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《光电子技术实验》实验报告 固体激光器的静态特性及调 Q 技术 王浩然 无 11 2011011202 《光电子技术实验》 固体激光器的静态特性及调 Q 技术 1 1 实验目的 ? 掌握固体激光器与调 Q 的工作原理； ? 掌握固体激光器的调节方法，了解谐振腔参数及调节精度对激光器性能的影响； ? 测量固体激光器的静态输出特性和调 Q 输出特性； ? 掌握用于固体激光器调整和测量的仪器的使用方法。 2 实验原理 2.1 固体激光器的工作原理 固体激光器主要由激光工作物质、激励泵源、聚光器和光学谐振腔组成，其结构示意如下 图所示： 图 1: 固体激光器结构 本次实验中的激光工作物质为钕玻璃，激活粒子为掺在玻璃中的钕离子，激光输出波长 为 1.06 ??m。 钕粒子产生受激辐射的原理如下图所示： 图 2: 钕粒子能级 钕粒子吸收光泵的能量由基态 ??1 跃迁到 ??4 能带，由于 ??4 能带寿命很短，钕粒子很快以无 辐射跃迁的形式跃迁到 ??3 能级，??3 是亚稳态能级，具有较长的能级寿命，钕粒子可以在该能 级上积累起来，??3 能级的钕粒子向 ??2 能级跃迁，由 ??2 能级返回基态，由于 ??2 能级在热平衡 《光电子技术实验》 固体激光器的静态特性及调 Q 技术 2 时基本处于空的状态，因此在光泵情况下，容易在 ??3 能级和 ??2 能级上实现集居数反转，实现 受激辐射。 光在处于集居数反转的工作物质中传播时，用增益系数 ?? 来表示通过单位长度激活物质后 增强的百分数。当光强较小时，增益系数与光强无关，称为小信号增益系数，用 ??0 表示。与此 同时，光在谐振腔中传播时，由于谐振腔反射镜的透射、吸收损耗、散射损耗等造成光在往返 传播中不断衰减，用损耗系数 ?? 来表示，因此可以得出激光形成自激振荡的条件为 ??0?? ≥ ???? 其中 ?? 为工作物质长度，?? 为谐振腔的长度。 2.2 调 Q 原理 静态固体激光器输出能量分布在众多尖小的脉冲而限制了输出功率，采用调 Q 技术可以使 激光能量集中在一个单脉冲中输出，大大提高固体激光器的输出功率的峰值。 调 Q 技术是采用调 Q 器件的饱和吸收特性实现的。调 Q 晶体是一种非线性吸收介质，其吸 收系数 ?? 与入射光强 ?? 之间的关系可以表示为： ?? ?? = 0 1 + ??/???? 易知当光强较弱时，调 Q 晶体对入射光有较强的吸收，随着入射光强增加，吸收系数减小。当 光泵激励刚开始时，腔内光强很弱，调 Q 晶体的吸收很强，给激光器引入很大的损耗，激光不 能产生。光泵继续激励时，使得工作物质内反转集居数不断积累，使腔内光强不断增强，从而 使调 Q 晶体吸收减弱，阈值反转集居数下降，当粒子反转集居数大于阈值反转集居数时，受激 辐射迅速增强，光强迅速增大，这又使阈值反转集居数不断下降，直至饱和。由于激光器粒子 反转集居数大大超过阈值，手机辐射光强急剧增长。同时受激辐射不断消耗上能级的粒子，使 得粒子反转集居数下降，当反转集居数小于阈值后