固体脉冲激光器输出特性的研究实验报告

MOPA结构脉冲光纤激光器输出特性的实验研究陈圳;任海兰【摘要】A two-stage optical amplification system is constructed by using double-clad Yb-doped fiber as the gain medium and multi-mode continuous pumped laser diode as the pump source.The circuit-direct modulated semiconductor laser is used as seed source to develop Master-Oscillator Power-Amplified (MOPA)fiberized pulsed fiber lasers.The output power character-istics of the fiber laser and gain characteristics of the secondary amplifier under different pulse width and repetition frequency are studied experimentally.A pulsed laser output with central wavelength of 1.06μm,peak power of 10.4 kW and maximum average power of 21 .3 W is obtained by adj usting the seed source under the condition that the primary pumped power is 2 W and secondary pumped power is 31 W.The maximum gain can reach 16.7 dB at 900 kHz repetition frequency.The experimen-tal results show that the pulse width and repetition frequency are positively correlated with the laser output power.At high rep-etition frequency,the gain characteristics of optical amplifier are positively correlated with the pulse width.%采用双包层掺镱光纤作为增益介质,多模连续泵浦激光二极管作为泵浦源,构造了两级光放大系统;采用电路直接调制的半导体激光器作为种子源,研制了主振荡功率放大结构全光纤化脉冲光纤激光器.对不同脉冲宽度、重复频率下的激光器输出功率特性和二级放大器的增益特性进行了实验研究.在一级泵浦光功率为2 W、二级泵浦光功率为31 W的条件下,通过对种子源直接调制,得到了中心波长为1.06μm、峰值功率为10.4 kW、最大平均功率为21.3 W的脉冲激光输出.在900 kHz重复频率下具有最高增益16.7 dB.实验结果表明,脉冲宽度和重复频率与激光输出功率呈正相关;在高重复频率下,光放大器增益特性与脉冲宽度呈负相关.【期刊名称】《光通信研究》【年(卷),期】2018(000)003【总页数】4页(P52-54,72)【关键词】光纤激光器;主振荡功率放大;脉冲激光;级联放大器【作者】陈圳;任海兰【作者单位】武汉邮电科学研究院,武汉 430074;武汉邮电科学研究院,武汉430074【正文语种】中文【中图分类】TN2560 引言光纤激光器因具有光束质量高、成本低、转换效率高、稳定性好、体积小、兼容性强、寿命长和散热快等优点而备受关注。

半导体泵浦固体激光大恒新纪元科技股份有限公司版权所有不得翻印半导体泵浦固体激光器综合实验.、八、-刖言半导体泵浦固体激光器 <Diode-Pumped solid-state Laser,DPL）,是以激光二极管 <LD ）代替闪光灯泵浦固体激光介质地固体激光器，具有效率高、体积小、寿命长等一系列优点，在光通信、激光雷达、激光医学、激光加工等方面有巨大应用前景，是未来固体激光器地发展方向•本实验地目地是熟悉半导体泵浦固体激光器地基本原理和调试技术，以及其调 Q和倍频地原理和技术.b5E2RGbCAP二、实验目地a）掌握半导体泵浦固体激光器地工作原理和调试方法；b）掌握固体激光器被动调Q地工作原理，进行调Q脉冲地测量；c）了解固体激光器倍频地基本原理.三、实验原理与装置d）半导体激光泵浦固体激光器工作原理：上世纪80年代起，生长半导体激光器<LD ）技术得到了蓬勃发展，使得LD地功率和效率有了极大地提高，也极大地促进了DPSL技术地发展.与闪光灯泵浦地固体激光器相比,DPSL地效率大大提高，体积大大减小.在使用中，由于泵浦源 LD地光束发散角较大，为使其聚焦在增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换< 耦合）.泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种，其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹配好等优点.侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器.本实验采用端面泵浦方式.端面泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两种方式.p1EanqFDPwe) 直接耦合：将半导体激光器地发光面紧贴增益介质 ，使泵浦光束在尚未发散开之前便被增益介质吸收，泵浦源和增益介质之间无光学系统，这种耦合方式称为直接耦合 方式.直接耦合方式结构紧凑，但是在实际应用中较难实现，并且容易对 LD 造成损 伤.DXDiTa9E3d f) 间接耦合：指先将 LD 输出地光束进行准直、整形，再进行端面泵浦•常见地方法 有：g)组合透镜系统聚光：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合 h) 自聚焦透镜耦合：由自聚焦透镜取代组合透镜进行耦合，优点是结构简单，准直光斑 地大小取决于自聚焦透镜地数值孔径• RTCrpUDGiT i) 光纤耦合：指用带尾纤输出地 LD 进行泵浦耦合•优点是结构灵活.本实验先用光纤柱透镜对半导体激光器进行快轴准直 ，压缩发散角，然后采用组合透镜对泵浦光束进行整形变换，各透镜表面均镀对泵浦光地增透膜，耦合效率高•本实验地压缩和耦 图1半导体激光泵浦固体激光器地常用耦合方式图2 本实验LD 光束快轴压缩耦合泵浦简图j)激光晶体LD 自聚焦透镜激光晶体3.LD 光纤 激光晶体4. 4•光纤耦合 3•自聚焦透镜耦合2•组合透镜耦合1•直接耦合TEC 和 散热片 耦合系统Nd:YAG快轴准直电源图3Nd:YAG 晶体中Nd 3+吸收光谱图激光晶体是影响 DPL 激光器性能地重要器件•为了获得高效率地激光输出，在一定运转方式下选择合适地激光晶体是非常重要地•目前已经有上百种晶体作为增益介质实现了连续 波和脉冲激光运转，以钕离子<Nd 3+）作为激活粒子地钕激光器是使用最广泛地激光器•其中, 以Nd 3+离子部分取代 Y 3AI 5O 12晶体中丫3+离子地掺钕钇铝石榴石 <Nd:YAG ），由于具有量子 效率高、受激辐射截面大、光学质量好、热导率高、容易生长等地优点，成为目前应用最广 泛地LD 泵浦地理想激光晶体之一 .Nd ：YAG 晶体地吸收光谱如图 3所示.jLBHrnAlLg从Nd:YAG 地吸收光谱图我们可以看出,Nd:YAG 在807.5nm 处有一强吸收峰.我们如果 选择波长与之匹配地 LD 作为泵浦源，就可获得高地输出功率和泵浦效率，这时我们称实现了 光谱匹配.但是丄D 地输出激光波长受温度地影响，温度变化时，输出激光波长会产生漂移 ，输出功率也会发生变化.因此,为了获得稳定地波长，需采用具备精确控温地LD 电源，并把LD 地温度设置好，使LD 工作时地波长与 Nd:YAG 地吸收峰匹配.xHAQX74J0X另外,在实际地激光器设计中，除了吸收波长和出射波长外 ，选择激光晶体时还需要考虑掺杂浓度、上能级寿命、热导率、发射截面、吸收截面、吸收带宽等多种因素.LDAYtRyKfE k ） 端面泵浦固体激光器地模式匹配技术图4是典型地平凹腔型结构图.激光晶体地一面镀泵浦光增透和输出激光全反膜，并作 为输入镜，镀输出激光一定透过率地凹面镜作为输出镜 .这种平凹腔容易形成稳定地输出模 , 同时具有高地光光转换效率，但在设计时必须考虑到模式匹配问题 .Zzz6ZB2Ltk如图4所示，则平凹腔中地g 参数表示为:EDO 81Q vavelsngth (mt)pn LEJ根据腔地稳定性条件，L! 时腔为稳定腔•故当I时腔稳定•同时容易算出其束腰位置在晶体地输入平面上，该处地光斑尺寸为：本实验中,R i为平面，R2=200mm,L=80mm.由此可以算出_大小.所以,泵浦光在激光晶体输入面上地光斑半径应该工!1 ,这样可使泵浦光与基模振荡模式匹配，在容易获得基模输出.l）半导体激光泵浦固体激光器地被动调Q技术目前常用地调 Q方法有电光调 Q、声光调 Q和被动式可饱和吸收调Q.本实验采用地Cr4+:YAG是可饱和吸收调 Q地一种，它结构简单，使用方便，无电磁干扰，可获得峰值功率大、脉宽小地巨脉冲.dvzfvkwMIlCr4+:YAG被动调Q地工作原理是：当 Cr4+:YAG被放置在激光谐振腔内时，它地透过率会随着腔内地光强而改变.在激光振荡地初始阶段,Cr4+:YAG地透过率较低＜初始透过率），随着泵浦作用增益介质地反转粒子数不断增加，当谐振腔增益等于谐振腔损耗时，反转粒子数达到最大值，此时可饱和吸收体地透过率仍为初始值.随着泵浦地进一步作用，腔内光子数不断增加，可饱和吸收体地透过率也逐渐变大，并最终达到饱和.此时,Cr4+:YAG地透过率突然增大,光子数密度迅速增加，激光振荡形成.腔内光子数密度达到最大值时，激光为最大输出，此后, 由于反转粒子地减少，光子数密度也开始减低，则可饱和吸收体Cr4+:YAG地透过率也开始减低.当光子数密度降到初始值时，Cr4+：YAG地透过率也恢复到初始值，调Q脉冲结束.rqyn14ZNXI m）半导体激光泵浦固体激光器地倍频技术光波电磁场与非磁性透明电介质相互作用时，光波电场会出现极化现象.当强光激光产生后,由此产生地介质极化已不再是与场强呈线性关系，而是明显地表现出二次及更高次地非线性效应.倍频现象就是二次非线性效应地一种特例.本实验中地倍频就是通过倍频晶体实现对Nd:YAG输出地1064nm红外激光倍频成 532nm绿光.EmxvxOtOco常用地倍频晶体有 KTP、KDP、LBO、BBO和LN等.其中，KTP晶体在1064nm光附近有高地有效非线性系数，导热性良好，非常适合用于 YAG激光地倍频.KTP晶体属于负双轴晶体,对它地相位匹配及有效非线性系数地计算，已有大量地理论研究，通过KTP地色散方程，人们计算出其最佳相位匹配角为：壬90 ° ,=二,S° ,对应地有效非线性系数d eff=7.36 X012V/m. SixE2yXPq5倍频技术通常有腔内倍频和腔外倍频两种.腔内倍频是指将倍频晶体放置在激光谐振腔之内，由于腔内具有较高地功率密度，因此较适合于连续运转地固体激光器•腔外倍频方式指将倍频晶体放置在激光谐振腔之外地倍频技术，较适合于脉冲运转地固体激光器 .6ewMyirQFL 四、实验内容与要求n) LD安装及系统准直o) 将LD电源接通•通过上转换片观察LD出射光近场和远场地光斑.测量LD经快轴压缩后地阈值电流和输出特性曲线.kavU42VRUsp) 将耦合系统、激光晶体、输出镜、Q开关、准直器等各元器件安装在调整架和滑块上；q) 将准直器安装在导轨上，利用直尺将其调整成光束水平出射，中心高度50mm,水平并且水平入射在激光晶体中心位置；y6v3ALoS89r) 通过调整架旋钮微调耦合系统地倾斜和俯仰，使晶体反射光位于准直器中心，并且准直光通过晶体后仍垂直进入LD ；M2ub6vSTnPs) 通过调整架旋钮微调Nd:YAG晶体地倾斜和俯仰，重复上一步地调节步骤.t) 在准直器前安装T1输出镜，调整旋钮使输出镜地反射光点位于准直器中心.u) 半导体泵浦固体激光器实验图5 半导体泵浦固体激光器实验装置图w) 在准直器前安装T1输出镜，调整旋钮使输出镜地反射光点位于准直器中心•根据实验装置图设置其与晶体之间地距离•打开LD电源，缓慢调节工作电流到 1.3A.微调输出镜倾斜和俯仰使系统出光，然后微调激光晶体、耦合系统，使激光输出得到最大值；OYujCfmUCwx)将LD电流调到最小，然后从小到大渐渐增大LD电流，从激光阈值电流开始，每格0.2A测量一组固体激光器系统输出功率•结合LD地功率-电流关系，在实验报告上绘出激光输出功率-泵浦功率曲线；eUts8ZQVRdy) 更换为T2输出耦合镜，重复3.b、3.C地步骤，测试不同LD电流下地激光输出功率；z) 根据实验数据和曲线，计算两种耦合输出下地激光斜效率和光光转换效率，并作简要分析•aa)半导体泵浦固体激光器调Q实验图6调Q 实验装置图dd ）安装Cr 4+：YAG 晶体，在准直器前准直后放入谐振腔内 丄D 电流调到1.7A,观察输出地平均功率，微调调整架，使激光输出平均功率最大； sQsAEJkW5Tee ）降低LD 电流到零 撚后从小到大缓慢增加，测量1.7A 、2.0A 、2.3A 时输出脉冲地 平均功率；ff ）安装探测器，取三个不同地LD 工作电流＜1.7A 、2.0A 、2.3A ）,分别测量输出脉冲地脉宽、重频；gg ）计算不同功率下地峰值功率，对不同功率下地输出脉冲进行对比，并作简要分析 hh ）半导体泵浦固体激光器倍频实验ii) jj)图7倍频实验装置图kk ）将输出镜换为短波通输出镜 ，微调调整架使其反射光点在准直器中心 .打开LD 电源,取工作电流1.7A,微调输出镜、激光晶体、耦合系统地旋钮，使输出激光功率最 大; GMslasNXkAll ） 安装KTP 晶体 ＜或LBO ），在准直器前准直后放入谐振腔内 ，倍频晶体尽量靠近激光晶体•调节调整架，使得输出绿光功率最亮；然后旋转 KTP 晶体 ＜或LBO ），观察 旋转过程中绿光输出有何变化； TlrRGchYzg五、实验结果与思考1. 什么是半导体泵浦固体激光器中地光谱匹配和模式匹配？2. 可饱和吸收调 Q 中地激光脉宽、重复频率随泵浦功率如何变化？为什么？实验装置图 电源 TEC 禾口 耦合系统Nd:YAG KTP 输岀镜 准直器2.把倍频晶体放在激光谐振腔内对提高倍频效率有何好处？半导体泵浦固体激光器注意事项1.半导体激光器＜LD ）对环境有较高要求，因此本实验系统需放置于洁净实验室内.实验完成后，应及时盖上仪器罩，以免LD沾染灰尘.7EqZcWLZNX2.LD对静电非常敏感.所以严禁随意拆装LD和用手直接触摸LD外壳.如果确实需要拆装,请带上静电环操作，并将拆下地LD两个电极立即短接.lzq7IGfO2E3.不要自行拆装LD电源.电源如果出现问题，请与产家联系.同时丄D电源地控制温度已经设定，对应于LD地最佳泵浦波长,请不要自行更改.zvpgeqJIhk4.LD、耦合系统、激光晶体，两两滑块之间距离大约为32mm、8mm,经调整好以后最好不要随意变动，以免影响实验使用.NrpoJac3v15.准直好光路后需用遮挡物＜如功率计或硬纸片）挡住准直器，避免准直器被输出地红外激光打坏.6.实验过程避免双眼直视激光光路.人眼不要与光路处与同一高度，最好能带上激光防护镜操作.典型实验结果＜参考）：T仁5%,T2=10%。

第3章激光器的输出特性前两章由发光的物理基础出发,对激光产生的工作原理进行了研究，对于在激光谐振腔中受激辐射大于自发辐射而导致光的受激辐射放大的过程和条件进行了很详细的讨论，为研究从激光谐振腔中传播，到其在腔外的光束强度与相位的大小与分布，也就是激光的输出特性打下了基础。

激光器作为光源与普通光源的主要区别之一是激光器有一个谐振腔，谐振腔倍增了激光增益介质的受激放大作用长度以形成光的高亮度，提高了光源发光的方向性。

实际上激光的第三个重要特点——高度的相干性也是由谐振腔决定的。

由于激光器谐振腔中分立的振荡模式的存在，大大提高了输出激光的单色性，改变了输出激光的光束结构及其传输特性。

因此本章从谐振腔的衍射理论开始研究激光输出的高斯光束传播特性，激光器的输出功率以及激光器输出的线宽极限。

3.1光学谐振腔的衍射理论2.1节中利用几何光学分析方法讨论了光线在谐振腔中的传播、谐振腔的稳定性问题以及谐振腔的分类。

而有关谐振腔振荡模式的存在、各种模式的花样也就是光束结构及其传输特性、衍射损耗等，只能用物理光学方法来解决。

光学谐振腔模式理论实际上是建立在标量理论的菲涅耳——基尔霍夫衍射积分以及模式再现概念的基础上的，本节用这种方法来讨论光学谐振腔。

3.1.1菲涅耳——基尔霍夫衍射公式惠更斯为了描述波的传播过程，提出了关于子波的概念，认为波面上每一点可看作次球面子波的波源，下一时刻新的波前形状由次级子波的包络面所决定。

菲涅耳引入干涉的概念，补充了惠更斯的原理，认为子波源所发的波应是相干的，空间光场是各子波干涉叠加的结果。

基尔霍夫进一步用格林函数方法求解波动方程，得到惠更斯一菲涅耳原理的数学形式，就是菲涅耳——基尔霍夫衍射公式(3-1)，其意义如图（3-1）所示。

图（3-1）惠更斯一菲涅耳原理设波阵面∑上任一源点'P 的光场复振幅为'(')u P ，则空间任一观察点P 的光场复振幅()u P 由下列积分式计算()'(')(1cos )'4ik ik e u P u P ds ρθπρ-∑=⎰⎰＋ (3-1)式中ρ为源点'P 与观察点P 之间的距离；θ为源点'P 处的波面法线n 与'PP 的夹角； 2k πλ=为光波矢的大小，λ为光波长；'ds 为源点'P 处的面元。

GCS-YAG灯泵YAG激光器综合实验用途：固体激光器是各类激光器中最早获得激光输出的一种，发展非常迅速。

固体激光器的特点是有较大的输出功率和紧凑的结构，机械强度也较大，因此在工农业和军事上得到广泛的应用。

例如在工业上用来打孔，切割、焊接等加工，医学上用来作视网膜焊接，在军事上则利用强大的激光脉冲来测距和定向。

掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器可实现连续激光输出，其功率已达到kW数量级，目前已利用它制成各种激光通信、加工设备和激光导航仪器。

知识点：谐振腔调整、泵浦（抽运）、固体激光器输出特性、电光调Q、激光倍频、相位匹配角、功率密度、激光能量。

对学生的要求：熟悉激光原理，对激光技术有一定了解，具备初步的谐振腔调整经验和能量计使用经验。

涉及课程：激光原理与技术、光电子学、信息光子学。

实验目的：（1）理解激光受激辐射放大、谐振腔、泵浦等基本概念;（2）掌握电光调Q固体激光器的基本原理、基本结构和输出特性；（3）掌握电光调Q固体激光器主要输出参数的测试方法（4）了解激光倍频技术。

实验特点：本实验为典型的激光原理与技术综合实验，其内容覆盖了构造固体激光器、谐振腔调整、激光器输出特性研究、电光调Q、激光倍频等多个知识点，内容丰富，训练全面，系统接近实际应用。

既适合于教学研究，又可作为理论和实践相结合的设计性实验。

基本原理：本实验采用闪光灯侧面泵浦YAG方式，通过谐振腔稳定性设计，产生1064nm激光输出，可进行激光器输出特性的测量。

利用晶体的电光效应制成Q开关，采用带起偏器的电光调Q，产生峰值功率高、脉冲宽度窄的单脉冲激光。

同时采用腔外倍频技术，在动态、静态情况下输出532nm激光。

原理示意图：典型实验结果：输出电压(V)静态输出（mJ）动态输出（mJ）400200160600380260800530360990620400技术指标系统指标l 激光波长：YAG输出1064nm,倍频532nml 输出能量： 600mj(1064nm静态)400mj(1064nm,动态) 50mj(1064nm,选模)l 脉冲宽度：～10ns ～100usl 光束发散角：≤5mradl 调Q方式：电光调Q：1～5kv(可调)KTP晶体l Q开关：工作物质KTP半波电压：3800Vl Q开关工作物质:KTP半波电压：3800Vl 开关型脉冲激光光源输入电压：AC220V 允许±10%的波动额定输出功率：1000W适应负载：氙灯（单灯）输出电压调节范围：100～1000V外观尺寸：360×70×80（mm）放电频率 1、3、5、10（手动）HZ零部件指标l 指示激光： 2mW 632.8nm HeNe激光器l 光学元件（1）光学材料：K9 A级精密退火（2）透镜焦距：±2%（3）透镜直径：-0.2mm（4）透镜中心偏差：3’（5）光圈：1-5（6）局部误差：0.2-0.5（7）面粗糙度：60/40（Scratch/Dig）（8）镀膜：氟化镁增透膜（9）有效孔径：90%Φl 机械和调整部件（1）角度精度：±4’（2）分辨率：0.005mml 激光能量计1. 光谱相应范围：0.19-11μm2. 不确定度：±5% 配置清单序号以上是灯泵YAG激光器综合实验光学仪器的详细信息，如果您对灯泵YAG激光器综合实验光学仪器的价格、厂家、型号、图片有什么疑问，请联系我们获取灯泵YAG激光器综合实验光学仪器的最新信息。

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，其英文为Laser ，全名为Light amplification by stimulated emission of radiation ，全名译为辐射的受激发光放大。

这很好地概括了激光产生的机制。

激光器就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，首先必须利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，并且需要满足一定的条件。

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，处于基态的粒子向高能级跃迁，比如跃迁到234F 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，泵浦到一定程度时，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。

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1221 l e r r G (6-1-2)式中：21,r r 一谐振腔两端反射镜的反射率（包括反射镜的吸收，透射和衍射损失）；l —激活介质的长度；G —激活介质的增益系数，定义为：()dzz I z dI v G v v .)()(=(6-1-3)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。

Nd:YAG激光器自由运转及调Q实验【实验目的】1.了解固体激光器的结构及工作原理（自由运转和染料调Q），掌握其调整方法；2.了解固体激光器的主要参数的测试技术；3.观察调Q脉冲经过KTP晶体实现倍频现象，了解倍频中相位匹配特性。

【实验原理】一、自由振荡1.固体激光器组成固体激光器主要由工作物质，泵浦光源和光学谐振腔三大部分组成。

常用的工作物质有红宝石，掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG），钛宝石等晶体和钕玻璃等。

谐振腔常用两个平面或球面反射镜。

泵浦光源常用氙灯、氪灯、高压汞灯，碘钨灯。

在本实验中，激光器的主要元件为：①工作物质：掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）；②光学谐振腔：双氙灯，双椭圆聚光腔，重复脉冲电源；③谐振腔镜：双色镜，部分反射镜。

2.自由振荡固体激光器的输出特性自由振荡激光器输出激光脉冲的特点是具有尖峰结构，即由许多振幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成。

每个尖峰的宽度约为0.1～1 μs，间隔为数微秒，脉冲序列的时间长度大致等于闪光灯泵浦持续的时间。

这种现象称为激光器的弛豫振荡。

产生弛豫振荡的主要原因是：当激光器的工作物质被泵浦，上能级的粒子反转数超过阈值条件时，即产生激光振荡，使腔内光子密度增加而发射激光。

随着激光的发射，上能级粒子数被大量消耗，导致粒子反转数降低，当低于阈值水平时，激光振荡就停止，这时，由于光泵的继续抽运，上能级粒子反转数重新积累，当超过阈值时，又产生第二个脉冲，如此不断重复上述过程，直到泵浦结束。

可见每个脉冲都是在阈值附近产生的，因此脉冲的峰值功率水平较低，从这个作用过程可以看出，增加泵浦功率也是无助于峰值功率的提高，而只会使小尖峰的个数增加。

二、调Q 的概念在激光技术中 ，用品质因数 Q 来描述与谐振腔损耗有关的特性。

Q 值定义为2Q v π=腔内存储的激光能量每秒损耗的能量用W 表示腔内存储的能量，δ表示腔的单程损耗，且设谐振腔长度为L，工作介质折射率n，光速c，则Q 值可表示为22/W nLQ v Wc nL ππδδλ==式中λ0为真空激光波长。

一、实验目的1. 理解激光的基本原理和特性。

2. 掌握激光器的结构和工作原理。

3. 学会调节激光器的输出，观察和分析激光的特性。

4. 了解激光在各个领域的应用。

二、实验原理激光是一种特殊的光，具有高方向性、高单色性和高相干性。

激光的产生依赖于受激辐射现象，即当光子与物质相互作用时，物质中的原子或分子被激发到高能级，随后自发辐射跃迁回低能级，同时释放出与入射光子相同频率、相位和传播方向的光子。

三、实验仪器与材料1. 实验仪器：激光器、示波器、光谱仪、光功率计、光束整形器、偏振片、分光计等。

2. 实验材料：激光介质、激光谐振腔、电源、光耦合器、光纤等。

四、实验内容1. 激光器结构观察观察激光器的结构，了解其组成部分，包括激光介质、激光谐振腔、泵浦源、冷却系统等。

2. 激光器输出调节调节激光器的输出，观察和分析激光的特性。

具体步骤如下：（1）连接激光器与示波器，观察激光器输出的光信号。

（2）调节激光器的泵浦电流，观察输出光信号的强度变化。

（3）使用偏振片观察激光的偏振特性。

（4）使用光谱仪分析激光的波长分布。

（5）使用光束整形器观察激光的光束形状。

3. 激光特性分析分析激光的特性，包括方向性、单色性和相干性等。

具体步骤如下：（1）使用分光计测量激光的方向性。

（2）使用光谱仪测量激光的单色性。

（3）使用干涉仪测量激光的相干性。

4. 激光应用演示演示激光在各个领域的应用，如光纤通信、激光切割、激光焊接、激光测距等。

五、实验结果与分析1. 激光器输出调节结果（1）调节激光器的泵浦电流，观察到输出光信号的强度随电流增加而增强。

（2）使用偏振片观察激光的偏振特性，发现激光具有线偏振特性。

（3）使用光谱仪分析激光的波长分布，发现激光的波长为1064nm。

（4）使用光束整形器观察激光的光束形状，发现激光的光束为高斯光束。

2. 激光特性分析结果（1）使用分光计测量激光的方向性，发现激光的方向性很好，发散角小于1mrad。

实验八 电光调Q 技术一、实验目的1.掌握固体激光器中电光调Q 技术的基本原理；2.掌握调Q 激光器输出能量、脉冲宽度等主要指标的测量方法；3.了解影响电光调Q 效果的因素，并掌握调试技术。

二、实验原理一般不加调Q 技术的固体激光器输出的激光脉冲是由一系列强度不等尖峰脉冲序列组成的。

这种输出特性称为激光的弛豫振荡，脉冲的峰值功率约为几十千瓦量级，总的脉冲宽度为毫秒量级。

为了提高固体激光器输出激光脉冲的峰值功率，需要采用调Q 技术。

采用此技术脉冲输出峰值功率可达几十兆瓦以上。

目前电光调Q 技术是较常用的调Q 技术。

由晶体光学可知，KD *P 晶体在Z 轴方向的电场作用下三个感应主折射率为：E n n n x 6330021'γ-= E n n n y 6330021'γ+= e z n n =式中n 0为O 光折射率，n e 为E 光折射率，γ63为光电系数，E 为z 方向电场强度，沿z 方向入射的线偏光进入长度为e 晶体后，沿新主轴x ′、y ′方向分解相互垂直的偏振分量，并产生相位差：ZX y x V n l E n l n n 63306330''22)(2γλπγλπλπϕ∆=⋅=⋅-= 式中V Z 是沿z 方向加在晶体上的电压，当通过晶体的光波波长确定后，相位差 Δϕ只取决于外加电压V Z 。

当位相差为π弧度时所需要的电压称为“半波电压”，用V λ/2表示；当相位差为π/2弧度时所需要的电压称为“四分之一波电压”用 V λ/4表示，即：63304/4γλλn V = 对于KD *P 晶体：n 0=1.51 r 63=23.6×10-12m/VT 1 小孔光栏 He-NeT 2 图8-1 电光Q 开关红宝石激光器示图光电调Q 红宝石激光器如图8—1所示，由反射镜M 1和M 2构成激光谐振腔，其中M 2为部分反射镜；R 为60°生长红宝石激光晶体（即晶轴与光轴成60°角）；KD *P 为磷酸二氘钾电光晶体，由于KD *P 晶体易潮解，因此密封在晶体盒内。

半导体泵浦固体激光器实验报告实验名称：半导体泵浦固体激光器实验实验目的：1. 了解半导体泵浦固体激光器的工作原理和基本结构；2. 学习激光器的调谐方法和测量激光器的光学特性；3. 熟悉激光器的使用，掌握激光器实验中的各种技能。

实验原理：半导体泵浦固体激光器是利用半导体激光二极管激发固体激光材料来产生激光的一种激光器。

其基本结构如图所示：![image](其中，激光二极管的电流经过施加，产生激光并通过聚焦透镜进行集中，通过反射镜反射，激活激光材料的原子和分子的电子从基态跃迁到激发态，形成放电状态，当放电状态达到一定密度时，形成激光束发射出去。

半导体泵浦固体激光器的调谐方法有很多种，如通过调整输出反射镜的位置和倾角，调整背面反射镜的位置和倾角等，从而达到调谐的目的。

同时，对激光器的光学特性有很多种测量方法，包括激光器产生激光的波长、光功率等参数，以及激光束的透过合大度、束径、谐波烽度谱等。

实验步骤：1. 搭建半导体泵浦固体激光器实验装置，并对各个部件进行检查和调整。

2. 通过调整输出反射镜和背面反射镜的位置和倾角，调谐激光器的输出波长，并测量激光的光功率。

3. 测量激光束的透过合大度、束径、谐波烽度谱等光学特性。

4. 尝试改变激光二极管的电流和输出反射镜的位置和倾角，观察激光器的输出特性的变化。

实验结果：通过调整输出反射镜和背面反射镜的位置和倾角，成功调谐了激光器的输出波长，同时测量得到了激光的光功率和各种光学特性参数。

实验结论：半导体泵浦固体激光器是一种常见的激光器，其工作原理和基本结构比较简单，可以通过调谐输出镜和背面反射镜的位置和倾角来实现对激光的调谐。

同时，激光器的光学特性也可以通过多种方法进行测量和分析，可以应用于各种实际应用场景中。

半导体泵浦固体激光器综合实验实验讲义大恒新纪元科技股份有限公司版权所有不得翻印半导体泵浦固体激光器综合实验一、前言半导体泵浦固体激光器（Diode-Pumped solid-state Laser，DPL），是以激光二极管（LD）代替闪光灯泵浦固体激光介质的固体激光器，具有效率高、体积小、寿命长等一系列优点，在光通信、激光雷达、激光医学、激光加工等方面有巨大应用前景，是未来固体激光器的发展方向。

本实验的目的是熟悉半导体泵浦固体激光器的基本原理和调试技术，以及其调Q 和倍频的原理和技术。

二、实验目的a)掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法；b)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；c)了解固体激光器倍频的基本原理。

三、实验原理与装置d)半导体激光泵浦固体激光器工作原理：上世纪80年代起，生长半导体激光器（LD）技术得到了蓬勃发展，使得LD的功率和效率有了极大的提高，也极大地促进了DPSL技术的发展。

与闪光灯泵浦的固体激光器相比，DPSL的效率大大提高，体积大大减小。

在使用中，由于泵浦源LD的光束发散角较大，为使其聚焦在增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换（耦合）。

泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种，其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹配好等优点。

侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器。

本实验采用端面泵浦方式。

端面泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两种方式。

e)直接耦合：将半导体激光器的发光面紧贴增益介质，使泵浦光束在尚未发散开之前便被增益介质吸收，泵浦源和增益介质之间无光学系统，这种耦合方式称为直接耦合方式。

直接耦合方式结构紧凑，但是在实际应用中较难实现，并且容易对LD造成损伤。

f)间接耦合：指先将LD输出的光束进行准直、整形，再进行端面泵浦。

常见的方法有：g)组合透镜系统聚光：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合。

h)自聚焦透镜耦合：由自聚焦透镜取代组合透镜进行耦合，优点是结构简单，准直光斑的大小取决于自聚焦透镜的数值孔径。

全固体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． 调节激光器，观察基频光1064nm 的输出情况，理解激光模式的概念；5． 调节非线性晶体，观察倍频光532nm 绿光的输出情况。

二． 实验基本原理1． 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， （E 前面没有+） （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地基波频率，还有二次谐波、三次谐波等频率产生，形成能量转移，频率变换。

固体激光实验报告结果实验目的：考察固体激光的特性和性能，并探究其在科学研究和实际应用中的潜力。

实验步骤：1. 准备工作：a. 收集固体激光器所需材料和器件，包括固体激活物，光源，光学元件等。

b. 搭建实验装置，确保光路正常传输并能通过固体激光器。

c. 调整装置，使得固体激光器工作在所需的工作模式下。

2. 测量激光器的输出特性：a. 使用功率计测量激光器的输出功率，并随激发能量的变化记录数据。

b. 根据输出功率和激发能量的关系，绘制激光器的输出功率与激发能量的曲线图。

3. 测量激光器的光学特性：a. 使用光谱仪测量激光器的发射光谱，并记录数据。

b. 根据光谱数据，计算激光器的波长、频率和带宽。

c. 观察激光器的激射光束形状，并记录激光束的质量参数，如束直径、焦距等。

4. 实验应用：a. 将激光束通过光学扫描器或反射器进行控制和调整，观察激光束的偏转和聚焦效果。

b. 利用光敏材料，观察激光器在光学信息存储中的应用效果。

c. 利用光学干涉装置，观察激光器的相干性和干涉效果。

结果分析：根据实验数据和观察结果，可以得出以下结论：1. 固体激光器的输出功率与激发能量呈线性关系，并且功率随能量增加而增加。

2. 激光器的发射光谱在特定的波长范围内，具有较窄的带宽。

3. 激光器的激射光束形状呈高斯分布，具有良好的质量参数。

4. 激光束可通过光学装置进行控制和调整，具有良好的精确性和稳定性。

5. 激光器在光学信息存储和干涉装置中具有重要应用，展现出其在科学研究和实际应用中的潜力。

结论：固体激光器具有高输出功率、较窄的光谱带宽、良好的激射光束质量和稳定的光学特性。

它在科学研究和实际应用中具有广泛的潜力，可用于光学信息存储、光学测量、光学制造等领域。

在未来的研究和应用中，固体激光器将发挥越来越重要的作用。

激光原理实验激光安全须知实验一Nd3+:YAG激光器的安装与调试实验二Nd3+:YAG激光器参数测量实验三高斯光束远场发散角测量实验四氦氖激光器模式测量实验五电光调Q脉冲YAG激光器实验六KTP晶体倍频YAG激光器实验七YAG激光放大器激光安全须知1 大功率调Q脉冲激光装置所在地应有明确标志，非实验人员不得进入激光工作区域。

2 不可直视激光束(迎着激光束射来的方向看)和它的反射光束，不允许对激光器件做任何目视的准直操作。

3 对于不可见的红外激光束，实验者更应了解实验的光路布局，并避免使自己的头部保持在激光束高度所在的水平面内。

4 实验区域内不应存在任何带有闪亮表面的物体。

实验者应从身上除去此类饰物、手表与徽章等。

5 不可在有激光照射的情况下移动任何反射镜、光阑、能量汁探头和光谱仪器等。

6 不允许将激光束瞄准任何人体、动物、车辆、门窗和天空等。

对于由此而带来的对目的物的伤害，操作者负有法律责任。

7 不得在未停机或未确认储能元件均已放电完毕的情况下检修激光设备，避免造成电击伤害。

实验一Nd3+:YAG激光器的安装与调试一、实验目的1、通过对Nd3+:Y AG激光器的安装与调试熟悉固体激光器的结构和工作原理。

2、学会调整光学谐振腔的基本方法。

3、要求将激光器调整到有最佳输出状态。

二、仪器设备YAG棒：φ6Х80mm 脉冲氙灯：φ6Х80mm 半反镜透过率：T=80%谐振腔长：500mm 储能电容：100μF 聚光腔：1个激光电源：1台水冷设备：一套光学平台及支架：一套黑相纸：若干红光LED指示光源光源：一支小孔光阑：一个三、实验原理1、固体激光器基本结构YAG 棒图1、固体激光器基本结构固体激光器主要由工作物质，激励源和光学谐振腔三部分组成，其结构如图1。

本实验用激光器，工作介质φ6×80mm，泵灯为脉冲氙灯，尺寸为φ7×80mm，聚光腔采用镀银金属腔。

聚光腔的作用是使光泵发出的光更有效地集中照射到工作物质上，从而提高激光器的总体效率。

第1篇一、实验目的1. 了解激光的基本原理和分类方法。

2. 掌握不同类型激光的特性及其应用。

3. 通过实验操作，加深对激光理论知识的理解。

二、实验原理激光是一种受激辐射的光放大现象，具有方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等特点。

根据激光介质的不同，激光可分为固体激光、气体激光、液体激光和半导体激光等。

三、实验仪器与材料1. He-Ne激光器2. 气体激光器3. 固体激光器4. 半导体激光器5. 光谱仪6. 光电探测器7. 光具座8. 纸张、笔四、实验步骤1. 观察He-Ne激光器（1）将He-Ne激光器安装在光具座上，调整激光器至最佳工作状态。

（2）观察激光束的传播方向和光斑形状，记录观察结果。

（3）利用光谱仪分析He-Ne激光的波长，记录波长值。

2. 观察气体激光器（1）将气体激光器安装在光具座上，调整激光器至最佳工作状态。

（2）观察激光束的传播方向和光斑形状，记录观察结果。

（3）利用光谱仪分析气体激光的波长，记录波长值。

3. 观察固体激光器（1）将固体激光器安装在光具座上，调整激光器至最佳工作状态。

（2）观察激光束的传播方向和光斑形状，记录观察结果。

（3）利用光谱仪分析固体激光的波长，记录波长值。

4. 观察半导体激光器（1）将半导体激光器安装在光具座上，调整激光器至最佳工作状态。

（2）观察激光束的传播方向和光斑形状，记录观察结果。

（3）利用光谱仪分析半导体激光的波长，记录波长值。

五、实验结果与分析1. He-Ne激光器观察结果：He-Ne激光束为红色，传播方向性好，光斑形状为圆形。

分析：He-Ne激光器是典型的气体激光器，其波长为632.8nm，具有良好的单色性和相干性。

2. 气体激光器观察结果：气体激光束颜色多样，传播方向性好，光斑形状为圆形。

分析：气体激光器种类繁多，如CO2激光器、氩离子激光器等，具有不同的波长和特性。

3. 固体激光器观察结果：固体激光束颜色多样，传播方向性好，光斑形状为圆形。

佛山科学技术学院
实验报告
课程名称实验项目
专业班级姓名学号
指导教师成绩日期年月日
实验报告内容：一实验目的二实验仪器（仪器名称、型号、参数、编号）三实验原理（原理文字叙述和公式、原理图）四.实验步骤五、实验数据和数据处理六.实验结果七.分析讨论（实验结果的误差来源和减小误差的方法、实验现象的分析、问题的讨论等）八.思考题
2 Nd:YAG晶体中Nd3+吸收光谱图
的吸收光谱图我们可以看出，Nd:Y AG在807.5nm处有一强吸收峰。

我们如果选择波
作为泵浦源，就可获得高的输出功率和泵浦效率，这时我们称实现了光谱匹配。

但的输出激光波长受温度的影响，温度变化时，输出激光波长会产生漂移，输出功率也会发生变化。

因此，为了获得稳定的波长，需采用具备精确控温的LD电源，并把
的吸收峰匹配。

３．端面泵浦固体激光器的模式匹配技术。

1. 理解激光的产生原理，掌握固体激光器的工作机制。

2. 熟悉固体激光器的基本组成及其工作过程。

3. 学习使用激光器进行实验操作，观察激光输出特性。

二、实验原理激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）是一种通过受激辐射原理产生的高亮度、单色性好、方向性强的光。

固体激光器是利用固体激光材料作为工作物质的激光器，具有体积小、使用方便、输出功率大等特点。

固体激光器的工作原理如下：1. 激活离子吸收外界能量（如光、电、声等）后，从低能态跃迁到高能态，形成激发态。

2. 激发态的粒子是不稳定的，会自发地回到低能态，同时发出光子，称为自发辐射。

3. 当有外来光子与激发态粒子相遇时，激发态粒子会受激发射，产生与入射光子位相、频率和方向一致的光子，从而实现光的放大。

4. 激光器中的谐振腔使光在激光工作物质中多次往返，光子与激发态粒子发生受激辐射，使光强度不断放大。

三、实验仪器与材料1. 固体激光器（如红宝石激光器）2. 激光功率计3. 激光探测器4. 光谱分析仪5. 激光工作物质（如红宝石晶体）6. 反射镜片7. 光学支架1. 将固体激光器安装在光学支架上，确保激光器稳定。

2. 将激光功率计和激光探测器分别连接到激光器输出端和探测器位置。

3. 打开激光器电源，调节工作物质和反射镜片，使激光输出稳定。

4. 观察激光功率计和激光探测器显示的激光功率和光强。

5. 使用光谱分析仪分析激光光谱，观察激光的波长和线宽。

6. 改变激光器的工作条件，如工作物质温度、泵浦功率等，观察激光输出特性的变化。

五、实验结果与分析1. 激光功率和光强：实验过程中，激光功率计和激光探测器显示的激光功率和光强稳定，说明激光器工作正常。

2. 激光光谱：光谱分析仪显示的激光光谱呈现红宝石激光特有的红色谱线，波长约为694.3nm，线宽较窄，说明激光单色性好。

3. 激光输出特性：改变工作物质温度和泵浦功率，观察激光功率和光强的变化。