 在脉冲氙灯发出的泵浦光的作用下， Nd3+： YAG 晶体被激发，可实现粒子 数反转分布，并产生受激辐射。 腔内产生的光子在激光器谐振腔的作用下往返得到放大，腔内光子数急剧增加。 当腔内的增益能够补偿由于腔镜的。