文章编号:025827025(2004)1021169204KTP 晶体环形腔外腔倍频Nd ∶YAG 激光
光束特性的研究
王旭葆,武 强,陈继民,李 港,左铁钏
(北京工业大学激光工程研究院,北京100022)
摘要 为了解决精细聚焦问题,采用Nd ∶Y A G 倍频技术以获得短波长激光器。在激光烧结技术、获取短波长激光的方法、短波长激光光束特性等方面进行了研究和探讨。从理论和实验两方面,研究了利用KTP 晶体对Nd ∶Y A G 激光进行环形腔外腔倍频的方法。这种倍频所利用的基频光最大平均功率为50W ,采用声光调Q 技术,频率约为
1005Hz 。当基频光平均功率约为35W 的情况下,实验中光2光转换效率约为3114%。利用BEAMCODE SYS 光
束质量分析系统对二次谐波与基波光束质量进行了比较,并比较研究了二次谐波与基波的聚焦特性。实验中测定的二次谐波TEM 00模所占比例约为95%。利用短波长可以获取更小聚焦尺寸,可以在激光粉末成型中得到更微小的成型尺寸,展示了二次谐波在微成型方面应用的初步成果。关键词 激光技术;环形腔;外腔倍频;光束质量;焦点中图分类号 TN 248.1+3 文献标识码 A
Study of Beam Q uality and Focus of Frequency Doubling in a KTP Crystal
on Nd ∶YAG Laser by the R esonant External Ring C avity
WAN G Xu 2bao ,WU Qiang ,CHEN Ji 2min ,L I Gang ,ZUO Tie 2chuan
(Institute of L aser Technology ,Beijing Polytechnic U niversity ,Beijing 100022,China )
Abstract In order to solve the problem of fine focus in laser assisted microprocessing ,a method of Nd ∶Y A G frequency doubling is adopted to acquire short wave laser.The frequency doubling in a KTP crystal on Nd ∶Y A G laser is carried out by the resonant external ring cavity.The maximum average power of Nd ∶Y A G is 50W with Q 2switch and its frequency is 1005Hz.A 0.532μm green light output with 31.4%light conversion efficiency is obtained when the average input power of 1.064μm laser is 35W.The proportion of TEM 00model in the green light is 95%.This method is proved to be effective to solve the problem of mini 2focus ,especially useful in the application of laser rapid prototyping.The experimental results for the characteristics of ring cavity frequency doubling are analyzed and compared with those of 1.064μm laser on the beam quality.
K ey w ords laser technique ;ring cavity ;external cavity frequency doubling ;beam quality ;beam focus
收稿日期:2003204228;收到修改稿日期:2003208221
基金项目:国家973计划(G 2000067205)和北京市自然科学基金(编号:2011002)资助项目。
作者简介:王旭葆(1972—
),男,黑龙江庆安人,北京工业大学激光工程研究院博士研究生,主要从事计算机辅助激光快速成型激光器及光路设计的研究。E 2mail :wangxubao1972@https://www.doczj.com/doc/858397096.html,
1 引 言
选择性激光烧结(SL S )是以激光为能量源,以
粉末为加工对象,结合计算机辅助控制的激光快速成型的方法。用选择性激光烧结的方法加工微小零件时,由于零件尺寸小,扫描光束的光斑尺寸就应足
够小,为了获得适合微加工的微细光斑,用调Q Nd ∶YA G 激光器进行了实验和理论研究。
2 倍频装置
把激光光束看作高斯光束,当高斯基模光束经过
第31卷 第10期2004年10月
中 国 激 光
CHIN ESE JOU RNAL OF LASERS
Vol.31,No.10
October ,2004
一个焦距为F 的薄透镜后,束腰满足关系
1′w 20
=1w 201-l F 2
+1F 2πw 0
λ2
(1)
其中,′w 0为通过薄透镜后的束腰半径,w 0为物方束腰半径,l 为物方束腰与透镜的距离,λ为光波波长。
像方透镜焦平面上的光斑半径为
w f =λ
πw 0F
(2)实际中,常用焦平面上的光斑尺寸代替腰斑尺寸。根
据(2)式,物方腰斑w 0越大,透镜焦距F 越短,波长λ越短就越有可能获得精细的聚焦,但是w 0不可能过大,F 过短会使焦深变得过小,从而不利于加工,因此,理论上研制短波长激光器是一个有效的方案,为
此人们对11064μm 激光器进行倍频[2～4]
,获得短波长激光输出。
应用这种倍频方案进行激光微成型的应用实验,通过精细聚焦,激光聚焦光斑可以控制在01015mm
附近,获得了壁厚小于011mm 的实际成型件[5]
。
倍频装置[6]
如图1所示,环形腔主要由M 1,M 2,
M 3,M 4四镜构成,M 1,M 2为平面镜,M 3,M 4均为平
凹镜,凹面曲率半径为120
128mm ,M 4为绿光输出镜,对11064μm 高反(R ≥9915%),对01532μm 增
图1Nd ∶Y A G 调Q 激光环形腔倍频
Fig.1Frequency doubling in a KTP crystal on Nd ∶Y A G laser with Q 2switch by the resonant external ring cavity
透(T ≥85%),M 2反射镜背面粘贴一个压电陶瓷(PZT ),M 1对01532μm 高反,对11064μm 反射率为97%,M 1,M 2,M 3,M 4形成一个稳定谐振腔,KTP
晶体位于该腔束腰处,选用的KTP 晶体尺寸为6mm
×6mm ×12mm ,位相匹配为θ=90°,φ=23.5°,双面镀11064μm 和01532μm 双波长增透膜。M 4后45°放置一个绿光反射率9518%的反射镜用来分光,
透过部分经过λΠ4波片,被偏振分光棱镜PBS 分为两部分,分别传给两个光电二极管,光电二极管将其变
为电信号传给伺服电源,伺服电源对两个电信号的大小进行比较后,产生一个调制信号传给压电陶瓷使其相应得到一个形变,从而控制腔长,获得绿光最大增益,单纵模稳定输出。倍频转换效率大约在输入基频功率35W 时达到最大,为3114%。
3 倍频光与基频光在光束质量上的比
较
光束光斑应用B EAMCODE SYS 光束质量分析仪探测,由于CCD 最佳工作范围为小于30mW Πcm 2
的功率密度,因此,入射激光必须经过衰减,否
则可能使图像失真,甚至损坏CCD 接收窗口。图2为自行设计的衰减光路,光路主要由三个反射镜及镜组组成,其中,M 1对11064μm 反射率为85%,对01532μm 反射率为9518%,M 3为一组透镜,可视为一个凸面曲率半径均为120128mm 的平凸镜,M 2对11064μm 的反射率为25%,对01532μm 的反射率为47%,M 3对11064
μm 的透过率为010760%,对01532μm 的透过率为010694%。实
验证明,这样的光路可满足在非焦点位置对于30W
以下的调Q 激光。
图2光束测量实验装置
Fig.2Experimental set 2up of beam measure instrument
利用图2光路,对连续Nd ∶YA G 倍频前后的光
束质量进行了比较,用B EAMCODE SYS 光束质量分析仪分别对连续25W 11064μm 激光、倍频连续输出215W 01532μm 激光进行了观察,所得的结果如图3所示,实验在光传输方向的同一横截面上进行,位置大约距光束焦斑50mm 附近,上图为所在横截面的光斑在B EAMCODE SYS 光束质量分析系统下获得的能量分布三维图,下图为B EAMCODE SYS 光束质量分析系统测得的光强分布平面图及其分布曲线。图3(a )中01532μm 模式主要为基模,数据处理系统显示基模比例约为91125%。图3(b )中激光电源工作情况与图3(a )完
0711中 国 激 光 31卷
图3 1.064μm,0.532μm光束质量比较
(a)连续215W0.532μm激光束;(b)连续25W1.064μm激光束
Fig.3Beam quality comparison between0.532μm laser and1.064μm laser
(a)CW2.5W0.532μm laser beam;(b)CW25W1.064μm laser beam
全相同,输出11064μm约为25W,可以看出基频光模式存在明显TEM
10模。
由此可以认为环形腔对于基频光有一定的模式选择作用,这是因为高阶模光斑较大,能量分散,功率密度低,同时环形腔对基频光的共振放大作用对基模更为明显,这是由于基模的相干性更好,基模的放大比率远大于高阶模,基模在模式竞争中明显占有优势,高阶模在环形腔中的损耗又远大于基模,因此一部分高阶模在环形腔中被滤掉。
4 倍频光与基频光聚焦情况比较
激光经过图2装置后,在光束传输方向的不同横截面上(焦点附近约-35mm,-25mm,-20 mm,15mm,20mm,25mm,35mm处)分别用B EAMCODE SYS光束质量分析仪分析光束。首先估计焦点位置,在焦点两侧取定测量位置,然后对大约500mW的01532μm的环形腔倍频激光光束在各位置进行观察,然后去除倍频,对11064μm连续输出10W进行观察,可以看出两种波长模式基本均为基模,根据B EAMCODE SYS计算机数据处理系统显示,基模所占比例均在95%以上。此时基频与倍频激光电源工作在同样条件,倍频激光光束光斑直径(以能量衰减到1Πe2为标准)小于基频光,为了更方便地进行比较,利用最小二乘法,把01532μm,11064μm激光用B EAMCODE SYS光束质量分析仪测得的光束在各个测量截面的半径为纵轴,
测量截面与光束的焦斑位置的相对距离为横轴进行双曲线拟合,分别获得两种波长激光的传输情况,并把二者拟合在同一坐标平面内,如图4所示,图中形象地描述了两种波长输出的传输特性。从图中可以明显看出,对于同样焦距的聚焦镜,01532μm的光束要比11064μm的光束细,聚焦半径在倍频后缩小了,由拟合方程可以得到,01532μm的聚焦直径约为121965μm,11064μm的聚焦直径为281270μm,基本符合公式(1),(2)的描述
。
图40.532μm,1.064μm激光传输比较Fig.4Transmission comparison between0.532μm laser
and1.064μm laser
从图4的曲线趋势可以看出,在聚焦镜入射面上,11064μm,01532μm的光斑直径不同,基频光的光斑直径要大于倍频光,这可能是两个因素造成的,其一是由于光程差的因素,从出射的镜片到聚焦镜
1711
10期 王旭葆等:KTP晶体环形腔外腔倍频Nd∶Y A G激光光束特性的研究
的距离看基频光大于倍频光;其二,由环形腔工作原
理决定,直径较大的高阶模成分在环形腔内放大倍率低,在光学传输中高阶模的损耗大,因此,倍频后输出光光束直径减小。
为了能够进一步验证聚焦的尺寸,对基频输出1W (倍频输出小于100mW )的光束焦点附近的光斑进行了测试,图5为01532μm 光束焦点附近光斑与11064μm 在同位置测试的结果比较(可看出能量三维分布因光路调整未在中心,但仍在测试范围内,不影响测试精度)。实验结果证明,光束聚焦大
小基本与图4中拟合结果相吻合,但通过B EAMCODE SYS 光束质量分析仪处理的能量分布图可以看出,测试结果存在较大的误差,处理所得的图形不是高斯形,更接近梯形,这可能因为在测试临界点,光束质量分析仪无法分辨出光束是高斯分布,还是平面波分布,中央能量分布的细微差别不能加以区分。另外,B EAMCODE SYS 光束质量分析仪的最佳测试光束直径范围为315～0103mm ,图5(b )中01532μm 光束直径已不在最佳范围内,这也使得误差增大
。
图5 1.064μm (a ),0.532μm (b )光束焦点附近诊断结果
Fig.5Measure result near the laser focus position of 1.064μm (a )and 0.532μm (b )
5 结 论
通过实验证明环形腔倍频不会把基频光的模式变差,而且还有一定程度的优化作用;通过对光束传输的几个截面光束的测定,对连续输出基频光和倍频光光束质量、光束传输、聚焦光斑进行了对比性研究,并利用最小二乘法拟合出了光束传输曲线,对两种波长激光进行了形象的比较,并由实验数据对聚焦光斑尺寸进行了合理的估计,01532μm ,11064μm 激光的最小聚焦分别为121965μm ,281270μm ,与理论很好地吻合。从而证实了“用Nd ∶YA G 倍频的方法有利于精细聚焦的实现,短波长更有利于满足微成型对聚焦光斑的要求”。
参考
文
献
1 Zhou Bingkun ,G ao Y izhi ,Chen Jiahua et al https://www.doczj.com/doc/858397096.html,ser Theory [M ].
Beijing :National Defence Industry Press ,1996.7
周炳 ,高以智,陈加桦等1激光理论[M ]1北京:国防工业出版
社,1996.72 Jingang Liu ,Dalwoo K im.Optimization of intracavity doubled
passively Q 2switched solid 2state lasers [J ].I EEE J .Quant um
Elect ron .,1999,35(11):1724～1730
3 Susumu K onno ,Tetsuo K ojima ,Shuichi Fujikawa et al ..High 2
brightness 1382W green laser based on an intracavity 2frequency 2doubled diode 2side 2pumped Q 2switched Nd ∶YA G laser [J ].Opt .L ett .,2000,25(2):105～107
4 Y.Hadjar , F.Ducos ,O.Acef.Stable 1202mW green output
tunable over 2THz by a second 2harmonic generation process in a KTP crystal at room temperature [J ].Opt .Lett .,2000,25(18):1367～1369
5 Wang Xubao ,Chen Jimin ,Wang Rui et al ..High efficiency Nd ∶
YA G doubling frequency laser [J ].Chi nese J .L asers ,2003,30(3):203～205 王旭葆,陈继民,王 瑞等1高转换效率Nd ∶YA G 倍频激光器[J ]1中国激光,2003,30(3):203～205
6 Wang Xubao ,Chen Jimin ,Li G ang et al ..Study of frequency
doubling in a KTP crystal on Q 2switch Nd ∶YA G laser by the resonant external ring cavity [J ].Acta Optica Si nica ,2004,24(4):477～480 王旭葆,陈继民,李 港等1调Q Nd ∶YA G 环形腔外腔倍频技术研究[J ]1光学学报,2004,24(4):477～480
2711中 国 激 光 31卷
第24卷第6期 2000年12月激光技术LASERTECHNOLOGYVol.24,No.6December ,2000 激光光束质量参数测量的实验研究 赵长明 (北京理工大学光电工程系,北京,100081) 摘要:采用CCD系统实验测量了LD泵浦Nd∶YAG激光器的光束质量参数,研究了CCD系 统的背景噪声特性和积分区域选取对光束质量参数测量的影响,从实验数据中得到以下结论:(1)在有、无背景光两种条件下,背景记数强烈地依赖于曝光时间和像素的合并,温度影响可以忽略不计;(2)为获得M2合理的测量结果,至少要选择5%积分区域。 关键词:M2因子CCD摄像机光束质量Investigationontheexperimentalmeasurementoflaserbeamquality ZhaoChangming (Dept.ofOpticalEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing,100081) Abstract:ThebeamqualityofaLDpumpedNd∶YAGlaserismeasuredwithCCDcamerasyst em. ThebackgroundcharacteristicsoftheCCDsystemandtheinfluenceofthesizeofintegralboxup onmeasurementresultsareinvestigated.Thefollowingconclusionscanbederivedformexperi mentalresults:(1)Backgroundisstronglydependuponexposuretimeandpixelbinning,whilet emperaturehasanignorableeffectuponit,whetherwithorwithoutambientlight.(2)A5%2cuti stheminimumvalueinordertogetareasonableresult. Keywords:M2factor CCDcamera beamquality 引言 激光光束质量参数,即M2因子的测量是近几年研究的一个热点。ISO建议的测量方法包括两维面阵探测系统或二维单元扫描系统、套孔法、移动刀口法和移动狭缝法[1]。用以电荷耦合器件(CCD)为代表的面阵探测器件测量激光光束质量参数具有速度快、数据量大和易于计算机处理的优点,特别是对于脉冲激光的测量具有
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
激光光束分析实验报告 引言 1960年，世界上第一台激光器诞生。激光作为一种相干光源，以其高亮度、高准直性、高单色性的优点，一直在各种生产和研究领域发挥着重要的作用。 虽然激光具有上述优点，然而严格地说，激光并不是平面光束，而是一种满足旁轴近似的旁轴波。由稳定谐振腔发出的激光束大多为高斯光束，其主要参数为光束宽度、光束发散角和光束传播因子。由于这几个参数不同，不同激光束的质量也就有了差别，因此就需要制定评价光束质量的普适方法。常用来评价光束 质量的因子有：衍射极限倍数因子、斯特列耳比、环围能量比、因子和因子的倒数K因子（通常称为光束传播因子）。其中因子为国际ISO组织推荐的评价标准，也是我们在实验中采用的评价标准。 因子的定义为： 其中为实际光束束腰宽度，为实际光束远场发散角。 采用因子时，作为光束质量比较标准的是理想高斯光束。基模(模) 高斯光束有最好的光束质量，其，可以证明对于一般的激光光束有 。因子越大，实际光束偏离理想高斯光束越远，光束品质越差。当 高斯光束通过无像差、衍射效应可忽略的透镜、望远镜系统聚焦或扩束镜时，虽然光腰尺寸或远场发散角会发生变化，但光束宽度和发散角之积不变，是几何光学中的拉格朗日守恒量。 实验原理
如图选定坐标系。设光束的束腰位置为，束腰直径为，远场发散角为。为了简化问题，假设光束关于束腰对称，则可求出传播轴上任一垂直面上的 光束直径。光束传播方程的一级近似为： 光束的因子为： 其中n为传播介质折射率，为光束波长。对于束腰宽度和远场发散角， 可用如下方法测得。 本实验中，我们采用的CCD能够测量在柱坐标系中传播轴上任一垂直面上的光束能量密度函数。由于能量密度函数关于传播轴中心对称，故在分布函数中没有自变量。对于高斯光束，可以证明： 其中： 因此只要测出能量密度函数就可以求出传播轴上任一垂直面上的光束直径。 有了测量光束直径的方法后，分别在轴向位置处测量能量密度 函数，求出光束直径和，之后将其代入光束传播的一级近似方程
倍频晶体，用于倍频效应的一类非线性光学晶体。其基本条件是：⑴不具有中心对称性； ⑵对基频波和倍频波的透明度高；⑶二次非线性电极化系数大，这是因为倍频转换效率与此系数的平方成正比；⑷有位相匹配能力，特别是非临界匹配能力。位相匹配角度和温度容限要在；⑸光学均匀性好，损伤阈值高；⑹物化性能稳定；⑺生长工艺比较容易，能得到足够大的晶体，在位相匹配方向上达到可用长度。 常用的倍频晶体：⒈磷酸二氢铵（ADP）、磷酸二氢钾（KDP）、磷酸二氘钾（DKDP）、砷酸二氘铯（DCDA）、砷酸二氢铯（CDA）等晶体。它们是产生倍频效应和其它非线性光学效应的一类具有代表性的晶体，适用于近紫外可见光区和近红外区，其损伤阈值大。 ⒉铌酸锂（LN）、铌酸钡钠、铌酸钾、α型碘酸锂等晶体。它们的二次非线性电极化系数大，而且LN、BNN等晶体的 折射率对温度敏感，并且与色散效应的温度变化特性不同，可适当调节温度实现非临界匹配，它们适用于可见光区和中红外区（0.4μ-5μ）。LN在光照下易产生折射率变化，有光损伤现象；BNN的损伤阈值比LN高，但固熔区域较宽，组分易变动而导致光学均匀性变差，较难得到性能优良的大型晶体；铌酸钾不存在固熔区，有可能得到光学性质均匀的大型晶体；α型碘酸锂是水溶液生长晶体，能培养出光学质量好的大型晶体，且损伤阈值比BNN晶体高，缺点是不具有非临界匹配能力。 ⒊砷化镓、砷化铟、硫化锌、碲化镉、碲、硒等半导体晶体。它们的二次非线性电极化系数比前两类的晶体更大，适用于较宽的红外波段。但除硒、碲外，多数晶体无双折射效应，不能实现位相匹配。 与其它晶体区别 用于和频、差频和光的参量振荡效应的非线性光学晶体的基本要求和倍频晶体相同。
关于强激光技术领域中光束聚焦特性的研究 马学军，牟世娟 （沈阳理工大学理学院，辽宁沈阳１１０００１） 摘要：光束聚焦特性的研究可以使人们更深地认识光束的聚焦光强分布和聚焦过程中产生的其他现象，为实际工作中光束聚焦的应用以及光学系统设计等方面提供充分的理论依据。目前已经实现了将激光光束整形成平项光束或局域空心光束，并且可以把高空间相干激光变成部分相干光。关键词：强激光技术；光束聚焦；焦移中图分类号：ＴＮ２４８文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—２３７４（２００９）０４—０１００—０２ １９６０年第一台红宝石激光器的问世使高功率密度的光束成为现实。在一些实际应用中，如激光加工、惯性约束聚变等，要求功率密度更高、光斑更小的光束。对光束聚焦足提高光束功率密度、减小光束光斑的重要手段之一，在实际工作中得到广泛使用。因而强激光技术领域中对光束聚焦特性的研究成为很热门的课题。 在惠更斯一菲涅尔（衍射积分）原理（Ｈｕｙｇｅｎｓ—Ｆｒｅｓｎｅｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）或德拜积分表达式（Ｄｅｂｙｅｉｎｔｅｇｒａｌｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ）基础上，早期Ｌｏｍｍｅｌ用Ｌｏｍｍｅｌ函数计算衍射积分研究了会聚球面波焦点附近的三维光强分布情况，并作出了圆孔衍射会聚球面波子午面上焦点附近的等照线图。得出强度分布关于焦平面是对称的，光束的光强主极大处于几何焦点位置的结论。 光束聚焦特性的研究可以使人们更深地认识光束的聚 焦光强分布和聚焦过程中产生的其他现象，为实际工作中 用中，部分相干光比完全相干光更具优越性。例如，部分 相干光在大气中传输时发散程度要比完全相干光小得多； 并且部分相干光束具有光强比较均匀，对散斑低灵敏等优点而被应用于激光核聚变等领域。此外。多横模的高功率激光光束可用部分相干光束描述。因此，对部分相干光束的聚焦所产生的焦移的研究变得十分重要。 随着激光技术的发展，光束整形技术也随之成为人们研究的热门课题。迄今为止，已经实现了将激光光束整形成平顶光束或局域空心光束等。局域空心光束是一种在聚 焦区域出现的中心光强较小。四周被光强较高的区域所包围一种特殊光束。近几年，有关局域空心光束的产生和应 用的研究已经成为一个很重要的课题，这种光束在原子引导、原子囚禁，以及光学镊子等方面都有广泛的应用。例如，光学偶极子陷阱，即局域空心光束，在远失谐的辐射
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
实验名称：光束质量M2因子测试及分析 实验目的 1、了解M2因子的概念及M2因子评价光束质量的优越性； 2、掌握M2因子的测量原理及测量方法； 3、掌握测量激光器的腰斑大小和位置的方法。 实验原理 1988 M2 束质量的影响。在二阶矩定义下，利用与量子力学中不确定关系类似的数学证明过程可得 M2≥1，它说明小的束宽和小的发散角二者不可兼得。当M2=1时，激光束为基模高斯光束；当M2>1时，激光束为多模高斯光束。当激光光斑为圆斑时，光束质量因子M2可表示为 式中为光束束腰宽，为光束的远场发散角，A 为激光波长。 根据国际标准组织提供的ISOlll46—1的测量要求设计测试方案。采用多点法测量光束质量因子，就是在激光束的传输方向上测量多个位置处的激光参数。利用曲线拟合的方法求得各激光参数。CCD 通过数据采集卡连接到计算机，二阶矩定义的光束宽度通过编程确定，在计算机上可以读到束宽的大小。对测量结果采用多点双曲线拟法拟
合或抛物线拟合，求出按二阶矩定义束宽的传输方程中3个系数a i、b i；、c i后，就可以计算出相应的光束参数 对于束腰不可直接测量的激光柬(绝大多数激光器产生的激光都是发散的)，先要用无像差透镜进行束腰变换。实验测量两台会聚光束He-Ne激光器(一台是基模的，一台是多模的)M2因子和其腰斑的大小与位置、发散角及瑞利长度。根据透镜对高斯光束的变化规律，可以根据以下公式算出和Z0。从而求出激光器腰斑的大小和位置。 实验数据记录及处理 ①基模激光的拟合图像
原始实验数据 Waist Width X 0.538 mm Waist Width Y 0.583 mm Divergence X 3.374 mrad Divergence Y 3.304 mrad Waist Location X 232.03 mm Waist Location Y 233.64 mm M2 X 2.2532 M2 Y 2.3898 Rayleigh Range X 159.47 mm Rayleigh Range Y 176.33 mm Wavelength 632.8 nm Focal Length 100 mm Laser Location 507 mm Z-Position X Width Y Width mm mm mm 106.55 0.2303 0.21891
实验一： 倍频电路与高频谐振功率放大器 实验目的： 通过本实验，进一步了解和掌握丙类倍频电路和高频丙类谐振功率放大器的工作原理，了解和掌握倍频器中LC 选频回路Q 值变化对电路性能的直接影响关系，了解与掌握激励信号的幅值、负载电阻RL 的阻抗变化对放大器性能的影响。通过实验、能够使学生初步掌握对高频电路的调整技巧，学会使用基本仪器对高频电路的测量及对电路的分析。 1.1 倍频器与高频谐振功率放大器工作原理 (1) 丙类倍频器工作原理 倍频器是把输入的信号频率f 0成整数倍增到n f 0的倍频电路。比较常用的电路有2倍 频、3倍频、5倍频等倍频电路形式,它常常被用于发射机、接收机电路或其它电路的中间级。 倍频器按其工作原理可分为两大类： 第一类是参量倍频器：它利用具有PN 结元器件的结电容量的非线性变化，从而得到输入信号的n 次谐波频率分量。常见的变容管倍频器、阶跃管倍频器就属于这种类型。 第二类是丙类倍频器：它利用晶体管的非线性效应，把正弦波变换成正弦脉冲波，由于脉冲波中含有丰富的谐波份量，通过LC 选频回路将信号的n 次谐波选出、从而完成对信号的n 次倍频功能。这类倍频器的电路形式与丙类谐振放大器之间没有太大的区别、所以又称为丙类倍频器。本实验中所采用的倍频器就属于这种电路类型。 图1-1 是本次实验用丙类倍频倍电原理图。 从图中可以看出该电路和丙类谐振功放级电路在电路结构上非常相类似、不同之处仅在于倍频器选用的两级LC 选频网络的固有谐振频率选择在输入信号f 0的三倍频上。选用二级LC 选频,以提高选频效果。 LC 选频回路公式为： ≈ f LC π21 （U1）表示前级送来的载波信号，它经由L3、C13、C14组成的并联谐振回路选频后、经电容分压加载到倍频管BG3基极。 由于U1信号具有较大的电压幅值，完全可以使倍频管BG3工作在丙类状态下。 我们知道，当晶体管工作在开关状态时、其集电极
实验四 激光纵模特性实验 一、实验目的 1. 了解F-P 扫描干涉仪的结构和性能，掌握其使用方法。 2-加深激光器物理概念的理解，掌握纵模分析的基本方法。 二、实验装置 共焦球面扫描干涉仪，高速光电接收器及其电源锯齿波发生器,示波器， 氦氖激光器及其电源。 三、实验原理 1、激光器的振荡模式 激光器内能够存在的稳定光振荡的形式称为激光模式。激光模式分为纵模和 横模两类。纵模描述了激光器输出光類率的个数；横模描述了在垂直于激光传播方向的平面内光场的分布情况。徼光的线宽和相干长度由纵模决定，而光束发散角、光斑直径和能量的横向分布则由横模决定。我们用符号来描述 激光谐振腔内电磁场的情况。代表横向电磁场，m 、n 下标表示沿垂直于传 播方向某特定横模的阶数，q 表示纵模的阶数。一般Q 可以很大，m 、n 都很小。角、光斑直径和能量的横向分布则由横模决定。我们用符号“TEM_q ”來描述 激光谐振腔内电磁场的情况。代表横向电磁场，m 、n 下标表示沿垂直于传播方向某特定横模的阶数，q 表示纵模的阶数。一般q 可以很大，m 、n 都很小。 2.激光器模的形成 激光器的三个基本组成部分是增益介质、谐振腔和激励能源。如果用某种激 励方式,将介质的某一对能级间形成粒子数反转分布，由于自发辐射和受激辐射 的作用,将有一定频率的光波产生，在腔内传播,并被增益介质逐渐增强、放大。 被传播的光波决不是单一频率的（通常所谓某一波长的光，不过是光中心波长而 已）。因能级有一定宽度，所以粒子在谐振腔内运动受多种因素的影响，实际激 光器输出的光谱宽度是自然增宽、碰撞增宽和多普勒增宽迭加而成。不同类型的 激光器，工作条件不同，以上诸影响有主次之分。例如低气压、小功率的He-Ne 激光器632.8nm 谱线，则以多普勒增宽为主，增宽线型基本呈高斯函数分布，宽度约为1500MHz,只有频率落在展宽范围内的光在介质中传播时，光强将获得不 同程度的放大但只有单程放大，还不足以产生激光，还需要有谐振腔对它进行光学反馈，使光在多次往返传播中形成稳定持续的振荡，才有激光输出的可能。 而形成持续振荡的条件使谐振腔中往返一周的光程差应是波长的整数倍， 即：2nL=q λq 这正是光波相干极大条件，满足此条件的光将获得极大增强，其它则相互抵 消。式中，y 是折射率，对气体U^l ，L 是腔长，Q 是正整数，每一个Q 对应 纵向一种稳定的电磁场分布人q ，叫一个纵模，Q 称作纵模序数。Q 是一个很大 的数，通常我们不需要知道它的数值。而关心的是有几个不同的Q 值，即激光器 有几个不同的纵模。从式（1),我们还可以看出，这也是驻波形成的条件，腔内 的纵模是以驻波形式存在的，Q 值反映的恰是驻波波腹的数目。纵模的频率为 l c q v q μ2=?
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，?
倍频激光器的原理 激光 激光是受激辐射光的简称，其原理是： 当原子系统受到外来光子作用下，且外来光子能量刚好是原子系统某两个高低能级的能量差，即hv21=E2-E1时，则处于高能级E2的粒子可能会在这个光子的诱发下，而跃迁到低能级E1并发射一个与原外来光一模一样的光子，这种过程称之为光的受激辐射。受激辐射产生的光就叫做激光。 激光器 要使受激辐射起主要作用而产生激光，必须满足三个前提条件： 1.有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，（Y AG激光器采用掺钕离子的钇铝石榴 石制成的晶体棒）。 2.有外界激励能源，使介质上下能级产生粒子数反转分布。（Y AG激光器，采用氪灯或氙 灯或半导体激光二极管泵浦，即用光轰击YAG晶体使其中的Nd3+产生粒子数反转分布，聚光腔起辅助作用，目的是使灯发出的光尽可能多的反射或散射到YAG晶体上）。 3.有激光谐振腔，使受激辐射光在谐振腔中产生震荡，（最简单常见的是由一块半反镜， 一块全反镜构成，激光由半反镜输出）。 谐振腔相当于激光器的正反馈，没有谐振腔即是一个光放大器，引进谐振腔而使放大光产生振荡形成激光振荡器，成为激光器。 因此，一个完整的激光器应包括：工作物质、外界激励能源、谐振腔。 YAG激光器 YAG激光器是固体激光器的一种，它的工作物质是掺钕钇铝石榴石晶体（Y AG），即简称YAG激光器。 泵浦源 泵浦源是为工作物质提供能量，使工作物质内原子产生受激辐射从而产生激光。 YAG激光器的泵浦源一般采用椭圆柱腔，氪灯和激光棒分别置于椭圆柱腔的两个焦点轴上，因椭圆的一个焦点（如氪灯）发出的光经一次反射或直射可达另一个焦点上（激光棒），所以，这种结构可以将氪灯发出的光尽可能多的汇聚在激光棒上。 不同的激光有不同的泵浦源。 倍频绿激光 YAG激光器产生的激光的波长为1064nm，其波长比红色光的波长还要长，位于可见光
实验二 高斯光束的测量 一 实验目的 1.熟悉基模光束特性。 2.掌握高斯光速强度分布的测量方法。 3.测量高斯光速的远场发散角。 二 实验原理 众所周知，电磁场运动的普遍规律可用Maxwell 方程组来描述。对于稳态传输光频电磁场可以归结为对光现象起主要作用的电矢量所满足的波动方程。在标量场近似条件下，可以简化为赫姆霍兹方程，高斯光束是赫姆霍兹方程在缓变振幅近似下的一个特解，它可以足够好地描述激光光束的性质。使用高斯光束的复参数表示和ABCD 定律能够统一而简洁的处理高斯光束在腔内、外的传输变换问题。 在缓变振幅近似下求解赫姆霍兹方程，可以得到高斯光束的一般表达式： ()2 2 2 () [ ] 2() 00 ,() r z kr i R z A A r z e e z ωψωω---= ? （6） 式中，0A 为振幅常数；0ω定义为场振幅减小到最大值的1的r 值，称为腰斑，它是高斯光束光斑半径的最小值；()z ω、()R z 、ψ分别表示了高斯光束的光斑半径、等相面曲率半径、相位因子，是描述高斯光束的三个重要参数，其具体表达式分别为： ()z ωω= （7） 000 ()Z z R z Z Z z ?? =+ ??? （8） 1 z tg Z ψ-= （9） 其中，2 00Z πωλ = ，称为瑞利长度或共焦参数（也有用f 表示）。 （A ）、高斯光束在z const =的面内，场振幅以高斯函数2 2 () r z e ω-的形式从中心向外平滑的减小， 因而光斑半径()z ω随坐标z 按双曲线：
2 20 ()1z z Z ωω - = （10） 规律而向外扩展，如图四所示 高斯光束以及相关参数的定义 图四 （B ）、 在（10）式中令相位部分等于常数，并略去()z ψ项，可以得到高斯光束的等相面方程： 2 2() r z const R z += （11） 因而，可以认为高斯光束的等相面为球面。 （C ）、瑞利长度的物理意义为：当0z Z = 时，00()Z ω= 。在实际应用中通常取0z Z =±范 围为高斯光束的准直范围，即在这段长度范围内，高斯光束近似认为是平行的。所以，瑞利长度越长，就意味着高斯光束的准直范围越大，反之亦然。 （D ）、高斯光束远场发散角0θ的一般定义为当z →∞时，高斯光束振幅减小到中心最大值1e 处与z 轴的交角。即表示为： 00 ()lim z z z ωθλπω→∞ == （12） 三、实验仪器 He-Ne 激光器, 光电二极管, CCD ， CCD 光阑，偏振片，电脑 四 实验内容： （一）发散角测量 关键是如何保证接收器能在垂直光束的传播方向上扫描，这是测量光束横截面尺寸和发散角的必要条件。
光学设计性实验报告（一步彩虹全息） 姓名： 学号： 学院：物理学院
一步彩虹全息 摘要彩虹全息是用激光记录全息图, 是用白光再现单色或彩色像的一种全息技术。彩虹全息术的关键之处是在成像光路( 即记录光路) 中加入一狭缝, 这样在干板上也会留下狭缝的像。本文研究了一步彩虹全息图的记录和再现景象的基本原理、一步彩虹全息图与普通全息图的区别和联系、一步彩虹全息的实验光路图，探讨了拍摄一步彩虹全息图的技术要求和注意事项，指出了一步彩虹全息图的制作要点, 得出了影响拍摄效果的佳狭缝宽度、最佳狭缝位置及曝光时间对彩虹全息图再现像的影响。 关键词：一步彩虹全息；狭缝；再现 1 光学实验必须要严密，尽可能地减少实验所产生的误差； 2 实验仪器 防震全息台激光器分束镜成像透镜狭缝干板架光学元件架若干干板备件盒洗像设备一套线绳辅助棒扩束镜2个反射镜2个 3 实验原理 3.1 像面全息图 像面全息图的拍摄是用成像系统使物体成像在全息底板上，在引入一束与之相干的参考光束，即成像面全息图，它可用白光再现。再现象点的位置随波长而变化，其变化量取决于物体到全息平面的距离。 像面全息图的像（或物）位于全息图平面上，再现像也位于全息图上，只是看起来颜色有变化。因此在白光照射下，会因观察角度不同呈现的颜色亦不同。 3.2 彩虹全息的本质 彩虹全息的本质是要在观察者与物体的再现象之间形成一狭缝像，使观察者通过狭缝像来看物体的像，以实现白光再现单色像。若观察者的眼睛在狭缝像附近沿垂直于狭缝的方向移动,将看到颜色按波长顺序变化的再现像。若观察者的眼睛位于狭缝像后方适当位置, 由于狭缝对视场的限制, 通过某一波长所对应的狭缝只能看到再现像的某一条带, 其色彩与该波长对应, 并且狭缝像在空间是连
激光光束的空间分布研究 从理论上来讲，光在稳定的激光谐振腔中进行无限次的反射后，激光器所发出的激光将以高斯光束的形式在空间传输。而且反射（衍射）次数越多，其光束传输形状越接近高斯光束。从另一方面讲，形状越接近高斯光束的激光束，在传播、耦合及光束变换过程中，其形状越不易改变，在高斯光束时，不论怎样变换，其形状依然是高斯光束。（参阅有关书籍关于高斯光束的论述） 由《激光原理与技术》课程，我们从理论知道了激光光束的横向和纵向的空间分布情况，在这个实验中，我们将利用激光光束分析仪对激光光束进行实验研究。 【实验内容】 1．激光光束的纵向分布（发散角） 2．激光光束的横向分布（束腰半径） 3．激光光束质量分析 【实验仪器】 激光光源，激光光束分析仪器，透镜等
阅读材料 高斯光束简介 由激光器产生的激光束既不是平面光波，也不是均匀的球面光波。虽然在特定位置，看似一个球面波，但它的振幅和等相位面都在变化。从理论上来讲，光在稳定的激光谐振腔中进行无限次的反射后，激光器所发出的激光将以高斯光束的形式在空间传输。而且反射（衍射）次数越多，其光束传输形状越接近高斯光束。从另一方面讲，形状越接近高斯光束的激光束，在传播、偶合及光束变换过程中，其形状越不易改变，在高斯光束时，不论怎样变换，其形状依然是高斯光束。 在激光器产生的各种模式的激光中，最基本、应用最多的是基模高斯光束。在以光束传播方向z 轴为对称轴的柱面坐标系中，基模高斯光束的电矢量振动可以表示为 2 2 2[()arctan () 2() 000(,,)() r r z i k z i t w z R z f E E r z t e e e w z ω- + --= ?? （1） 式中，E 0为常数，其余各符号意义表示如下： 2 2 2 r x y =+ 2k π λ = 0()w z w = 2 ()f R z z z =+ 2 w f πλ = 其中，0(0)w w z ==为基模高斯光束的束腰半径，f 称为高斯光束的共焦参数或瑞利长度，R (z )为与传播轴线交于z 点的基模高斯光束的远场发散角为高斯光束等相位面的曲率半径，w (z ) 是与传播轴线相交于z 点高斯光束等相位面上的光斑半径。 图1 高斯光束的横截面
激光实验报告 He-Ne 激光器模式分析 一．实验目的与要求 目的：使学生了解激光器模式的形成及特点，加深对其物理概念的理解；通过测 试分析，掌握模式分析的基本方法。对本实验使用的重要分光仪器——共焦球面扫描干涉仪，了解其原理，性能，学会正确使用。 要求：用共焦球面扫描干涉仪测量He-Ne 激光器的相邻纵横模间隔，判别高阶 横模的阶次；观察激光器的频率漂移记跳模现象，了解其影响因素；观察激光器输出的横向光场分布花样，体会谐振腔的调整对它的影响。 二．实验原理 1.激光模式的一般分析 由光学谐振腔理论可以知道，稳定腔的输出频率特性为： L C V mnq η2= [1q (m 2n 1)+++π]cos -1[(1—1 R L )(1—2R L )]1/2 (17) 其中：L —谐振腔长度； R 1、R 2—两球面反射镜的曲率半径； q —纵横序数； m 、n —横模序数； η—腔内介质的折射率。 横模不同（m 、n 不同），对应不同的横向光场分布（垂直于光轴方向），即有不同的光斑花样。但对于复杂的横模，目测则很困难。精确的方法是借助于仪器测量，本实验就是利用共焦扫描干涉仪来分析激光器输出的横模结构。 由（17）式看出，对于同一纵模序数，不同横模之间的频差为： )(12' ':n m L C n m mn ??πηυ?+= cos -1[（1－1R L ）(1－2 R L )]1/2 （18） 其中：Δm=m －m ′；Δn=n －n ′。对于相同的横模，不同纵模间的频差为 q L C q q ?ηυ?2':= 其中：Δq=q －q ′，相邻两纵模的频差为
L C q ηυ?2= （19） 由（18）、（19）式看出，稳定球面腔有如图2—1的频谱。 （18）式除以（19）式得 cos )(1'':n m n m mn q ??πν??+=-1[(1－1R L )(1－2 R L )]1/2 （20） 设：q n m mn υ?υ??'':= ； S= π 1 cos -1[(1－)]1)(21R L R L -1/2 Δ表示不同的两横模（比如υ00与υ 10）之间的频差与相邻两纵模之间的频差之 比，于是（20）式可简写作： S n m ? = ?+?)( （21） 只要我们能测出Δ，并通过产品说明书了解到L 、R 1、R 2（这些数据生产厂家常给出），那么就可以由（21）式求出（Δm +Δn ）。如果我们选取m=n=0作为基准，那么便可以判断出横模序数m 、n 。例如，我们通过测量和计算求得（Δm +Δn ）=2，那么，激光器可能工作于υ00、υ10、υ01、υ11、υ20、υ02。 2. 共焦球面扫描干涉仪的基本工作原理 共焦球面扫描干涉仪由两块镀有高反射率的凹面镜构成，如图2—2。反射镜的曲率半径R 1=R 2=L 。 图 2-2
第37卷，增刊 红外与激光工程 2008年9月 V ol.37 Supplement Infrared and Laser Engineering Sep. 2008 收稿日期：2008-07-31 基金项目：国家重点基础研究发展计划973计划（2006CB605206）资助课题。 作者简介：王旭葆（1972-），男，黑龙江庆安人，助理研究员，博士后，主要从事激光技术、光学设计等方面研究。Email:wangxubao@https://www.doczj.com/doc/858397096.html, LBO 晶体直接倍频获得488 nm 激光 王旭葆，丁 鹏，左铁钏 （北京工业大学 激光工程研究院，北京 100124） 摘要：利用LBO 晶体直接倍频波长为976 nm 的连续半导体激光二极管，获得了波长为488 nm 的连续蓝光输出，最大输出功率25 mW 。设计并分析了一个用于976 nm 激光倍频的L 型谐振腔，并在实验基础上，制成了一台小型全固态488 nm 连续蓝光激光器。 关键词：激光； LBO 晶体； 倍频； 转换效率 中图分类号：TN248.4 文献标识码：A 文章编号：1007-2276(2008)增(激光探测)-0048-03 Compact continuous-wave blue laser at 488 nm with a LBO crystal WANG Xu-bao, DING Peng, ZUO Tie-chuan （Institute of Laser Engineering, Beijing University of Technology. Beijing 100124, China ） Abstract: A compact continuous-wave blue laser at 488 nm, with the maximum output exceeding 25 mW, is demonstrated by direct frequency doubling of a laser diode (LD) with a LBO crystal. Based on the experiments , a compact all - solid state 488 nm blue laser with continuous wave output is made. We present the development and demonstration of tunable high-power blue-green (around 488 nm) laser by using intracavity frequency doubling of a tunable high-power high-brightness external-cavity emitting laser. Key words: Lasers; LBO crystal; Frequency doubling; Conversion efficiency 0 引 言 近年来，小型的全固态蓝光激光器由于其结构紧凑，稳定性高，寿命长等优点，在高密度储存、水下通信、光学信息处理、医学诊断等领域都有着广泛的应用前景。实现全固态蓝色激光光源的途径主要有3种 [1-2] ：(1)直接发射蓝光的激光二极管；(2) 激光二极管(LD)倍频的蓝色光源;(3)激光二极管抽运通过非线性光学手段获得的蓝光激光器。文中利用976 nm 二极管激光器作为基频光光源，利用LBO 晶体进行倍频获得488 nm 激光，对其进行了理论和实验研究。 1 实验装置 产生基频光的激光二极管放置在一个安装小型半导体制冷片的热汇上,温度控制在25±1℃,以便保证激光二极管输出稳定的 976 nm 波长的基频激光。制冷片的驱动及温度控制采用一高效电子制冷器(TEC)控制模块(Analog Technologies, Inc.)，该模块可以直接提供最大2.5 A 的直流电流驱动半导体制冷片,并可以0.1℃的精度调节控制温度,该模块温度控制稳定,精度足以满足实验要求。激光二极管发出的激光通过一根长1 m 芯径为200 μm 的光纤输出,最大连续输出功率达到1 W 。实验装置如图1所示，Flat mirror1对基频光（976 nm ）45o高反，对二次谐波（488 nm ）增透，实际当中对于
实验一LS230/VSM+激光粒度仪测定果汁饮料粒度 1实验目的 1.1了解激光粒度仪的基本操作； 1.2了解激光粒度仪测定的基本原理。 2实验原理 激光粒度分析仪的原理是基于激光的散射或衍射，颗粒的大小可直接通过散射角的大小表现出来，小颗粒对激光的散射角大，大颗粒对激光的散射角小，通过对颗粒角向散射光强的测量（不同颗粒散射的叠加），再运用矩阵反演分解角向散射光强即可获得样品的粒度分布。 激光粒度仪原理图如图1所示，来自固体激光器的一束窄光束经扩充系统扩充后，平行地照射在样品池中的被测颗粒群上，由颗粒群产生的衍射光或散射光经会聚透镜会聚后，利用光电探测器进行信号的光电转换，并通过信号放大、A/D 变换、数据采集送到计算机中，通过预先编制的优化程序，即可快速求出颗粒群的尺寸分布。 3实验试剂与仪器 3.1实验样品：果汁饮料。 3.2实验仪器：LS230/VSM+激光粒度仪。 4实验步骤 4.1按照粒度仪、计算机、打印机的顺序将电源打开，并使样品台里充满蒸馏水，开泵，仪器预热10分钟。
4.2进入LS230的操作程序，建立连接，再进行相应的参数设置： 启动Run-run cycle（运行信息） （1）选择measure offset(测量补偿)，Alignment（光路校正），measure background（测量空白），loading（加样浓度），Start 1 run（开始测量（2）输入样品的基本信息，并将分析时间设为60秒，点击start（开始）。 如需要测量小于0.4μm以下的颗粒，选择Include PIDS，并将分析时 间改为90秒后，点击start（开始） （3）泵速的设定根据样品的大小来定，一般设在50，颗粒越大，泵速越高，反之亦然。 4.3在测量补偿，光路校正，测量空白的工作通过后，根据软件的提示，加入样品控制好浓度，Obscuratio n应稳定在8-12%：假如选择了PIDS，则要把PIDS 稳定在40-50%，待软件出现ok提示后，点击Done（完成）。 4.4分析结束后，排液，并加水清洗样品台，准备下一次分析。 4.5作平行试验，保存好结果，根据要求打印报告。 4.6退出程序，关电源，样品台里加满水，防止残余颗粒附着在镜片上。 5实验结果与讨论 5.1实验结果 由实验结果显示： 平均粒径：141.7μm
激光实验报告 he-ne激光器模式分析 一．实验目的与要求 目的：使学生了解激光器模式的形成及特点，加深对其物理概念的理解；通过测 试分析，掌握模式分析的基本方法。对本实验使用的重要分光仪器——共焦球面扫描干 涉仪，了解其原理，性能，学会正确使用。 要求：用共焦球面扫描干涉仪测量he-ne激光器的相邻纵横模间隔，判别高阶 横模的阶次；观察激光器的频率漂移记跳模现象，了解其影响因素；观察激光器输出的 横向光场分布花样，体会谐振腔的调整对它的影响。 二．实验原理 1.激光模式的一般分析 由光学谐振腔理论可以知道，稳定腔的输出频率特性为： vmnq?l1/21lc[q?(m?2n?1)]cos-1[(1—)(1—)] r2?r12?l (17) 其中：l—谐振腔长度； r1、r2—两球面反射镜的曲率半径； q—纵横序数； m、n—横模序数；η—腔内介质的折射率。 横模不同（m、n不同），对应不同的横向光场分布（垂直于光轴方向），即有不同的光斑 花样。但对于复杂的横模，目测则很困难。精确的方法是借助于仪器测量，本实验就是利用 共焦扫描干涉仪来分析激光器输出的横模结构。 由（17）式看出，对于同一纵模序数，不同横模之间的频差为： ??mn:mn?ll1/2 c1(?m??n)cos-1[（1－）(1－)] （18） r1r22?l? 其中：δm=m－m′；δn=n－n′。对于相同的横模，不同纵模间的频差为 ??q:q?c?q 2?l 其中：δq=q－q′，相邻两纵模的频差为 ??q?c 2?l （19） 由（18）、（19）式看出，稳定球面腔有如图2—1的频谱。 （18）式除以（19）式得 ll?mn:mn1?(?m??n)cos-1[(1－)(1－)]1/2 r1r2??q? （20）设：????mn:mn ??q ； s=1?cos-1[(1－ll)(1?)]1/2 r1r2 δ表示不同的两横模（比如υ00与υ 比，于是（20）式可简写作： 10）之间的频差与相邻两纵模之间的频差之 (?m??n)?? s （21） 只要我们能测出δ，并通过产品说明书了解到l、r1、r2（这些数据生产厂家常给出）， 那么就可以由（21）式求出（δm+δn）。如果我们选取m=n=0作为基准，那么便可以判断出 横模序数m、n。例如，我们通过测量和计算求得（δm+δn）=2，那么，激光器可能工作于 υ00、υ10、υ01、υ11、υ20、υ02。 2. 共焦球面扫描干涉仪的基本工作原理 共焦球面扫描干涉仪由两块镀有高反射率的凹面镜构成，如图2—2。反射镜的曲率半径 r1=r2=l。 图 2-2 由于反射镜的反射率相当高，注入腔内的光束将在腔内多次反射形成多光束，从多光束