文档介绍：《光电子技术实验》实验报告
固体激光器的静态特性及调Q技术
无36 丁思明 2013011171
实验目的
掌握固体激光器与调Q的工作原理;
掌握固体激光器的调节方法,了解谐振腔参数及调节精度对激光器性能的影响;
测量固体激光器的静态输出特性和调Q输出特性;
掌握用于固体激光器调整和测量的仪器的使用方法。
实验原理
固体激光器的工作原理
固体激光器主要由激光工作物质、激励泵源、聚光器和光学谐振腔组成,其结构示意如下图所示:
本次实验中的激光工作物质为钕玻璃,激活粒子为掺在玻璃中的钕离子, 𝜇m。
钕粒子产生受激辐射的原理如下图所示:
钕粒子吸收光泵的能量由基态𝐸1跃迁到𝐸4能带,由于𝐸4能带寿命很短,钕粒子很快以无辐射跃迁的形式跃迁到𝐸3能级,𝐸3是亚稳态能级,具有较长的能级寿命,钕粒子可以在该能级上积累起来,𝐸3能级的钕粒子向𝐸2能级跃迁,由𝐸2能级返回基态,由于𝐸2能级在热平衡时基本处于空的状态,因此在光泵情况下,容易在𝐸3能级和𝐸2能级上实现集居数
反转,实现受激辐射。
光在处于集居数反转的工作物质中传播时,用增益系数𝐺来表示通过单位长度激活物质后增强的百分数。当光强较小时,增益系数与光强无关,称为小信号增益系数,用𝐺0表示。与此同时,光在谐振腔中传播时,由于谐振腔反射镜的透射、吸收损耗、散射损耗等造成光在往返传播中不断衰减,用损耗系数𝛼来表示,因此可以得出激光形成自激振荡的条件为
𝐺0𝑙≥𝛼𝐿
其中𝑙为工作物质长度,𝐿为谐振腔的长度。
调Q原理
静态固体激光器输出能量分布在众多尖小的脉冲而限制了输出功率,采用调Q技术可以使激光能量集中在一个单脉冲中输出,大大提高固体激光器的输出功率的峰值。
调Q技术是采用调Q器件的饱和吸收特性实现的。调Q晶体是一种非线性吸收介质,其吸收系数𝐴与入射光强𝐼之间的关系可以表示为:
易知当光强较弱时,调Q晶体对入射光有较强的吸收,随着入射光强增加,吸收系数减小。当光泵激励刚开始时,腔内光强很弱,调Q晶体的吸收很强,给激光器引入很大的损耗,激光不能产生。光泵继续激励时,使得工作物质内反转集居数不断积累,使腔内光强不断增强,从而使调Q晶体吸收减弱,阈值反转集居数下降,当粒子反转集居数大于阈值反转集居数时,受激辐射迅速增强,光强迅速增大,这又使阈值反转集居数不断下降,直至饱和。由于激光器粒子反转集居数大大超过阈值,手机辐射光强急剧增长。同时受激辐射不断消耗上能级的粒子,使得粒子反转集居数下降,当反转集居数小于阈值后,光强减小,反转集居数阈值增大,激光迅速熄灭。上述过程中,激光器输出一个很窄的巨脉冲。
调Q激光器的输出能量曲线如下图所示,随之输入能量的增加,输出能量阶梯状增长,阶梯高度近似相等,这是由于输入能量较大时,在调Q晶体输出第一个脉冲之后,光泵继续激励回事激光器输出第二个脉冲,以此类推。
实验步骤
实验装置如下图所示:
其中He-Ne激光器和内调焦望远镜用于调整整个光路平行,半反膜镀在钕玻璃的一端,氙灯和聚光器作为工作物质钕玻璃的光泵。能量计用于测量输出脉冲的能量,光电探测器和示波器用于观察输出特性曲线。
实验步骤如下:
1. 调整光路使得工作物质断面与全反镜平行,使得静态