固体激光器 13300200028 陈晔 核工程与核技术.

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1 固体激光器 陈晔 核工程与核技术

2 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

3 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

4 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

5 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。

6 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

7 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

8 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

9 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。

10 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

11 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）

12 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

13 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。

14 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

15 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。

16 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

17 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

18 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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