固体激光原理与技术综合实验 实验者：陈鑫阳 13307130274 余可航 13307130223 专业：材料物理 指导老师：乐永康

激光基本原理 受激吸收 自发辐射 受激辐射 粒子数反转 图片来源：新型能源材料课程讲义，复旦大学材料科学系，郭跃飞

泵浦光源的选取 泵浦光源 Nd:YAG晶体中Nd3+吸收光谱图 波长匹配 807.5nm强吸收峰 采用泵浦波长在808nm附近的泵浦光源 获得高输出功率与泵浦效率 Nd:YAG晶体中Nd3+吸收光谱图 807.5nm强吸收峰 图片来源（左图）：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

Nd:YAG激光晶体 四能级系统 4F3/2 4I15/2 4I13/2 4I11/2 波长为1064.1nm的激光跃迁：   4F3/2 4I15/2 4I13/2 4I11/2 波长为1064.1nm的激光跃迁： 始于4F3/2能级的R2 分量 终于4I11/2能级的Y3分量 图片来源： W·克希耐尔. 固体激光工程[M]. 北京:科学出版社, 2002. 41

实验仪器 图片来源：大恒光电官方网站实验器材资料 http://www.cdhcedu.com/1-2%20GCS-DPSL%E5%9B%BA%E4%BD%93%E6%BF%80%E5%85%89%E5%8E%9F%E7%90%86%E4%B8%8E%E6%8A%80%E6%9C%AF%E7%BB%BC%E5%90%88%E5%AE%9E%E9%AA%8C

仪器参数 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，TO3封装，TEC控 制，包括快轴整形； 温控电源：工作电流0-2.3A可调； 掀盖式激光安全防护机箱：外形尺寸850*300*230mm； 红外激光显示片：激发波段800-1400nm，发射波长585nm，感光面30*50mm； 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；                          数据来源：大恒光电官方网站实验器材资料 http://www.cdhcedu.com/1-2%20GCS-DPSL%E5%9B%BA%E4%BD%93%E6%BF%80%E5%85 %89%E5%8E%9F%E7%90%86%E4%B8%8E%E6%8A%80%E6%9C%AF%E7%BB%BC%E5%90% 88%E5%AE%9E%E9%AA%8C

808nm半导体泵浦光源的I-P曲线测量 阈值电流：I=0.38A “突越”电流：I=1.46A 读数持续约2分钟的上升 阈值电流：激光二极管，pn结中受激发射 “突越”电流：激光器输出不稳定？功率计读数问题？

808nm半导体泵浦光源的I-P曲线测量 808nm半导体泵浦光源I-P图线线性拟合 线性：激光二极管的性质

808nm半导体泵浦光源的I-P曲线测量 对比： A、线性性 B、功率值 C、阈值电流 线性数据来源：GCS-DPSL 固体激光原理与技术综合实验参考数据，大恒光电，孙彦乾

调节光路 俯仰调节 二维水平调节

光路的调节 泵浦光源 准直激光器 实验中的困难：导轨的粘度很大，移动起来不太方便 光具之间很难保证平行

调光经验 耦合镜越近损失的能量越少 泵浦光源 耦合镜 泵浦光源 耦合镜 出光：对俯仰旋钮进行系统性微调 激光输出镜

16 1064nm固体激光模式观测及调整 变化来源于调节激光输出镜的二维俯仰旋钮

1064nm固体激光模式观测及调整 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。 圆柱形横模，下标：暗环数 花样中暗带数 矩形横模，下标：x/y方向暗带数 图片来源：Wikipedia-Transverse Mode https://en.wikipedia.org/wiki/Transverse_mode

1064nm固体激光模式观测及调整 观察到了激光横模的变化——（仅考虑最清晰的模式）（矩 形横模）TEM00改变为 TEM01与TEM10 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 其中，w是最低阶模的横向强度降到1/e2时的光斑尺寸

1064nm固体激光输出功率测量 不同腔长下1064nm固体激光器输出功率与泵浦电流的关系 输出阈值电流：I=0.38A 输出功率随腔长的增加而减弱 但在8.50cm到11.50cm变化不明显

1064nm固体激光转换效率研究——腔长 不同腔长下1064nm固体激光器输出效率与泵浦电流的关系 在腔长大于20.00cm处，1064nm激光光点不存在

1064nm固体激光转换效率研究——腔长 平凹谐振腔示意图 谐振腔稳定条件 束腰/输入光斑尺寸 输出光斑尺寸 图片来源：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

改变功率计与激光输出镜距离 功率计与输出镜距离对实测功率的影响 1064nm激光点+808nm激光背景 发散小 发散大

激光倍频技术 激光倍频技术又称二次谐波技术，是最 先在实验上发现的非线性光学效应

晶体的极化 电磁波在介质中传播时先将介质内部的电偶极子极化，然后 这些电偶极子产生受迫振动，辐射相应电磁波 晶体电极化强度： P=αE0coswt+βE02cos2wt =αE0coswt+1/2(βE02+βE02cos2wt) E很大时，P-E呈现非线性关系 倍频成分

波耦合作用 辛格函数： 公式来源：http://wenku.baidu.com/view/dfb856d226fff705cc170a98.html?re=view

→ → → } 波耦合作用 2kw-kw=0→2w/vw=2w/v2w→vw=v2w vw=v2w →c/nw=c/n2w →nw=n2w P=hk △k=0 } 2kw-k2w=0 动量守恒 → 2kw-kw=0→2w/vw=2w/v2w→vw=v2w 相速度守恒 vw=v2w →c/nw=c/n2w →nw=n2w → 折射率相等

单轴晶体折射率球面 图片来源：http://jpkc.gdut.edu.cn/08xjsb/gd/gcgx/wl/5_3.htm

双轴晶体折射率球面 实验用KTP晶体属于双轴晶体 图片来源：http://wenku.baidu.com/view/18554492daef5ef7ba0d3ca2.html?re=view

倍频晶体 旋转可以改变φ角

532nm光随φ角变化

被动调Q 图片来源： W·克希耐尔. 固体激光工程[M]. 北京:科学出版社, 2002. 41

被动调Q 26 能量以光泵浦的形式存储在放大介质中 储存能量建立高增益，在极短时间内放出巨大能量 腔内Q值被降低，阻止光振荡发生 激活介质腔损耗大，遏制起振，激光上能级反转粒子数大量积累

固体激光被动调Q测量及研究 阈值泵浦功率在1.580W左右 对应阈值电流在1.99至2.03A左右 参考值 1.50A 0.281W 调Q输出功率随泵浦电流的变化图线

固体激光被动调Q测量及研究 ——调Q脉冲信号的脉宽及重频参数 脉冲列波形图 右上角图引自： GCS-DPSL 固体激光原理与 技术综合实验参考数据，大恒光电，孙彦乾 单个脉冲波形放大图

固体激光被动调Q测量及研究 ——调Q脉冲信号的脉宽及重频参数

误差分析 调光路部分：导轨、人为调光 泵浦光源：出光稳定性、强度大小、温度控制 功率计精度：响应速度、读数准确性 常规误差：长度测量、读数误差

引用 激光倍频技术 http://wenku.baidu.com/view/dfb856d226fff705cc170a98.html?re=view 晶体光学性质的几何表示 http://jpkc.gdut.edu.cn/08xjsb/gd/gcgx/wl/5_3.htm 固体激光倍频、调Q实验 http://wenku.baidu.com/view/18554492daef5ef7ba0d3ca2.html?re=view W·克希耐尔. 固体激光工程[M]. 北京:科学出版社, 2002. 41 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 新型能源材料课程讲义，复旦大学材料科学系，郭跃飞 大恒光电官方网站实验器材资料 http://www.cdhcedu.com/1-2%20GCS- DPSL%E5%9B%BA%E4%BD%93%E6%BF%80%E5%85%89%E5%8E%9F%E7%90%86%E4%B8%8E%E6%8A%80%E6%9C%AF% E7%BB%BC%E5%90%88%E5%AE%9E%E9%AA%8C Wikipedia-Transverse Mode https://en.wikipedia.org/wiki/Transverse_mode GCS-DPSL 固体激光原理与技术综合实验参考数据，大恒光电，孙彦乾

致谢 感谢复旦大学物理教学实验中心乐永康老师提供的实验指导， 潘正元老师为实验提供的支持； 感谢大恒新纪元科技股份有限公司的孙彦乾工程师提供的对 仪器的解说与建议。

感谢各位的聆听 Q&A