脉冲固体激光器特性参数测量课件

实验6-1 脉冲固体激光器输出特性研究固体激光器是指以某些晶体或特种玻璃为工作物质的激光器。

目前，世界上找到的能产生激光的固体物质有几十种，但应用比较成熟的只有钇铝石榴石（YAG：Nd3+）红宝石、钕玻璃等。

固体激光器有连续和脉冲两种工作方式。

连续激光器能长时间持续输出稳定的激光，功率从几毫瓦到几百瓦，脉冲激光器又可分为单脉冲激光器及重复频率激光器。

前者几秒钟发射一个脉冲，后者一秒钟发射几个到几十个脉冲，激光持续时间为毫秒级，功率为千瓦级。

在脉冲激光器上加一个调Q装置就成为巨脉冲激光器，它可以使激光脉冲缩短到纳秒（10-9s）数量级，从而大大提高了脉冲功率（兆瓦数量级）。

近年来出现的锁模技术的激光器——锁模激光器，其激光脉冲为皮秒（10-12s），甚至达到飞秒（10-15s）数量级，脉冲功率有很大增加。

固体激光器能输出连续激光或功率高的激光脉冲，从而产生用通常方法难以达到的局部超高温、超高压，因而应用越来越广泛。

在工业上用来打钟表钻石和喷丝头上的微孔，切割和焊接难熔金属。

在医疗上常用固体激光消除肿瘤以及作手术激光刀等。

以固体激光器为核心的激光测距仪和激光雷达广泛用于测量和国防上。

科学研究上常用固体激光器作为强光源实现动态全息摄影。

大能量的激光器还可以用来引发核聚变、探索受控热核反应等，前景十分广阔。

激光技术的飞速发展和广泛应用使得激光已成为高校中越来越多的学科、专业学习和研究的重要课题。

激光器的结构、工作原理，激光的形成条件及其性能和基本参数的检验与测定是非常必要的。

【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。

实验一固体激光器综合实验一. 主要功能和特点此套系统适用于光信息科学与技术、电子科学与技术、应用物理等相关专业。

可测量阈值、转换效率，倍频效率等参量，开设电光调Q ，选模等实验。

使学生全面了解激光原理和激光技术，掌握电光调Q 系统的调试方法。

电光调Q 固体脉冲激光器外罩机壳，整体美观大方，并可保护内部装置。

系统结构紧凑，采用内置三角导轨，具有良好的稳定性。

所有器件均采用标准件，互换性强，并且都可以拆卸，便于学生动手装调。

本装置的准直光源采用650nmLD 代替传统的He-Ne 激光器，具有体积小、使用安全、调节方便、光强可调等优点。

本装置采用脉冲氙灯泵浦Nd 3+:YAG 输出1064nm 激光，经倍频后可以输出532nm 激光。

采用P KD *电光晶体进行电光调Q ，可实现ns 级脉宽激光的输出。

二: 实验原理（一）: 激光原理简介 1：激光原理（1）自发辐射根据已知的理论，原子只能存在分立的能态，处在不同能态的原子具有不同的能量。

若原子处于内部能量最低的能量状态，称此原子处于基态，其它比基态能量高的状态，都叫做激发态。

在热平衡时，材料中处于下能态的原子数远比上能态的多，电磁波与其发生作用，能使原子从低能级上升到高能级。

这种原子在两个能级之间的变化叫做跃迁。

可以说，处于基态的原子，从外界吸收能量以后，将跃迁到能量较高的激发态。

在高能态上的原子是不稳定的，它总是力图使自己处于最低的能量状态；即使在没有任何外界作用的情况下，它也有可能从高能态2E 跃迁到低能态并把相应的能量释放出来。

这种在没有外界作用的情况下，原子从高能态向低能态的跃迁方式有两种：一种是在跃迁过程中，释放的能量以热量的形式放出，这称为无辐射跃迁；另一种跃迁过程中，释放出的能量是通过光辐射的形式放出，这称为自发辐射跃迁。

辐射的光子能量满足波尔关系：γh E E 12=- 1 （1.1）图2.1 自发辐射图2.2 受激吸收图2.3受激辐射原子自发辐射的特点是原子的自发辐射几率A21只与原子本身性质有关，与外界辐射场无关。

实验七 脉冲激光器输出特性和电光调Q 实验实验目的 1 •熟悉和深入理解脉冲固体激光器与电光调 Q 的工作原理。

2 •测量脉冲固体激光器的静态输出特性，了解谐振腔参数对激光器性能的 影响，掌握其调试方法。

3•测试电光Q 开关的消光经和电光调Q 激光器的输出特性（脉冲能量、脉 冲宽度、脉冲峰值功率、输出动静比），并与未调Q 时激光器输出相比较，从而 加深对调Q 激光器工作特性的理解。

4•通过本实验加深理解电光 Q 开关激光器的工作原理，熟悉电光Q 开关激 光器的调试方法。

实验原理1 •固体激光器通常由三个基本部分组成，即固体激光工作物质、泵浦源、 和光学谐振腔。

图1是固体激光器的基本结构示意图。

激光工作物质是激光器的心脏，产生激光的是激活离子，激光器的输出特性 在很大程度上由激活离子的能级结构决定。

目前，常用的固体激光工作物质有红宝石晶体、钕玻璃和掺钕钇铝石榴石（即 Nd 3+:YAG ）晶体。

由于Nd 3+:YAG 晶体具有荧光谱线窄、量子效率高等特点，它的增益高、阈值低、激光输出效率高， 故在中小功率的脉冲器件中，以及在高重复率的脉冲激光器中得到广泛应用。

本 实验中即采用Nd 3+:YAG 作为激光工作物质，该工作物质的激活离子为 Nd 3+,属 四能级系统，发射激光波长为 1.06卩m ，工作于脉冲方式。

Nd 3+:YAG 产生受激 辐射的能级如图2所示。

激活粒子（Nd 3+:离子）在这些能级之间的跃迁特性为： 在光泵作用下，处于基态能级E 1上的粒子被激发到高能级E 4上,由于E 4能级寿 命很短，处在该能级上的粒子很快以无辐射跃迁方式迅速转移到较低的激发态能 级E 3上，E 3为亚稳图7-1 固体激光器结构示意图态，在E3能级上的粒子有较长的寿命(10-3~10-4S),因而易于实现粒子数积累。

当粒子数由E3向E2跃迁时，产生激光辐射，粒子到达能级E2后，再以无辐射跃迁迅速地返回到基态E l。