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.

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

2 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

3 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

4 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,

5 实验仪器 图片来源：大恒光电官方网站实验器材资料

6 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 nm，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 %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

7 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？

8 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

9 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

10 调节光路 俯仰调节 二维水平调节

11 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

12 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

13 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

14 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

15 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

16 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

17 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

18 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

19 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

20 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

21 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

22 波耦合作用 辛格函数： 公式来源：

23 → → → } 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= 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

24 单轴晶体折射率球面 图片来源：

25 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：

26 倍频晶体 旋转可以改变φ角

27 532nm光随φ角变化

28 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,

29 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

30 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

31 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

32 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

33 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

34 引用 激光倍频技术 晶体光学性质的几何表示 固体激光倍频、调Q实验 W·克希耐尔. 固体激光工程[M]. 北京:科学出版社, 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 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 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

35 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。

36 感谢各位的聆听 Q&A