全固态调Q激光器的实验设计范文

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1激光器实验设计

为了使毫无激光调节经验的学生能够尽快上手，实验采用简单的平凹谐振腔结构，研究激光谐振腔与可饱和吸收体对被动调Q激光输出特性的影响．实验装置如图1所示．泵浦源采用光纤耦合输出的激光二极管(Co-herent，FAPSystem)，光学系统压缩比为1．8∶1．输入镜M1是有一定曲率半径的凹面镜，一面镀有808nm的增透膜，另一面镀808nm的增透膜和1064nm的高反膜;输出镜M2是平面反射镜．激光工作物质为Nd:LuVO4晶体，尺寸为3×3×5mm3，Nd3+的掺杂浓度为0．5at．%．激光晶体两个3×3mm2的端面均镀有808nm和1064nm增透膜用以减少谐振腔的损耗．装置中，晶体用铟箔包裹并置于铜块中，铜块通过水循环和温控半导体致冷片进行致冷，晶体温度控制在20℃左右．激光晶体应尽量靠近输入镜M1放置以减小空间烧孔效应．调制元件为直径2cm左右的GaAs薄片，在1064nm处的小信号透过率T0分别为95．7%，92．6%和93．9%，靠近输出镜放置．实验激光的输出特性由功率计和示波器测量，选用带宽为500MHz的数字示波器(Tek-tronixInc．，USA)测量和记录波形情况，用MAX500AD激光功率计测量平均输出功率(Coherent，USA)．实验中先对学生讲解全固态激光器的优点以及具体用途，使学生充分认识到研究固体激光器的重要意义．然后讲解脉冲激光器的原理与分类，重点介绍实验中用到的调Q脉冲产生的原理．由于学生对于激光器的内部结构缺少直观认识，于是讲解从激光器的基本结构出发，介绍实验所需要的仪器以及具体的组建调节方法，让学生掌握探测设备(数字示波器和激光功率计)的基本原理和操作方法．

2激光器参数对输出特性影响的实验设计

2．1激光谐振腔稳定输出验证实验使用的是平凹腔结构．该腔型容易形成稳定的输出模，同时具有高的光光转换效率，有利于学生观察实验现象，但是腔型设计时必须考虑模式匹配和稳定输出问题．如图1所示，输入镜M1的曲率半径为R，输出镜M2的曲率半径为R'，腔长为L，则平凹腔中的g参数为。根据腔的稳定性条件，0＜g1g2＜1时，腔为稳定腔．所以，当L＜R时，谐振腔处于稳定状态．该部分可以让学生使用不同曲率半径的输入镜来获得激光输出，看稳定条件下激光输出特性与非稳定条件下的激光输出特性的区别．让学生理解稳定状态的重要性．由于实验中，会使用不同曲率半径的输入镜，所以在稳定输出的条件下，为了保证下面实验的完整性和外部条件的一致性，本文将腔长设定为7．5cm．

2．2激光谐振腔对输出特性的影响规律既然常规的被动调Q激光运转是在实现连续输出的激光谐振腔内插入可饱和吸收体完成的，那么谐振腔参数对两种激光输出的影响应该是类似的．为了简化实验步骤，先让学生通过分析谐振腔对1064nm连续激光输出特性的影响寻找部分规律性结论．由于实验采用平凹腔结构，谐振腔由凹面镜M1和平面镜M2组成．由前述谐振腔的稳定性条件可知:不论改变输入镜M1的曲率半径还是输出镜M2的透过率都会造成腔内光束强度以及光斑半径的变化，其激光输出的阈值功率也会随之改变，进而导致激光输出特性的不同．实验中分别采用曲率半径为150mm、200mm、500mm和∞(平镜)的凹面镜来研究输入镜对连续激光输出性能的影响．为了寻找单一因素的影响规律，选择透过率为5%的平面镜作为输出镜，图2展示了相应的实验结果．激光脉冲的输出功率随泵浦功率提高而单调增大，泵浦功率增大到340mW左右时，输入镜曲率半径较小(R=150mm，200mm)的两个激光谐振腔首先实现连续激光输出．R=500mm和R=∞的谐振腔直到1．1W左右才开始起振．当泵浦功率升高到9．15W时，获得最高的功率输出，其中R=200mm时，输出功率达到3．81W，光光转换效率达到41．6%．可见为了获得最佳输出，可以将输入镜的曲率半径设置为200mm．继续实验，研究输出镜透过率与连续激光输出的关系，相应实验结果如图3所示．从图中可以看出，输出镜的透过率对激光输出功率的影响明显．随着透过率的升高，系统的阈值泵浦功率逐渐增大;透过率不变时，输出功率随着泵浦功率的升高而升高;对应同一泵浦功率，透过率越高，输出功率越小．在泵浦功率为9．15W时，各系统均获得输出功率极值，其中T=5%时，最大输出功率为2．57W．

2．3可饱和吸收体对调Q激光输出特性的影响确定激光谐振腔的最佳搭配之后，就可以插入可饱和吸收体，探究可饱和吸收体对被动调Q激光输出特性的影响．实验中所使用的GaAs小信号透过率T0可调，分别为95．7%、93．9%和92．6%，获得调Q激光输出参数随泵浦功率的变化如图4至图6所示．从实验结果看，相同泵浦功率下，可饱和吸收体的小信号透过率越大，其输出脉冲平均功率越大，脉冲重复频率越高，脉冲宽度越宽．根据平均输出功率、脉冲重复频率和脉冲宽度的数值，可以计算出脉冲峰值功率随泵浦功率变化的关系，如图7所示。

2．4理论分析通过以上两组实验操作，可以获得激光谐振腔与饱和可吸收体相关参数对激光输出特性的影响规律．为了使学生更好的理解这些规律，巩固学生对速率方程理论的知识，实验后可以启发学生用速率方程完成对激光器的数值模拟．激光器速率方程理论的出发点是原子的自发辐射、受激辐射和受激吸收概率的基本关系式，是数值分析全固态调Q激光输出特性的有效工具．在考虑GaAs饱和吸收体的单光子、双光子和自由载流子吸收的情况下，Nd:LuVO4晶体GaAs被动调Q激光的速率方程可以写为。

3结束语

为提高本科高年级学生的实验操作能力，巩固大学物理课程的教学效果，提高学生的学习兴趣，设计了简单的固态激光器实验．通过实验让学生更加直观的理解激光谐振腔、饱和吸收体等组成部分对激光输出特性的影响，并通过速率方程理论完成数值模拟，将理论和实验有机结合，加深学生对激光理论的理解．课程实施效果表明，该实验提高了学生的积极性，锻炼了实际动手能力，引导学生思考调节过程以及模拟过程中的经验和教训，促进创新意识的培养．

作者：张刚 焦志勇 单位：中国石油大学( 华东) 理学院