固体激光器 13300200028 陈晔 核工程与核技术

激光器基本原理 粒子数反转 粒子数反转 受激辐射占主导 光放大现象 达到振荡阈值 激光输出 图片来源：激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦

激光器基本原理 激光晶体： Nd：YAG是一个典型的四能级系统。 Nd3+能级 下能级 上能级 基态 高能级 无辐射跃迁 受激辐射 波长的倒数 下能级 上能级 基态 高能级 无辐射跃迁 受激辐射 1064nm Nd3+吸收光谱 807.5nm 波长为1064nm的激光跃迁： 从4F3/2能级的R2 分量（上能级）跃迁到4I11/2能级的Y3分量（下能级） 图片来源：激光物理学 伍长征

实验仪器 激光波长：808nm，1064nm，532nm； TEC温控泵浦LD组件：中心波长808nm，精度±5nm，功率2W 温控电源：工作电流0-2.3A可调； 激光晶体: Nd3+:YAG，Φ3*5mm，四维可调； 激光输出镜:Ф200mm T=3%，二维可调； 被动调Q晶体：Cr4+:YAG晶体，Φ7x1mm，deff=7.36×10-12V/m，四维可调； 倍频晶体：KTP 3*3*5mm，五维可调；                          图片、数据来源：大恒光电官方网站实验器材资料

808nm半导体泵浦光源的I-P曲线测量及阈值研究 阈值约0.36A 直线拟合结果𝑦= 0.481±0.006 𝑥+(−0.152±0.009) 实际恰好开始有读数时的电压（阈值电压）为0.36mV， 直线拟合所得阈值电压为（0.316±0.019）mV。 说明信号很小时线性程度较差。即斜率在阈值电压处不是突变的。

温度对实验的影响 LD随温度变化的典型P-I 特性曲线 图片来源：固体激光器 吕百达

1064nm固体激光谐振腔设计与调整（难点） 基本原理：引入一个准直激光器，利用它来调准直 调节平移 调节俯仰 LD 准直激光器

1064nm固体激光谐振腔设计与调整（难点） 调输出镜平移、角度 耦合镜组 准直激光器 调平移：使准直激光器经输出镜前后两镜面分别反射形成的两个 光束（光斑）重合。 调角度：准直激光器光束经输出镜反射后光束回出光孔。 注意：为了形成稳定腔，输出镜和耦合镜组的距离不能太远。 泵浦光源 耦合镜组 准直激光器 激光晶体 输出镜

1064nm固体激光谐振腔设计与调整（难点） 泵浦光源 耦合镜组 准直激光器 输出镜 激光晶体 红外显示屏 首先保护好左边的准直激光器，遮住出光孔。 打开右边的泵浦光源，输出镜左侧放置红外显示屏。微调俯仰 旋钮，直到出现橙红色光斑。这需要一定的运气和手感。 什么也看不到，只能逐个修正各元件的准直；几分钟内还出不 来橙红色光斑，从头再来。

调节中的问题 泵浦光中心方向必须与导轨中心轴平行，否则无法准直 · 导轨上黏度很大，移动不便 · 灯具与导轨间接触面不平整，无法确认平行 只能用肉眼观察近似平行后再固定仪器底座

1064nm固体激光输出模式观测及变化调整 激光横模：激光器谐振腔中，把垂直于传播方向上某一横截面上的稳定场 分布称作激光横模； 激光纵模：沿谐振腔轴向的稳定光波振荡模式称作激光纵模，多纵模是一 系列频率的光的分布。 矩形横模，下标：x/y方向暗带数 图片来源：维基百科 横模（Transverse Mode）

1064nm固体激光输出模式观测及变化调整 现象：单独改变腔长L，对横模无明显影响。 TEM00 TEM10 TEM01 现象：单独改变腔长L，对横模无明显影响。 分别改变输出镜俯仰角，可以观察到输出光束分别往横向和纵向分裂成两个。 分析：激光横模是激光多次反复衍射的结果 激光（多）纵模是频率的分布模式，无法用现有仪器探测到 激光横模图样的本质是稳定光强度分布，调节激光输出镜的二维俯仰旋钮实际上 改变了激光谐振腔的结构

1064nm激光输出功率测量及P-I、P-P曲线研究 输出功率随腔长的增加而减弱 推测是因为激光谐振腔在打出激光点时没有 能够调节到相对最佳的输出状态。 因此调节俯仰使之不打出1064nm激光点时， 不能确定其输出状态 是往差的方向变化。

1064nm激光输出功率测量及P-I、P-P曲线研究 功率计与输出镜距离对功率值的影响： 当距离较近约为2cm时，功率最大约在0.055W， 当距离最远即功率计在准直光源前时仅0.02W， 移动过程中几乎都呈现下降趋势 输出功率随腔长的增加而减弱

1064nm激光输出功率测量及P-I、P-P曲线研究 分析：为什么图象线性程度不好，且出现交叉？ 从实验现象上看，功率计示数比较大时，波动范围也明显比较大。 且较长时间内数据不能稳定下来，只能取其波动的平均值。由此可见，理论上的严格稳定状态是很难达到的，体系一直处于动态变化中，波动较大。 可以发现数据的可重复性比较差。返回测量前面的数据时，有时两次结果相差较大。且误差往往具有连续性，即偏大时则连续多个数据偏大，偏小时也如此。

误差分析 · 仪器问题 · 泵浦光源在高压时非常不稳定 · 功率计测量误差 · 不够准直，没有处于相对最佳状态 （测量过程中跳变明显，大部分电流值下的功率值无法真正的稳定） · 不够准直，没有处于相对最佳状态

仪器等问题 · 导轨设计不合理 （导轨上、仪器底座上粘胶很多，使得导轨和仪器的接触面不平整） · 仪器过于集成 · 说明书不全面，难读懂 · 未标明高反膜位置，谐振腔腔长没办法确定确切的值 · 部分元件如功率计工作原理未知 · 说明书不全面，难读懂

参考文献 [1]固体激光原理与技术综合实验 实验讲义, 大恒新纪元科技股份有 限公司 [2]周建华, 兰岚, 余学才,LD泵浦Nd：YAG激光器综合实验建设, 实验技术与管理, 第31卷 第8期 2014年8月 [3]武长征,王兆永等,激光物理学,复旦大学出版社,1989年9月

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