实验6-1 脉冲固体激光器输出特性研究
【实验目的】
1、了解脉冲固体激光器的基本结构和基本原理，并练习调整激光器谐振腔，使其输出激光。
2、测定脉冲激光器的输出特性曲线，找出光泵能量阈值，计算出激光器的绝对效率和斜效率。
3、测定激光器输出光束的发散角。 【实验原理】
一. 固体激光器的基本结构和工作原理
激光，其英文为Laser ，全名为Light amplification by stimulated emission of radiation ，全名译为辐射的受激发光放大。这很好地概括了激光产生的机制。激光器就是根据激光产生的机制而设计的。它由工作物质，泵浦系统和光学谐振腔等部分组成。实验所用YAG 激光器的结构如图6-1-1所示。
1、工作物质
要形成激光，首先必须利用激励源使工作物质激活，既使工作物质内部的电子在某些能级之间实现粒子数的反转分布，并且需要满足一定的条件。
2、泵浦系统
本实验中所用YAG 激光器的光泵系统由聚光腔、脉冲氙灯和它的供电系统以及触发器组成。直流电源给储能电容充电到数百伏，并加到氙灯的两极，这时氙灯不发光。触发器接通后，立即发出一个一万多伏的电脉冲使氙灯导通，这时储能电容通过氙灯放电，氙灯发出强烈的闪光。此光激活工作物质，处于基态的粒子向高能级跃迁，比如跃迁到4F 3能级上。在此能级上的粒子寿命较长，故称为亚稳态。由于光泵系统的不断泵浦，泵浦到一定程度时，激发到高能级上的粒子数比在它下面的能级上的粒子数还多了，实现了粒子数的反转。当粒子跳回低能级上时发光。
3、光学谐振腔
为了满足产生激光的阈值条件，即要使光在谐振腔中来回一次在激活介质中所获得的增益足以补充由各种因素所导致的光的损耗。在忽略介质内部损耗的情况下，阈值条件为
r 1r 2e 2G l 1 (6-1-2)
式中：r 1, r 2一谐振腔两端反射镜的反射率（包括反射镜的吸收，透射和衍射损失）；
l —激活介质的长度；G —激活介质的增益系数，定义为：
G (v ) =
dI v (z )
(6-1-3)
I v z . dz
二．YAG 激光器输出特性
1、输出特性曲线
输出特性曲线是指激光器的输出能量与输入能量之间的关系曲线。见图6-1-3。
当改变激光电源中储能电容的充电电压或电容时，就得到了不同的输入能量，其大小由下式计算
E λ=
122C U 充-U 剩 （6-1-4） 2
()
激光器的输出能量E 出由能量计读出。由图6-1-3可知，对于每一台激光器，都存在着一个最小能量值E min ，当输入激光器的能量等于或小于E min 时，激光器停止振荡，E min 叫做激光器的光泵能量阈值，这是指已调好的激光器能够正常输出激光所需要的最小输入能量值。
对于输出特性曲线上的每一个点，都对应一个输出能量E 出与输入能量E 入的比值，用η来表示，叫做激光器的绝对效率，具体表示为
E 出
η=⨯100% （6-1-5）
E 入
对于不同的点，η的值是不同的。
在输出特性曲线上，有一直线区间，它表示激光器在这一区间工作时，其输出能量与输入能量的变化成比例，通常引人斜效率η斜来描写这一特性。即
η斜=
E 出A -E 出B
（6-1-6）
E 入A -E 入B
A 、B 为直线部分上的任意两点。
η、η斜—E 入曲线与输出特性曲线的对应关系如图6-1-4所示。
2、发散角
按照几何光学原理，严格的平行光束在消像差透镜L 的像平面上将形成一无穷小的像点；然而具有发散角θ'的光束在透镜像平面上则形成一圆形光斑，如图6-1-6所示，相应光斑的直径D 由下式确定：
D =2
θ'f ' (6-1-7)
式中f '为透镜的焦距，显然，若将照相机物镜先调焦于无穷远，再对欲测定其发散角的激光束拍摄一照片，测出底片上摄得的激光圆斑的直径，即可由（6-1-7）式计算其发散角。 【实验仪器】
YAG 固体激光器、能量计、He 一Ne 激光器，读数显微镜，直流电源等。 【实验内容】
1．测量输入、输出能量 激光器处于工作状态后，就可以用能量计来测量输出激光能量了。充电电压可以从900V 或950V 开始，逐次下降，每隔50V 测一个点，分别计算输入能量E 入、输出能量E 出，以E 入为横坐标、E 出为纵
坐标，画出E 出一E 入曲线，从而计算出绝对效率η和斜效率η斜，并画出η一E 入及η斜一
E 入曲线。
2、测量发散角
输出激光经透镜聚焦，在透镜的焦平面上放置一屏，上面固定一张黑色相纸。在调节好位置后，打出三个聚焦烧蚀斑点，用读数显微镜测出斑点直径D ，用公式θ=f 算出发散角。
【实验数据记录】
1. 测量输入、输出能量的数据记录如下表：
表6-1-1 输入、输出能量测量
表6-1-2 发散角的测量(输入电压925V)
【实验处理】
1． 输入输出能量与对应效率
根据表6-1-1可以求出在已定的不同充电电压电压和输出能量。根据公式：E λ=
U 入剩余电压U 剩和输出能量E 出, 剩余
122C U 充-U 剩计算得放到表中： 2
()
图一：E 入/J -E 出3/mJ 关系曲线
根据以上的数据可以得到η，由
η=
并且根据下面的公式：
E 出
⨯100%E 入
η斜=
η斜
E 出A -E 出B E 入A -E 入B
根据公式带入可以得到 ：
=[(980-3350)/(64-32.5)]/10=2.04%
η一E 入及η斜一E 入曲线如下所示：
图二：η一E 入及η斜一E 入曲线
数据讨论及分析：
分析图一可知输出特性曲线存在有一段一阶线性曲线，在此区间内输出能量与输入能量的变化成比例，因此应让激光器工作于此区间内，通过改变输入能量来可控的调节输出能量，实现输出能量的稳定。从图上可以看出激光器的光泵能量阈值E min 大概在10~11J之间，故而要求输入能量不能小于这个阈值，否则便得不到激光。
分析图二可知，观察η-E 入在对应的A-B η斜是图1中A-B 区间上输出特性曲线的斜率，区间的变化趋势可知，在A-B 区间上如果输入能量的取值范围可以足够大，η最终将会无限趋近于η斜
，
这是由A-B 区间的直线特征决定的。但实际上线性区间是有限的，因此效率不
会等于斜效率。
图二η（绝对效率）曲线反映了输入能量与输出能量的对应关系，由图形可以看出转化的效率先增加后逐渐的减小，因此在输入能量增大到一定程度后输出能量的转化效率开始逐渐减小，产生这个结果的原因可能是输出能量存在上限，输入能量再增加输出能量也不会随之增加了。
2. 测量发散角 根据表格数据：
D=(2.5+4.0+2.5+4.5+3.0+4.0)/6=3.4
θ=
=3.0/(2*156)=0.0096rad 2f
从结果可以看出，激光器输出的激光方向性很好，发散立体角在“毫弧度”数量级，通过一个透镜使输出能量集中在一个很小的范围内，产生局部高温。然而在真正的实验过程中，输入能量不够直接会导致光斑不明显，但是这种现象并不能说明发散角随着输入能量的变化而变化。而且，在此处发散角略显大，与输入的能量大有些关系。 【思考与讨论】
1. 怎样调整YAG 激光器的谐振腔？
答：主要分成三部分，第一步：将全反镜连同框架一起卸掉或使其明显偏离标准位置，并用纸挡住半反镜，调节基座，使棒的两个端面反射回来的光斑恰好进入白色小孔屏的小孔，这时棒的端面已经与激光垂直（因棒的两端面是平行的，所以通常只看到一个反射斑。第二步：取掉挡住半反镜的纸片，调节半反镜框架上的螺丝，使它反射回来的光斑也进入小孔。第三步：轻轻装上全反镜，用纸片挡住工作物质，再调节全反镜框架上的螺丝，使它反射回来的光也进入小孔。
2．讨论激光器的斜效率。
答：斜效率是衡量激光器好坏的一个重要标准，本实验的斜频率在2%左右，而目前国内最先进的激光器斜频率已经达到42%，采用掺Yb 氧化镧钇透明陶瓷作为激光产生物质，同时采用掺Yb 氧化镧钇透明陶瓷在国际上首次实现连续调谐激光输出和锁模（200ps ）激光输出。本实验使用的同样是透明陶瓷材料，但效率差别甚大。说明提高效率不是简单的依靠材料，同样的材料不同的工艺与输出调节过程都会影响到效率的高低。 误差分析：
本次实验误差的主要来源：
1. 充电电压的刻度并不是十分准确，而且其精度不高，导致在充电过程的数值有较大的不
确定性；
2. 并且在计数输出能量的时候还有一些不容忽视，放电之后，其数值锐减，thus I can not
give a promise that those statistics are maximum. 【实验思考及总结】
1. 关于本实验，值得仔细考虑，尤其是在操作过程中并不能看到激光器的内部结构，如此
不利于对实验原理理解。如果其中的光路图可留给学生自己手动完成，可能会花些时间，但是这样对学生有好处； 2. 小结：
在本实验的操作过程中，调整激光器的谐振腔是一个比较难的过程，需要很长的时间才能够调好。但实验中省去了此过程，激光器在实验前是已经调好的，因此可直接进入输入输
出能量的测量。
在对剩余电压进行读数时一定要迅速，因为在触发器接通的一瞬间才是真正的剩余电压。最后是安全问题，因为激光具有很高的能量，不能用眼睛直接对着输出镜，以免烧伤眼睛。另外在实验时要确保输出激光方向没有其他人员。 固体激光器能输出功率很高的激光脉冲，因而得到越来越广泛的应用。在工业上用来打钟表钻石和喷丝头上的微孔，切割和焊接难熔金属。在医疗上常用固体激光消除肿瘤以及作手术激光刀等。大能量的激光器还可以用来引发核聚变、探索受控热核反应等，另外固体激光器在高等院校和科研机构也有着非常重要的作用。
3. 实验中发散角的测量时候，有测量直径。在不同强度的激光发觉其斑点的具体直径是不
同的，但是这并不说明发散角与其强度有关，而是强度太弱会影响具体的灼斑的大小。
实验6-1 脉冲固体激光器输出特性研究
【实验目的】
1、了解脉冲固体激光器的基本结构和基本原理，并练习调整激光器谐振腔，使其输出激光。
2、测定脉冲激光器的输出特性曲线，找出光泵能量阈值，计算出激光器的绝对效率和斜效率。
3、测定激光器输出光束的发散角。 【实验原理】
一. 固体激光器的基本结构和工作原理
激光，其英文为Laser ，全名为Light amplification by stimulated emission of radiation ，全名译为辐射的受激发光放大。这很好地概括了激光产生的机制。激光器就是根据激光产生的机制而设计的。它由工作物质，泵浦系统和光学谐振腔等部分组成。实验所用YAG 激光器的结构如图6-1-1所示。
1、工作物质
要形成激光，首先必须利用激励源使工作物质激活，既使工作物质内部的电子在某些能级之间实现粒子数的反转分布，并且需要满足一定的条件。
2、泵浦系统
本实验中所用YAG 激光器的光泵系统由聚光腔、脉冲氙灯和它的供电系统以及触发器组成。直流电源给储能电容充电到数百伏，并加到氙灯的两极，这时氙灯不发光。触发器接通后，立即发出一个一万多伏的电脉冲使氙灯导通，这时储能电容通过氙灯放电，氙灯发出强烈的闪光。此光激活工作物质，处于基态的粒子向高能级跃迁，比如跃迁到4F 3能级上。在此能级上的粒子寿命较长，故称为亚稳态。由于光泵系统的不断泵浦，泵浦到一定程度时，激发到高能级上的粒子数比在它下面的能级上的粒子数还多了，实现了粒子数的反转。当粒子跳回低能级上时发光。
3、光学谐振腔
为了满足产生激光的阈值条件，即要使光在谐振腔中来回一次在激活介质中所获得的增益足以补充由各种因素所导致的光的损耗。在忽略介质内部损耗的情况下，阈值条件为
r 1r 2e 2G l 1 (6-1-2)
式中：r 1, r 2一谐振腔两端反射镜的反射率（包括反射镜的吸收，透射和衍射损失）；
l —激活介质的长度；G —激活介质的增益系数，定义为：
G (v ) =
dI v (z )
(6-1-3)
I v z . dz
二．YAG 激光器输出特性
1、输出特性曲线
输出特性曲线是指激光器的输出能量与输入能量之间的关系曲线。见图6-1-3。
当改变激光电源中储能电容的充电电压或电容时，就得到了不同的输入能量，其大小由下式计算
E λ=
122C U 充-U 剩 （6-1-4） 2
()
激光器的输出能量E 出由能量计读出。由图6-1-3可知，对于每一台激光器，都存在着一个最小能量值E min ，当输入激光器的能量等于或小于E min 时，激光器停止振荡，E min 叫做激光器的光泵能量阈值，这是指已调好的激光器能够正常输出激光所需要的最小输入能量值。
对于输出特性曲线上的每一个点，都对应一个输出能量E 出与输入能量E 入的比值，用η来表示，叫做激光器的绝对效率，具体表示为
E 出
η=⨯100% （6-1-5）
E 入
对于不同的点，η的值是不同的。
在输出特性曲线上，有一直线区间，它表示激光器在这一区间工作时，其输出能量与输入能量的变化成比例，通常引人斜效率η斜来描写这一特性。即
η斜=
E 出A -E 出B
（6-1-6）
E 入A -E 入B
A 、B 为直线部分上的任意两点。
η、η斜—E 入曲线与输出特性曲线的对应关系如图6-1-4所示。
2、发散角
按照几何光学原理，严格的平行光束在消像差透镜L 的像平面上将形成一无穷小的像点；然而具有发散角θ'的光束在透镜像平面上则形成一圆形光斑，如图6-1-6所示，相应光斑的直径D 由下式确定：
D =2
θ'f ' (6-1-7)
式中f '为透镜的焦距，显然，若将照相机物镜先调焦于无穷远，再对欲测定其发散角的激光束拍摄一照片，测出底片上摄得的激光圆斑的直径，即可由（6-1-7）式计算其发散角。 【实验仪器】
YAG 固体激光器、能量计、He 一Ne 激光器，读数显微镜，直流电源等。 【实验内容】
1．测量输入、输出能量 激光器处于工作状态后，就可以用能量计来测量输出激光能量了。充电电压可以从900V 或950V 开始，逐次下降，每隔50V 测一个点，分别计算输入能量E 入、输出能量E 出，以E 入为横坐标、E 出为纵
坐标，画出E 出一E 入曲线，从而计算出绝对效率η和斜效率η斜，并画出η一E 入及η斜一
E 入曲线。
2、测量发散角
输出激光经透镜聚焦，在透镜的焦平面上放置一屏，上面固定一张黑色相纸。在调节好位置后，打出三个聚焦烧蚀斑点，用读数显微镜测出斑点直径D ，用公式θ=f 算出发散角。
【实验数据记录】
1. 测量输入、输出能量的数据记录如下表：
表6-1-1 输入、输出能量测量
表6-1-2 发散角的测量(输入电压925V)
【实验处理】
1． 输入输出能量与对应效率
根据表6-1-1可以求出在已定的不同充电电压电压和输出能量。根据公式：E λ=
U 入剩余电压U 剩和输出能量E 出, 剩余
122C U 充-U 剩计算得放到表中： 2
()
图一：E 入/J -E 出3/mJ 关系曲线
根据以上的数据可以得到η，由
η=
并且根据下面的公式：
E 出
⨯100%E 入
η斜=
η斜
E 出A -E 出B E 入A -E 入B
根据公式带入可以得到 ：
=[(980-3350)/(64-32.5)]/10=2.04%
η一E 入及η斜一E 入曲线如下所示：
图二：η一E 入及η斜一E 入曲线
数据讨论及分析：
分析图一可知输出特性曲线存在有一段一阶线性曲线，在此区间内输出能量与输入能量的变化成比例，因此应让激光器工作于此区间内，通过改变输入能量来可控的调节输出能量，实现输出能量的稳定。从图上可以看出激光器的光泵能量阈值E min 大概在10~11J之间，故而要求输入能量不能小于这个阈值，否则便得不到激光。
分析图二可知，观察η-E 入在对应的A-B η斜是图1中A-B 区间上输出特性曲线的斜率，区间的变化趋势可知，在A-B 区间上如果输入能量的取值范围可以足够大，η最终将会无限趋近于η斜
，
这是由A-B 区间的直线特征决定的。但实际上线性区间是有限的，因此效率不
会等于斜效率。
图二η（绝对效率）曲线反映了输入能量与输出能量的对应关系，由图形可以看出转化的效率先增加后逐渐的减小，因此在输入能量增大到一定程度后输出能量的转化效率开始逐渐减小，产生这个结果的原因可能是输出能量存在上限，输入能量再增加输出能量也不会随之增加了。
2. 测量发散角 根据表格数据：
D=(2.5+4.0+2.5+4.5+3.0+4.0)/6=3.4
θ=
=3.0/(2*156)=0.0096rad 2f
从结果可以看出，激光器输出的激光方向性很好，发散立体角在“毫弧度”数量级，通过一个透镜使输出能量集中在一个很小的范围内，产生局部高温。然而在真正的实验过程中，输入能量不够直接会导致光斑不明显，但是这种现象并不能说明发散角随着输入能量的变化而变化。而且，在此处发散角略显大，与输入的能量大有些关系。 【思考与讨论】
1. 怎样调整YAG 激光器的谐振腔？
答：主要分成三部分，第一步：将全反镜连同框架一起卸掉或使其明显偏离标准位置，并用纸挡住半反镜，调节基座，使棒的两个端面反射回来的光斑恰好进入白色小孔屏的小孔，这时棒的端面已经与激光垂直（因棒的两端面是平行的，所以通常只看到一个反射斑。第二步：取掉挡住半反镜的纸片，调节半反镜框架上的螺丝，使它反射回来的光斑也进入小孔。第三步：轻轻装上全反镜，用纸片挡住工作物质，再调节全反镜框架上的螺丝，使它反射回来的光也进入小孔。
2．讨论激光器的斜效率。
答：斜效率是衡量激光器好坏的一个重要标准，本实验的斜频率在2%左右，而目前国内最先进的激光器斜频率已经达到42%，采用掺Yb 氧化镧钇透明陶瓷作为激光产生物质，同时采用掺Yb 氧化镧钇透明陶瓷在国际上首次实现连续调谐激光输出和锁模（200ps ）激光输出。本实验使用的同样是透明陶瓷材料，但效率差别甚大。说明提高效率不是简单的依靠材料，同样的材料不同的工艺与输出调节过程都会影响到效率的高低。 误差分析：
本次实验误差的主要来源：
1. 充电电压的刻度并不是十分准确，而且其精度不高，导致在充电过程的数值有较大的不
确定性；
2. 并且在计数输出能量的时候还有一些不容忽视，放电之后，其数值锐减，thus I can not
give a promise that those statistics are maximum. 【实验思考及总结】
1. 关于本实验，值得仔细考虑，尤其是在操作过程中并不能看到激光器的内部结构，如此
不利于对实验原理理解。如果其中的光路图可留给学生自己手动完成，可能会花些时间，但是这样对学生有好处； 2. 小结：
在本实验的操作过程中，调整激光器的谐振腔是一个比较难的过程，需要很长的时间才能够调好。但实验中省去了此过程，激光器在实验前是已经调好的，因此可直接进入输入输
出能量的测量。
在对剩余电压进行读数时一定要迅速，因为在触发器接通的一瞬间才是真正的剩余电压。最后是安全问题，因为激光具有很高的能量，不能用眼睛直接对着输出镜，以免烧伤眼睛。另外在实验时要确保输出激光方向没有其他人员。 固体激光器能输出功率很高的激光脉冲，因而得到越来越广泛的应用。在工业上用来打钟表钻石和喷丝头上的微孔，切割和焊接难熔金属。在医疗上常用固体激光消除肿瘤以及作手术激光刀等。大能量的激光器还可以用来引发核聚变、探索受控热核反应等，另外固体激光器在高等院校和科研机构也有着非常重要的作用。
3. 实验中发散角的测量时候，有测量直径。在不同强度的激光发觉其斑点的具体直径是不
同的，但是这并不说明发散角与其强度有关，而是强度太弱会影响具体的灼斑的大小。