固体激光器装调.ppt

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1、LOGO固体激光器的装调及选模固体激光器的装调及选模Company name目目 录录2.实验目的实验目的3.实验原理实验原理4.实验装置及仪器实验装置及仪器5.实验内容与步骤实验内容与步骤6.实验结果与讨论实验结果与讨论1.简简 介介 激光的发展简史激光的发展简史 19171917年，爱因年，爱因斯坦提出了斯坦提出了“受激受激辐射辐射”的概念，奠的概念，奠定了激光的理论基定了激光的理论基础。础。19581958年，贝尔实验室的年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文，奠定了激光器的经典论文，奠定了激光发展的基础。发展的基础。简简 介介Company nam

2、e 这两次发明开创了传统的固体激这两次发明开创了传统的固体激光器和气体激光器的时代，自此，激光器和气体激光器的时代，自此，激光走上了高速发展的道路。此后，半光走上了高速发展的道路。此后，半导体激光器、染料激光器、自由电子导体激光器、染料激光器、自由电子激光器都在相应学科的支持下出现。激光器都在相应学科的支持下出现。特别是八十年代，随着光电子学和半特别是八十年代，随着光电子学和半导体技术的发展，光纤激光器和孤子导体技术的发展，光纤激光器和孤子激光器相继出现，将激光引入以光电激光器相继出现，将激光引入以光电子和微电子为主的信息时代。子和微电子为主的信息时代。19611961年，年，HeHeNeNe

3、气体激光器在美气体激光器在美国贝尔实验室研制成功。国贝尔实验室研制成功。19601960年，美国人梅曼年，美国人梅曼(T.H.Maiman)(T.H.Maiman)发明了世界上发明了世界上第一台红宝石激光器。第一台红宝石激光器。Maiman简简 介介简简 介介 1961年8月，中国第一台激光器-小球照明红宝石激光器，在中国科学院长春光学精密机械研究所诞生了。它虽比国外同类型激光器的问世迟了近一年的时间，但在许多方面有自身的特色，特别是在激发方式上，比国外激光器具有更好的激发效率，这表明我国激光技术当时已达到世界先进水平。实验目的实验目的1 1、了解固体激光器的基本组成和原理；、了解固体激光器的

4、基本组成和原理；2 2、学习固体激光器的装配和调试方法；、学习固体激光器的装配和调试方法；3 3、掌握固体激光器的主要性能及基本技术参、掌握固体激光器的主要性能及基本技术参 数的测试方法；数的测试方法；4 4、学会横模选择方法。、学会横模选择方法。实验原理实验原理 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 表示表示“受激辐射的光放大受激辐射的光放大”Laser19641964年年1010月，物理学家钱学森建议称之为

5、月，物理学家钱学森建议称之为-激光激光工作物质工作物质：提供反转粒子数提供反转粒子数激励源：激励源：为实现粒子数反转为实现粒子数反转提供外界能量。提供外界能量。谐振腔：谐振腔：光放大作用光放大作用工作物质工作物质 本实验选用Nd3+:YAG激光棒。Nd3+:YAG晶体（即掺钕钇铝石榴石）是以钇铝石榴石晶体为基质掺杂适量的三价稀土元素钕离子（Nd3+）构成的。其中是以Nd3+置换YAG中的部分钇离子，晶体呈淡紫色。Nd3+是激活离子，从提高物质的增益来看，其浓度应越大越好，但是由于Nd3+半径大于Y3+的半径，将Nd3+掺入YAG中有结构上的困难，其浓度过大会造成质量上的缺陷。一般Nd3+的含量

6、为1%左右。光学谐振腔光学谐振腔v 最常见的激光谐振腔是由相对的两个球面镜或平面镜构成的。典型的谐振腔结构有平平腔、平凹腔、凹凸腔、共焦腔等。本实验选用平凹腔，由一个平面镜和一个凹面镜构成，凹面镜做全反镜，镀1064nm全反模，平面镜做输出镜，镀1064nm部分反射部分透射模。泵浦系统泵浦系统v 泵浦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。常用的泵浦光源有弧光放电灯，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等的吸收谱有较好的匹配，所以被普遍使用。通

7、常脉冲激光器选用氙灯，连续激光器则选用氪灯。静态激光的驰豫振荡现象静态激光的驰豫振荡现象v产生驰豫振荡的主要原因是：当激光器达到阈值时，产生激光，使谐振腔内的光能密度增加。由于增益饱和效应，光能密度的增加将导致粒子反转数降低，到低于阈值时，激光发射就停止。此时，光泵抽运使粒子反转数又增加，超过阈值时，产生第二个激光脉冲。如此不断重复，便形成了一系列小的尖峰脉冲。腔内电磁场在垂直于其传播方向腔内电磁场在垂直于其传播方向Z的横向的横向X-Y面内存在的面内存在的稳定的场分布，称为稳定的场分布，称为横模横模。选取横模技术就是使激光器处。选取横模技术就是使激光器处于单横模于单横模TEM00状态运转，抑制

8、各高阶模振荡。状态运转，抑制各高阶模振荡。横模的选择 v采用小孔光阑作为选模原件插入腔内是固体激光器中常用的选模方法。由于高阶横模的光腰比基模的大，如果光阑的孔径选择得适当，就可以将高阶横模的光束遮住一部分，而基模则可顺利通过。v 另外，由衍射理论可知，腔内插入小孔光阑相当于减小腔镜的横截面积，即减小了腔的菲涅耳数，因而各阶模的衍射损耗加大，但损耗程度不同，只要小孔光阑的孔径选择适当，便可选出基模。实验装置实验装置半导体激光器准直小孔光阑全反镜泵浦氙灯工作物质聚光腔输出镜可存储示波器可存储示波器能量计能量计脉冲光电探头脉冲光电探头连续光电探头连续光电探头实验内容与步骤实验内容与步骤 用用酒酒精

9、精或或乙乙醚醚棉棉球球将将氙氙灯灯和和激激光光棒棒擦擦净净后后,分分别别安安放放在在椭椭圆柱面聚光腔的两条焦线位置上圆柱面聚光腔的两条焦线位置上,即要固牢即要固牢,又不宜过紧。又不宜过紧。调节两腔镜架和聚光腔架调节两腔镜架和聚光腔架,使其小孔光束尽量通过两腔使其小孔光束尽量通过两腔镜和激光棒的中心，并使它们的反射光点均匀落回小孔。镜和激光棒的中心，并使它们的反射光点均匀落回小孔。接好电气系统，检查无误后使激光器运转。再微调腔镜，接好电气系统，检查无误后使激光器运转。再微调腔镜，至使输出光在感光相纸上打出圆整均匀的焦斑为止。至使输出光在感光相纸上打出圆整均匀的焦斑为止。1.1.激光器的安装与调整

10、激光器的安装与调整 调节导轨上的半导体激光器，使其小孔光束在通过导轨中调节导轨上的半导体激光器，使其小孔光束在通过导轨中心线的垂面内且与导轨面平行。再在导轨的另一端放好接收屏，心线的垂面内且与导轨面平行。再在导轨的另一端放好接收屏，使半导体激光器光束光斑落于接收屏上。（可在接收屏上放置使半导体激光器光束光斑落于接收屏上。（可在接收屏上放置上转换片，方便激光输出时的观测）上转换片，方便激光输出时的观测）将全反射和部分反射腔镜分别装在两端调整架上。将全反射和部分反射腔镜分别装在两端调整架上。实验内容与步骤实验内容与步骤2.2.测激光阈值测激光阈值3 3激光脉冲波形的测量激光脉冲波形的测量1)用连续

11、光电探头和示波器测量脉冲氙灯的脉宽。观察用连续光电探头和示波器测量脉冲氙灯的脉宽。观察脉冲氙灯脉宽的量级。脉冲氙灯脉宽的量级。2)用脉冲光电探头和示波器测量静态激光的脉宽，观用脉冲光电探头和示波器测量静态激光的脉宽，观察驰豫振荡现象。记录不同注入电压所对应的输出激察驰豫振荡现象。记录不同注入电压所对应的输出激光的脉宽。要求在阈值电压以上开始测量，每隔光的脉宽。要求在阈值电压以上开始测量，每隔30V输入电压测一组数据，共测五组，每组输入电压测一组数据，共测五组，每组5个对应的脉个对应的脉宽值，计算其平均值及标准差，并列表或画图表示。宽值，计算其平均值及标准差，并列表或画图表示。6.6.加小孔光阑

12、进行选模，测试加小孔光阑之后的输出能加小孔光阑进行选模，测试加小孔光阑之后的输出能量。量。5.5.峰值功率峰值功率P=P=脉冲能量脉冲能量EoutEout脉宽脉宽 用热释电探头和示波器测量输出激光的能量。记录不同用热释电探头和示波器测量输出激光的能量。记录不同注入电压下激光的输出电压值（测量要求同注入电压下激光的输出电压值（测量要求同3 3），并将注入），并将注入电压（电压（，其中，其中C C为泵灯电源的充电电容，一般取为泵灯电源的充电电容，一般取100F100F）和平均输出电压换算成能量（按照能量计上的标注）和平均输出电压换算成能量（按照能量计上的标注换算），绘制注入能量换算），绘制注入能量

13、输出能量关系曲线，计算转换效输出能量关系曲线，计算转换效率。率。4 4测试输出能量、输入能量，建立曲线关系。测试输出能量、输入能量，建立曲线关系。根据公式：峰值功率根据公式：峰值功率=输出能量输出能量/脉宽，计算不同注入电压下的脉宽，计算不同注入电压下的输出激光的峰值功率。列表表示注入电压、注入能量、输出输出激光的峰值功率。列表表示注入电压、注入能量、输出电压、输出能量、脉宽、峰值功率。电压、输出能量、脉宽、峰值功率。实验内容与步骤实验内容与步骤实验结果实验结果注入电压（V）脉宽（s）平均脉宽（s）标准差12345500530560590620表表1 注入电压与脉宽关系注入电压与脉宽关系图图1

14、 注入电压与静态脉宽的曲线图注入电压与静态脉宽的曲线图注入电压（V）注入能量（J）输出电压（mV）平均输出电压（mV）输出能量（mJ）标准差12345500530560590620表表2 注入能量与输出能量关系注入能量与输出能量关系激光阈值：激光阈值：500V 探头参数：探头参数：8.4mV/mJ图图2 注入能量与输出能量关系曲线注入能量与输出能量关系曲线激光阈值：激光阈值：500V 探头参数：探头参数：8.4mV/mJ实验结果实验结果注入电压（V）注入能量（J）输出电压（mV）输出能量（mJ）脉宽（s）峰值功率（W）500530560590620表表3 实验结果汇总实验结果汇总思考问题思考问

15、题 把小孔、半导体激光光束调整到包括导轨中心线把小孔、半导体激光光束调整到包括导轨中心线 的垂面内且与导轨面平行有什么好处？你是如何的垂面内且与导轨面平行有什么好处？你是如何 调整的？不这样调整是否可以？为什么？调整的？不这样调整是否可以？为什么？简要叙述脉冲固体激光器输出的静态激光的输出简要叙述脉冲固体激光器输出的静态激光的输出 特性。（输出能量、脉宽、峰值功率等）特性。（输出能量、脉宽、峰值功率等）在激光器的实际应用中，基横模的选取有什么具在激光器的实际应用中，基横模的选取有什么具 体意义和应用？体意义和应用？脉冲脉冲Nd:YAG激光器辐射的激光功率非常高，使用过程中稍有不慎，激光束就会损

16、激光器辐射的激光功率非常高，使用过程中稍有不慎，激光束就会损伤身体或物品，轻则烧坏衣物，烧伤皮肤，重则造成眼睛永久性失明；如果照射到某些伤身体或物品，轻则烧坏衣物，烧伤皮肤，重则造成眼睛永久性失明；如果照射到某些危险物上甚至会引起火灾和爆炸。激光器泵浦闪光灯电源、触发电源和调危险物上甚至会引起火灾和爆炸。激光器泵浦闪光灯电源、触发电源和调Q电源都使用高电源都使用高压电，意外触及可造成人身伤害。因此，在实验中应注意以下安全事项：压电，意外触及可造成人身伤害。因此，在实验中应注意以下安全事项：1、仪器启动后，不准向激光腔内窥视。、仪器启动后，不准向激光腔内窥视。2、绝对禁止直接或反射的激光射入眼内

17、，有关人员应配戴激光防护镜。、绝对禁止直接或反射的激光射入眼内，有关人员应配戴激光防护镜。3、严禁学生实验时打开电源箱外壳，以防剩余电压伤人或损伤仪器。、严禁学生实验时打开电源箱外壳，以防剩余电压伤人或损伤仪器。4、激光器工作时随时注意仪器的运转情况，特别是循环水的流动与否和电源放电声音是、激光器工作时随时注意仪器的运转情况，特别是循环水的流动与否和电源放电声音是否正常。遇异常情况，请迅速关机；待查明异常情况原因并排除后再行开机工作。否正常。遇异常情况，请迅速关机；待查明异常情况原因并排除后再行开机工作。注意事项注意事项激光原理 沈柯 激光器件与技术 刘敬海，徐荣甫 光信息科学与技术实验讲义姚治海，孙贯成 参考书目参考书目LOGO