激光器泵浦灯

激光器泵浦灯3

杜秀兰

(电子工业部第五十三研究所　锦州　121000)

摘　要　本文详细介绍了两种固体激光器最常用的泵浦灯—脉冲氙灯和连续氪灯的种类、结构、三种封接形式的优缺点与抗冲击性能、发射光谱、效率、寿命等特性,提出了提高泵浦灯效率及寿命的方法。

关键词　激光器泵浦灯　脉冲氙灯　连续氪灯　封接　效率　寿命

1　序言

固体激光器可以用很多方法来泵浦,例如灯的辐射、太阳光的辐射、惰性气体中的击波发光、电子激发发光等等。在这些方法中,要属泵浦灯最为成熟,应用最广。其原因是:第一,制作工艺较为简单,使用方便;第二,适用范围广,能在脉冲或连续状态下工作。脉冲运转的激光器通常采用脉冲氙灯,而连续输出的激光器则采用连续氪灯。本文主要介绍泵浦固体激光器最常用的脉冲氙灯和连续氪灯。

2　种类和结构

脉冲氙灯又叫闪光灯,能在极短的时间内发出强光,象闪电一样一闪而过,是目前除激光器外最亮的光源。脉冲氙灯的管壁厚约1—1.5mm,内径为5—10mm,通常灯内充入200—400mmHg的氙气。脉冲氙灯虽有许多形状和尺寸,但类型只有两种———管形和球形。管形包括螺旋形、环形、U形、π形和直管形。直管形脉冲氙灯基本由玻璃或石英外壳、电极、安装灯头组成,如图1所示。

图1　直管形脉冲氙灯结构

连续氪灯通常用优质石英管制成,管壁的厚度比同尺寸的脉冲氙灯薄一些(为的是减小管壁温度梯度和热应力),一般不超过1mm。小型氪灯充气压为3—4atm,大型氪灯的充气压为2.5-3atm。氪灯的形状一般是直管形。

泵浦灯的灯管可以由在紫外光谱区透过的石英玻璃制成,也可以由掺氧化铈和氧化3　收稿日期:1998-05-18

钛的合金石英玻璃制成,在350—380nm的紫外辐射基本上被管壁吸收掉,并产生400—500nm的荧光转换。

阴极是泵浦灯的一个重要部件,它对灯的性能(特别是寿命)起着决定性影响。大多数灯的损坏都是因阴极性能变劣和失效而引起的。阴极的特性主要取决于它所采用的电子发射材料,常采用高熔点、高电子发射率、不易溅射的钍钨、钡钨和铈钨材料制成。国外一般都使用浸渍钡化合物的多孔钨作为阴极材料,阴极的工作头与硬钨支架用镍焊料焊在一起。俄罗斯生产泵浦灯的阴极有掺有氧化钍和氧化钇的钨阴极,也有掺钡化合物的钨阴极。

3　封接形式与抗冲击性能

泵浦灯的使用性能首先是由工艺水平和使用结构材料的质量所决定。泵浦灯的制作关键是石英管与钨杆的封接,封接形式直接影响灯管的抗冲击性能。目前有三种封接形式:逐级过渡封接,钼箔气泡封接,帽罩钎焊封接。

3.1　逐级过渡封接

是指从石英管到钨杆之间用几种膨胀系数不同的过渡玻璃以实现钨杆与石英管的封接。由于截面积小,封接热稳定性较差,在封接处温度一般不宜超过200℃,自然冷却管壁负载仅为0.5—1W/cm2。这种封接方式只适合于小能量、低重复频率状态下工作,在单次输入能量大、重复频率高的状态下不适用,而这些正是高科技军事工业所需的。

目前国外普通采用只有1—2道过渡的高温钨石英热扩散封接,这种工艺作的灯具有大的导电体截面积,无电焊连接点,零件数目少,封接区长度短(5mm左右),外观规整等优点。灯性能稳定可靠,封接处可承受600—800℃的高温而不致炸裂。不仅可在较高的重复频率和较大的单次输入能量状态下工作,而且可耐大电流冲击和温度冲击。

3.2　钼箔气泡封接

在封接部位的石英玻管内放一段与钼箔长度相当的石英气泡,气泡直径与石英玻管内径的间隙很小,钼箔上开槽增大封接面积,边缘腐蚀成刀口状,中间厚两边薄,以便于封接。分为带状和环形钼箔气泡封接两种。这种封接方式作的灯机械强度高,结构牢靠,电极散热条件好,耐振动抗冲击。可在低电流密度、较高的重复频率状态下工作,多数情况下需水冷。除大能量脉冲氙灯外,大部分固体激光器用泵浦灯均可以此法制作。德国OSRAM公司生产了一系列连续氪灯,使用了带状钼箔封接。俄罗斯生产的大部分泵浦灯都采用环形钼箔封接。

3.3　帽罩钎焊封接

用铅或银铜焊料封接成,适用于极高功率和大电流下工作,耐冲击状况也较好。俄罗斯生产的小部分泵浦灯是帽罩钎焊封接。

4　发射光谱

泵浦灯的发射光谱取决于电流密度。当电流密度增加时,光谱能量分布的重心移向短波段,且连续谱的增加比线状谱快,逐渐遮盖了线光谱。因此,产生越来越强的短波辐射。在紫外和可见区连续谱占优势,在800nm附近有较强的光谱线。线性光谱在低电流

密度下红外较强,在高电流密度下显得不明显。另外,脉冲氙灯的光谱能量分布还与储能电容器上的电压和电容有关。电压升高,向短波方向移动,电压降低,向长波方向移动。电容的大小可以改变输出光强。

连续氪灯的发射光谱呈现强烈的线状光谱,连续谱区的峰值强度比线光谱小几个数量级,这主要是因为在连续工作时,电流密度低。氪灯的发射光谱主要集中在760nm和810nm附近,与Nd3+:YA G激光晶体的两个吸收峰(位置在0.7μm和0.8μm)有比较好的光谱匹配。图2给出了氪灯(实线)和氙灯(虚线)的光谱特性曲线。

图2　氪灯(实线)和氙灯(虚线)的光谱特性曲线

(氙灯d i=4mm,1=60mm,p0=0.08MPa,C=290μΦ,

U0=700V,L=13μH,τ=250μc,p=0.4MW/cm3)

矩形表示Nd3+:YA G激光晶体的主要吸收带

5　效率

泵浦灯的效率首先取决于电流密度,其次还取决于充入气体种类、充入气体压强和电路设计。随着电流密度的增大,辐射效率由25%提高60%。在电流密度低时,对效率实际起作用的是线性辐射。由图2可知,只是在很窄的红外谱区,氪灯的相对辐射比氙灯强,其余的光谱区氙灯的相对辐射比氪灯强。因为氪灯的线性光谱与Nd3+:YA G激光物质的吸收光谱能更好地匹配,所以在连续或低脉冲状态下,氪气比氙气对泵浦Nd3+: YA G更有效,约有7%的输入功率被吸收。

然而,即使在光谱匹配较好的情况下,由于灯的发射光谱范围宽,而激光材料的吸收带较窄,灯的有用泵浦功率与输入到灯的功率之比,也仅为百分之几。为了改善灯的光谱

分布和提高激光器的总体效率,在灯内主要通过掺杂,即在灯内掺入各种成分的气体或易蒸发的固体,使有用谱线辐射增强。如为提高Nd3+:YA G的泵浦效率,使用氪灯时在灯中加入了10%的氙气。这样,放电温度降低了,而线性辐射部分增加了。在电流密度高,放电时间短时,充入原子序数小的惰性气体(氩气,氖气)更有效。

6　寿命

为了使灯不致于因输入能量、功率过大而导致损坏,有较长的寿命,灯的负载必须远离极限负载。即使是这样,使用一段时间后,放电灯的管壁会出现发黑、发白、龟裂等现象,输出下降,着火电压升高,不能正常启动,工作不稳定而丧失使用价值。如果辐射输出为初始值的80%,即可认为灯的寿命中止。连续氪灯的寿命用小时衡量,脉冲氙灯的寿命用正常闪光次数量度。

影响氪灯使用寿命的主要因素是电极溅射物或蒸发的沉积物使阴极区发黑,造成灯管严重丧失透明性,发光效率下降。灯的几何形状、管厚、充气压及管壁冷却状况也对寿命有影响。

国外如:“Hereaus Noblelight”公司称其生产的氪灯的寿命不少于300小时。与其相比,俄罗斯的氪灯由于负载不同,寿命从200到750小时不等。

脉冲灯的寿命通常由下式来评价:

m=(E x

E0

)8.57

这里,E x—爆炸能量,E0—工作能量。由此式可知,当E0<

提高泵浦灯的寿命是以研究外壳和电极的损坏过程为基础。灯主要有四种损坏形式:

(1)由于光辐射染色,外壳的透过率降低。

(2)在光参数无明显变化时突然损坏。

(3)由于外壳材料的二氧化硅物理—化学分解,如放电焦耳热引起管壁蒸发、析晶、分解,导致积分光强度下降和灯损坏。

(4)由于电极物质在强电流作用下会熔解溅射,沾污在管壁上,形成不透明的薄膜。

主要损坏形式间的关系取决于外壳的表面负载。

第(1)种损耗是在表面负载相对较小,小于100W/cm2时,有光辐射染色。这时灯的工作性能很好,只是由于积分光强度下降,灯才发生故障。

第(2)种损耗是表面负载为100—200W/cm2,由于在灯的石英外壳产生机械应力而使灯损坏。现在可以认为,由下列被证实的因素形成这些应力。等离子体的紫外辐射(确切地说,λ=130-190nm)作用于外壳,在石英管壁上形成内在缺陷,这个缺陷引起在有限的层内材料密度的增加。形成的一定密度的玻璃层,与主要材料的质量不同,产生了应

力。随着应力的增加,导致灯损坏。

第(3)种和第(4)种损耗过程实际上一直在进行,但损耗速度取决于表面负载,取决于灯外壳和电极的组成和结构。在表面负载为150-250W/cm2时,灯的寿命既由(2)—(4)过程单独确定,又由灯自身特殊的相互作用所决定。

这样,提高脉冲氙灯寿命,要在脉冲氙灯的制作工艺上采取各种有效措施和选用适宜材料,不断提高脉冲氙灯的质量。主要途径是使用掺杂石英外壳或者在内表面涂有吸收紫外辐射防护层的外壳时寻找高效的、抗腐蚀的电极材料。

为了提高寿命,在高负载时必须降低外壳与电极间的相互腐蚀。解决这个问题有两个途径。第一,提高阴极对腐蚀的稳定性。第二,靠减少壁厚降低外壳内表面的温度(这时必须考虑灯的机械强度下降),以及减少外壳或掺杂石英外壳内表面的杂质浓度。

7　结束语

泵浦灯的优点很多,如制作工艺较为简单,使用方便,适用范围广,能在脉冲或连续状态下工作等,但也有不足之处,主要是泵浦效率低。目前作为固体激光器的泵浦源基本上还是采用泵浦灯。随着激光技术的不断发展,固体激光器的规格品种越来越多,对灯的性能要求也越来越高,越来越严格。只有不断提高灯的技术性能和可靠性,提高灯的泵浦性能,才能适应固体激光器的发展,从而进一步提高固体激光器的品质。

参考文献

1　雷仕湛.激光技术手册.科学出版社.1990

2　杨臣华等.激光与红外技术手册.国防工业出版社.1990

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4　и.с.МАРШАКА//Имцулъсныеисточникисвета.1978

5　ГС.ЛЕОНОВ.лампынакачка//Светотехника.1997.No6

(上接第60页)

文中介绍不一定全面、准确,如能引起有关人员的关心,也就达到了目的。

上述各种电器只是光电对抗中应用的主要电器,而不是全部。其中,有些电器的性能并不能满足日益发展的光电对抗需求。为此,需要有关人员深入了解光电对抗中应用的电器以及它们的性能要求、环境使用条件等等,以便创造出更适合光电对抗应用的电器。

参考文献

1　沈鸿著编.电机工程手册.第5卷

2　工厂常用电气设备手册.水利电力出版社

3　郑铭芳著编.低压电器选用维修手册

半导体泵浦激光原理实验

半导体泵浦激光原理实验 理工学院光信息2班贺扬10329064 合作人：余传祥 【实验目的】 1、了解与掌握半导体泵浦激光原理及调节光路方法。 2、掌握腔内倍频技术，并了解倍频技术的意义。 3、掌握测量阈值、相位匹配等基本参数的方法。 【实验仪器】 808nm半导体激光器、半导体激光器可调电源、晶体、KTP倍频晶体、输出镜（前腔片）、光功率指示仪 【实验原理】 激光的产生主要依赖受激辐射过程。 处于激发态的原子，在外的光子的影响下，从高能态向低能态跃迁，并在两个状态的能量差以辐射光子的形式发出去。只有外来光子的能量正好为激发态与基态的能级差时，才能引起受激辐射，且受激辐射发出的光子与外来光子的频率、发射方向、偏振态和相位完全相同。 激光器主要有：工作物质、谐振腔、泵浦源组成。工作物质主要提供粒子数反转。 泵浦过程使粒子从基态抽运到激发态，上的粒子通过无辐射跃迁，迅速转移到亚稳态。是一个寿命较长的能级，这样处于的粒子不断累积，上的粒子又由于抽运过程而减少，从而实现与能级间的粒子数反转。 激光产生必须有能提供光学正反馈的谐振腔。处于激发态的粒子由于不稳定性而自发辐射到基态，自发辐射产生的光子各个方向都有，只有沿轴向的光子，部分通过输出镜输出，

部分被反射回工作物质，在两个反射镜间往返多次被放大，形成受激辐射的光放大即产生激光。 激光倍频是将频率为的光，通过晶体中的非线性作用，产生频率为的光。 当外界光场的电场强度足够大时（如激光），物质对光场的响应与场强具有非线性关系： 式中均为与物质有关的系数，且逐次减小。 当E很大时，电场的平方项不能忽略。 ,直流项称为光学整流，当激光以一定角度入射到倍频晶体时，在晶体产生倍频光，产生倍频光的入射角称为匹配角。 倍频光的转换效率为倍频光与基频光的光强比，通过非线性光学理论可以得到： 式中L为晶体长度，、分别为入射的基频光、输出的倍频光光强。 在正常色散情况下，倍频光的折射率总是大于基频光的折射率，所以相位失配，双折射晶体中的o光和e光折射率不同，且e光的折射率随着其传播方向与光轴间夹角的变化而改变，可以利用双折射晶体中o光、e光间的折射率差来补偿介质对不同波长光的正常色散，实现相位匹配。 【实验装置】 图2 实验装置示意图

实验八 脉冲式灯泵浦YAG激光器被动调Q实验

实验八脉冲式灯泵浦YAG激光器被动调Q实验 实验目的 （1）掌握被动调Q Y AG激光器的工作原理与调试方法。 （2）测量脉冲与连续泵浦Y AG激光器的静态输出特性。 （3）分析被动调Q率被动调Q Y AG激光器的动态输出特性。 （4）在被动调Q理论分析的基础上，通过实验研究，针对相应的运转条件和应用需求，设计被动调Q Y AG激光器的光学参数。 实验原理 1．固体Nd:Y AG激光器的工作原理。 （1）Nd:Y AG晶体的性质 Nd3+:YAG是以三阶钕（Nd3+）离子部分取代Y3Al45O12晶体中Y3+离子的激光工作物质，称为掺钕钇铝石榴石（简称Nd3+:YAG）。它以Nd3+离子作为激活粒子。图8-1给出了Nd3+:YAG晶体中Nd3+离子的与激光产生过程有关的能级图。处于基态4I9/2的钕离子吸收光泵发射的相应波长的光子能量后跃迁到4I5/2，2H9/2和4F7/2，4S3/2能级（吸收带的中心波长是810nm和750nm，带宽为30nm），然后几乎全部通过无辐射跃迁迅速降落到4F3/2能级。4F3/2能级是一个寿命为0.23ms的亚稳态能级。处于4F3/2能级的Nd3+离子可以向多个较低能级跃迁并产生辐射，其中几率最大的是4F3/2至4I11/2的跃迁（波长

为1064nm）。 图8-1 Nd3+:YAG激光的激发机理 （2）静态运转特性分析 （a）脉冲运转→驰豫振荡（尖峰效应）暂态过程。 （b）连续运转→阈值条件（增益饱和）稳态过程。 按“激光原理与技术”中有关章节的分析，结合实验得出：仅仅依靠增加泵浦能量与功率，不能获得窄脉宽，高峰值功率的激光脉冲的结论。 2．Cr:YAG饱和吸收被动调Q原理 自饱和被动式调Q激光器由于器件结构简单，对激光器无电磁干扰，应用十分广泛，但由于通常的染料调Q介质，导热率极低，使其应用范围受到局限，只能用于低重复率的脉冲调Q激光器中。近年来，由于激光晶体技术的进步，我国已生产出可用于高重复率调Q的多掺Y AG晶片，制成了被动式的Q开关器件，兼备声光和染料调Q的长处，在激光医疗、激光打标和非线性光学等领域获得广泛的应用。 在Y AG晶体内，除了Nd+3之外，某些分凝系数较大的金属氧化物也能以原子或离子的形式长入晶体之中，这些异价离子将在其近邻产生具有反号电荷的离子空位或点阵空位，当一个自由电子或空穴被俘获时，就形成了吸收光的色心（Color Center）。多掺杂的YAG晶片在0.9-1.2μm波长范围内有很强的吸收，可将该晶片置于Nd:Y AG激光谐振腔内，其透过率将随腔中振荡激光（1.06μm波长）的强度变化而变化，并改变着谐振腔的Q值，因此起着被动式的Q开关作用，使激光器产生巨脉冲。 多掺杂的Y AG晶片是一种非线性吸收介质，在强光作用下由于吸收饱和而对激光

氦氖激光器的调腔实验

氦氖激光器的调腔实验 （北京师范大学物理系） 摘要：本实验分别通过准直法和十字叉丝法来调节谐振腔两端腔镜的位置，使得两个腔镜平行且和毛细管垂直，发射激光，并通过统调法获得最强激光。 理论： 激光器由激励电流、增益介质和谐振腔组成，如图1。对He-Ne激光器而言增益介质就是在两端封有布儒斯特窗的毛细管内按一定的气压充以适当比例的氦氖气体，当氦氖混合气体被电流激励时，与某些谱线对应的上下能级的粒子数发生反转，使介质具有增益。 介质增益与毛细管长度、内径粗细、两种气体的比例、总气压以及放电电流等因素有关。对谐振腔而言腔长要满足频率的驻波条件，谐振腔镜的曲率半径要满足腔的稳定条件。总之腔的损耗必须小于介质的增益，才能建立激光振荡。由于介质的增益具有饱和特性，增益随激光强度增加而减小。初始建立激光振荡时增益大于损耗，随着激光的增强而增益逐渐减小直到增益等于损耗时才有持续稳定的振荡。 图1 激光器原理图 实验内容： 1.清洗镜头 在清洗镜头时候可以通过腔镜的具体情况选择合适的清洗方法，首先应用洗耳球吹去镜头上的灰尘等颗粒物，对于软膜我们采用拖曳的方法，首先将镜头放置在水平的桌面上，取一张镜头纸并将光滑一面放置在镜头上，并且在此之前确保不会用手去接触光滑面，在擦镜纸上接触镜头的部位滴一到两滴丙酮试剂，轻轻拖曳擦镜纸的一端直到整张擦镜纸擦过镜头。

图2 软膜清洗法 对于硬膜，洗耳球吹去镜头上的灰尘等颗粒物之后，将镜头着对折，如图，用止血钳夹住擦镜纸，露出一段，在露出一端上滴一到两滴丙酮，轻甩之后擦 拭镜头，擦拭的过程保证擦拭方向永远朝着一个方向，不来回擦拭。 图3 硬膜清洗法 2.准直法调腔 用具：He-Ne激光器、准直激光器、贴有白纸的立板。 步骤： （1）通过上述方法清洗完镜头和布儒斯特窗后，打开准直激光器； （2）首先调节准直激光器的上下高度和俯仰角度，使得准直激光器打出来的光与毛细管的中心在同一水平线上； （3）将准直激光器固定在谐振腔一端的前段，将激光穿透整个毛细管，此时可以调节准直激光器的横向位移和左右偏移动，直到穿透的光打在对面的白 纸上呈现同心圆环状； （4）装上阴极反射镜，调整反射镜的左右偏转和俯仰，使反射回的激光与出来的激光重合出现在准直激光器镜头上的正中心； （5）装上阳极反射镜，调整反射镜的左右偏转和俯仰，使反射回的激光出现规则的明暗变化；

实验报告-半导体泵浦激光原理

激光器主要有：工作物质、谐振腔、泵浦源组成。工作物质主要提供粒子数反转。 泵浦过程使粒子从基态E1抽运到激发态E3，E3上的粒子通过无辐射跃迁（该过程粒子从高能级跃迁到低能级时能量转变为热能或晶格振动能，但不辐射光子），迅速转移到亚稳态E2。E2是一个寿命较长的能级，这样处于E2的粒子不断累积，E1上的粒子又由于抽运过程而减少，从而实现E2与E1能级间的粒子数反转。 激光产生必须有能提供光学正反馈的谐振腔。处于激发态的粒子由于不稳定性而自发辐射到基态，自发辐射产生的光子各个方向都有，偏

离轴向的光子很快逸出腔外，只有沿轴向的光子，部分通过输出镜输出，部分被反射回工作物质，在两个反射镜间往返多次被放大，形成受激辐射的光放大即产生激光。 光的倍频是一种最常用的扩展波段的非线性光学方法。激光倍频是将频率为ω的光，通过晶体中的非线性作用，产生频率为2ω的光。 当光与物质相互作用时，物质中的原子会因感应而产生电偶极矩。单位体积内的感应电偶极矩叠加起来，形成电极化强度矢量。电极化强度产生的极化场发射出次级电磁辐射。当外加光场的电场强度比物质原子的内场强小得多时，物质感生的电极化强度与外界电场强度成正比。 P=ε0χE 在激光没有出现前，当有几种不同频率的光波同时与该物质作用时，各种频率的光都线性独立地反射、折射和散射，满足波的叠加原理，不会产生新的频率。 当外界光场的电场强度足够大时（如激光），物质对光场的响应与场强具有非线性关系： P=αE+βE2+γE3+?

式中α，β，γ，…均为与物质有关的系数，且逐次减小。 考虑电场的平方项 E=E0cosωt P(2)=βE2=βE02cos2ωt=βE02 (1+cos2ωt) 出现直流项和二倍频项cos2ωt,直流项称为光学整流，当激光以一定角度入射到倍频晶体时，在晶体产生倍频光，产生倍频光的入射角称为匹配角。 倍频光的转换效率为倍频光与基频光的光强比，通过非线性光学理论可以得到： η=I2ω ω ∝βL2Iω sin2(Δkl/2) 式中L为晶体长度，Iω、I2ω分别为入射的基频光、输出的倍频光光强。 在正常色散情况下，倍频光的折射率n2ω总是大于基频光的折射率，所以相位失配，双折射晶体中的o光和e光折射率不同，且e光的折射率随着其传播方向与光轴间夹角的变化而改变，可以利用双折射晶体中o光、e光间的折射率差来补偿介质对不同波长光的正常色散，实现相位

5-1 氦氖激光器的模式分析 实验报告

近代物理实验报告 指导教师： 得分： 实验时间： 2009 年 03 月 17 日， 第 三 周， 周 三 ， 第 5-8 节 实验者： 班级 材料0705 学号 200767025 姓名 童凌炜 同组者： 班级 材料0705 学号 200767007 姓名 车宏龙 实验地点： 综合楼 501 实验条件： 室内温度 ℃， 相对湿度 %， 室内气压 实验题目： 氦氖激光器的模式分析 实验仪器：（注明规格和型号） 扫描干涉仪；高速光电接收器；锯齿波发生器；示波器； 半外腔氦氖激光器及电源；准直用氦氖激光器及电源；准直小孔。 实验目的： （1） 了解扫描干涉仪原理，掌握其使用方法； （2） 学习观测激光束横模、纵模的实验方法。 实验原理简述： 1. 激光器模式的形成 激光器由增益介质、谐振腔、激励能源三个基本部分组成。如果用某 种激励的方式，使介质的某一对能级间形成的粒子数反转分布，由于 自发辐射的作用，将有一定频率的光波产生，并在谐振腔内传播，被 增益介质增强、放大。形成持续振荡的条件是：光在谐振腔内往返一 周的光程差为波长的整数倍，即 q q uL λ=2 满足此条件的光将获得极大的增强。 每一个q 对应纵向一种稳定的电磁场分布λq ，叫一个纵模，q 称为纵模 序数。纵模的频率为 uL c q q 2=ν 相邻两个纵模的频率间隔为 uL c q 21= ?=?ν 因此可以得知， 缩短腔长的方法是获得单纵模运行激光器的办法之一。

当光经过放电毛细管时，每反馈一次就相当于一次衍射，多次反复衍射，就在横向的同一波腹处形成一个或多个稳定的衍射光斑。每一个衍射光斑对应一种稳定的横向电磁场分布，称为一个横模。模式指激光器内能够发生稳定光振荡的形式，每一个膜，既是纵模，又是横模，纵模描述了激光器输出分立频率的个数，横模描述了垂直于激光传播方向的平面内光场的分布情况。激光的线宽和相干长度由纵模决定，光束的发散角、光斑的直径和能量的横向分布由横模决定。，一个膜由三个量子数表示，通常记作TEM mnq 。 横模序数越大，频率越高。不同横模间的频率差为： ?? ??????????????--?+?=?2/121,)1)(1(arccos )(12''R L R L n m uL c n m mn πν 相邻横模频率间隔为： ?? ??????????????--?=?=?=?+?2/12111)1)(1(arccos 1'R L R L q n m πνν 相邻横模频率间隔与纵模频率间隔的比值是一个分数，分数的大小由激光器的腔长和曲率半径决定，腔长与曲率半径的比值越大，分数值就越大。 另外， 激光器中产生的横模个数，除了与增益有关外，还与放电毛细管的粗细、内部损耗等因素有关。 2. 共焦球面扫描干涉仪 共焦球面干涉仪用压电陶瓷作为扫描元件或用气压进行扫 描。 2.1 共焦球面扫描干涉仪的机构和工作原理 共焦球面扫描干涉仪是一个无源腔，由两块球形凹面反射镜 构成，两块镜的曲率半径和腔长相等（即R 1=R 2=l ，构成共焦 腔）。其中一块反射镜固定不动，另一块反射镜固定在可随 外电压变化而变化的压电陶瓷环上。如右图所示，由低膨胀 系数材料制成的间隔圈，用以保持两球形凹面反射镜R 1、R 2 总处于共焦状态。 当一束波长为λ的光近轴入射到 干涉仪内时，在忽略球差的条件 下，在共焦腔中经四次反射形成 一条闭合路径，光程近似为4l ， 如右图所示 编号为1和1’ 的两组透光强分别为： 1222201]sin )12(1)[1(--+-=βR R R T I I 和 121'I R I = β为往返一次所形成的相位差，即

实验四 连续半导体泵浦固体激光器静态输出特性和声光调Q实验

实验四连续半导体泵浦固体激光器静态输出特性 和声光调Q实验 实验目的 1.了解固体激光器的输出特性和阈值特性，掌握激光器输出特性斜率效率的计 算； 2.掌握激光器设计中最佳透过率的概念，巩固最佳透过率选取原则； 3.掌握声光调Q的基本原理和布拉格衍射的特征及布拉格衍射角的概念，了解 激光器在连续和调Q脉冲工作状态下的激光功率输出特性， 4.了解不同调Q频率下，激光功率变化的原因，巩固最佳调Q频率选取的原则。 实验原理 1. 固体Nd:YAG激光器工作原理 固体激光器通常由三个基本部分组成，即固体激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔。 激光工作物质是激光器的心脏，产生激光的是激活离子，激光器的输出特性在很大程度上由激活离子的能级结构决定。目前，常用的固体激光工作物质有红宝石晶体、钕玻璃和掺钕钇铝石榴石（即Nd3+:YAG）晶体。由于Nd3+:YAG晶体具有荧光谱线窄、量子效率高等特点，它的增益高、阈值低、激光输出效率高，故在中小功率的脉冲器件中，以及在高重复率的脉冲激光器中得到广泛应用。本实验中即采用Nd3+:YAG作为激光工作物质，该工作物质的激活离子为Nd3+，属四能级系统，发射激光波长为1.06μm，工作于连续方式。Nd3+:YAG产生受激辐射的能级如图4-1所示。激活粒子（Nd3+:离子）在这些能级之间的跃迁特性为：在光泵浦作用下，处于基态能级E1上的粒子被激发到高能级E4上，由于E4能级寿命很短，处在该能级上的粒子很快以无辐射跃迁方式迅速转移到较低的激发态能级E3上，E3为亚稳态，在E3能级上的粒子有较长的寿命（10-3~10-4s），因而易于实现粒子数积累。当粒子数由E3向E2跃迁时，产生激光辐射，粒子到达能级E2后，再以无辐射跃迁迅速地返回到基态E1。基于这种状态以及由于热平衡情况，使得粒子不易在E2能级上积聚，因此，在外界激励下，E3和E2之间较易形成粒子数反转，从而实现受激辐射。

外腔He-Ne激光器的调试及参数测量

半外腔He-Ne 激光器的调试及参数测量 1. 引言 虽然在1917年爱因斯坦就预言了受激辐射的存在，但在一般热平衡情况下，物质的受激辐射总是被受激吸收所掩盖，未能在实验中观察到。直到1960年，第一台红宝石激光器才面世，它标志了激光技术的诞生 按工作物质的类型不同，激光器可以分成四大类：固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。He-Ne 激光器是继红宝石激光器后出现的第二种激光器，也是目前使用最为广泛的激光器之一。因此有必要通过实验对He-Ne 激光器作全面的了解。 2. 实验目的 1） 了解He-Ne 激光器的构造。 2） 观察并测量He-Ne 激光器的功率、发散角、横模式等性能参数。 3） 调整谐振腔一端的反射镜，观察谐振腔改变后He-Ne 激光器性能参数的变化。 3. 基本原理 3.1 He-Ne 激光器结构 He-Ne 激光器由光学谐振腔（输出镜与全反镜）、工作物质（密封在玻璃管里的氦气、氖气）、激励系统（激光电源）构成，如下图 He-Ne 激光器激励系统采用开关电路的直流电源，体积小，重量轻，可靠性高，并装有散热风机，可长时间运行。 激光管的布氏窗与输出镜、全反镜之间用模具成型的耐老化的硅胶套封接。避免了因灰尘、潮气污染布氏窗、输出镜、全反镜而造成的激光输出功率下降。输出镜、全反射调节采用差动螺丝，粗调调节范围大，可锁定。细调调节范围小，调节时不易出差错。在激光管的阴极、阳极上串接着镇流电阻,防止激光管在放电时出现闪烁现象。激光器外壳接地，手碰激光器外壳无静电感应的刺痛感。 放电毛细管内充的氦氖混合气体的压强比约为7:1，总压强在100Pa 至400Pa 。放电管两端贴有用水晶片制成的布儒斯特窗。窗口平面的法线与放电管轴向间的夹角也恰好等于水晶的布儒斯特角，约56°。安装布儒斯特窗口可以使激光器输出的激光为在纸面内振动的偏振光，沿该方向振动的偏振光通过布儒斯特窗时不会反射，因此有利于减少损耗，提高输出功率。 3.2 He-Ne 激光器谐振腔与激光横模 光学谐振腔的两个反射镜构成腔的边界，他对腔内的激光场产生约束作用，使激光场的分布以及振荡频率都只能存在一系列分离的本征状态，每一个本征态称为一种激光模式。激光模式有两类：一类称为纵模，它是指可能存在于腔内得每一种驻波场，用模序数q 描述沿腔轴线的激光场的节点数。另一类是横模，指可能存在于腔内的每一种横向场分布，用模序数m 和n 描述。如果谐振腔由两面方形孔径的反射镜组成，则m 和n 分别表示沿镜面直角坐标系的水平和竖直坐标轴的激光场节线数。如果谐振腔由两面圆形孔径反射镜组成，则m 和n 分别表示沿镜面极坐标系的角向和径向的激光场节线数。因此每一个激光模式可以用三个独立的模序数表示，记成n m q TEM ,,。单独表示横模时可记成n m TEM ,。如00TEM 表示基

5-1 氦氖激光器的模式分析 实验报告

近代物理实验报告 指导教师： 得分： 实验时间： 2009 年 03 月 17 日， 第 三 周， 周 三 ， 第 5-8 节 实验者： 班级 材料0705 学号 200767025 姓名 童凌炜 同组者： 班级 材料0705 学号 200767007 姓名 车宏龙 实验地点： 综合楼 501 实验条件： 室内温度 ℃， 相对湿度 %， 室内气压 实验题目： 氦氖激光器的模式分析 实验仪器：（注明规格和型号） 扫描干涉仪；高速光电接收器；锯齿波发生器；示波器； 半外腔氦氖激光器及电源；准直用氦氖激光器及电源；准直小孔。 实验目的： （1） 了解扫描干涉仪原理，掌握其使用方法； （2） 学习观测激光束横模、纵模的实验方法。 实验原理简述： 1. 激光器模式的形成 激光器由增益介质、谐振腔、激励能源三个基本部分组成。如果用某种激励的方式，使介质的某一对能级间形成的粒子数反转分布，由于自发辐射的作用，将有一定频率的光波产生，并在谐振腔内传播，被增益介质增强、放大。形成持续振荡的条件是：光在谐振腔内往返一周的光程差为波长的整数倍，即 q q uL λ=2 满足此条件的光将获得极大的增强。 每一个q 对应纵向一种稳定的电磁场分布λq ，叫一个纵模，q 称为纵模序数。纵模的频率为 uL c q q 2=ν 相邻两个纵模的频率间隔为 uL c q 21= ?=?ν 因此可以得知， 缩短腔长的方法是获得单纵模运行激光器的办法之一。

当光经过放电毛细管时，每反馈一次就相当于一次衍射，多次反复衍射，就在横向的同一波腹处形成一个或多个稳定的衍射光斑。每一个衍射光斑对应一种稳定的横向电磁场分布，称为一个横模。模式指激光器内能够发生稳定光振荡的形式，每一个膜，既是纵模，又是横模，纵模描述了激光器输出分立频率的个数，横模描述了垂直于激光传播方向的平面内光场的分布情况。激光的线宽和相干长度由纵模决定，光束的发散角、光斑的直径和能量的横向分布由横模决定。，一个膜由三个量子数表示，通常记作TEM mnq 。 横模序数越大，频率越高。不同横模间的频率差为： ?? ??????????????--?+?=?2 /121,)1)(1(arccos )(12' 'R L R L n m uL c n m mn πν 相邻横模频率间隔为： ?? ? ?????????????--?=?=?=?+?2 /12111)1)(1(arccos 1' R L R L q n m πνν 相邻横模频率间隔与纵模频率间隔的比值是一个分数，分数的大小由激光器的腔长和曲率半径决定，腔长 与曲率半径的比值越大，分数值就越大。 另外， 激光器中产生的横模个数，除了与增益有关外，还与放电毛细管的粗细、内部损耗等因素有关。 2. 共焦球面扫描干涉仪 共焦球面干涉仪用压电陶瓷作为扫描元件或用气压进行扫描。 2.1 共焦球面扫描干涉仪的机构和工作原理 共焦球面扫描干涉仪是一个无源腔，由两块球形凹面反射镜构成，两块镜的曲率半径和腔长相等（即R 1=R 2=l ，构成共焦腔）。其中一块反射镜固定不动，另一块反射镜固定在可随外电压变化而变化的压电陶瓷环上。如右图所示，由低膨胀系数材料制成的间隔圈，用以保持两球形凹面反射镜R 1、R 2总处于共焦状态。 当一束波长为λ的光近轴入射到干涉仪内时，在忽略球差的条件下，在共焦腔中经四次反射形成一条闭合路径，光程近似为4l ，如右图所示 编号为1和1’ 的两组透光强分别为： 1 222201]sin )12(1)[1(--+-=βR R R T I I 和 121'I R I = β为往返一次所形成的相位差，即 λπβ/22?=ul

实验一-半导体激光器系列实验

实验一-半导体激光器系列实验

实验一半导体激光器系列 实验

一、实验设备介绍 2．配套仪器的使用 WGD-6光学多道分析器的使用参考WGD-6光学多道分析器的使用说明书。 3．激光器概述 光电子器件和技术是当今和未来高技术的基础，引起世界各国的极大关注。其中半导体激光器的生产和应用发展特别迅猛，它已经成功地用于光通讯和光学唱片系统；还可以作为红外高分辨率光谱仪光源，用于大气测污和同位素分离等；同时半导体激光器可以成为雷达，测距，全息照相和再现、射击模拟器、红外夜视仪、报警器等的光源。半导体激光器，调频器，放大器集成在一起的集成光路将进一步促进光通 - 1 -

讯，光计算机的发展。 激光器一般包括三个部分： （1）激光工作介质 激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转是非常有利的。现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外到远红外，非常广泛。 （2）激励源 为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。 （3）谐振腔 有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。一块几乎全反射，一块大部分反射、 - 2 -

实验1NdYAG固体激光器实验

hv 2 1 (a) 2 1 (b) 2 E 1 (c) 图1、光与物质作用的吸收过程 Nd ：YAG 固体激光器实验 一、 实验内容与器件 1、了解半导体激光器的工作原理和光电特性 2、掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法 二、 实验原理概述 1. 激光产生原理 光与物质的相互作用可以归结为光与原子的相互作用，有三种过程：吸收、自发辐射和受激辐射。 如果一个原子，开始处于基态，在没有外来光子，它将保持不变，如果一个能量为hv 21的光子接近，则它吸收这个光子，处于激发态E 2。在此过程中不是所有的光子都能被原子吸收，只有当光子的能量正好等于原子的能级间隔 E 1-E 2时才能被吸收。 激发态寿命很短，在不受外界影响时，它们会自发地返回到基态，并放出光子。自发辐射过程与外界作用无关，由于各个原子的辐射都是自发的、独立进行的，因而不同原子发出来的光子的发射方向和初相位是不相同的。 处于激发态的原子， 在外的光子的影响下，会从高能态向低能态跃迁，并两个状态间的能量差以辐射光子的形式发射出去。只有外来光子的能量正好为激发态与基态的能级差时，才能引起受激辐射，且受激辐射发出的光子与外来光子的频率、发射方向、偏振态和相位完 全相同。激光的产生主要依赖受激辐射过程。激光器主要有：工作物质、谐振腔、泵浦源组成。工作物质主要提供粒子数反转。 hv 21 2 E 1 (a) E 2 E 1 (b) hv 21 hv 21 图2、光与物质作用的受激辐射过程

泵浦过程使粒子从基态E 1抽运到激发态E 3，E 3上的粒子通过无辐射跃迁（该过程粒子从高能级跃迁到低能级时能量转变为热能或晶格振动能，但不辐射光子），迅速转移到亚稳态E 2。E 2是一个寿命较长的能级，这样处于E 2上的粒子不断积累，E 1上的粒子 又由于抽运过程而减少，从而实现E 2与E 1能级间的粒子数反转。激光产生必须有能提供光学正反馈的谐振腔。处于激发态的粒子由于不稳定性而自发辐射到基态，自发辐射产生的光子各个方向都有，偏离轴向的光子很快逸出腔外，只有沿轴向的光子，部分通过输出镜输出，部分被反射回工作物质，在两个反射镜间往返多次被放大，形成受激辐射的光放大即产生激光。 2 YAG 固体激光器 固体激光器基本都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成。固体激光器工作物质是固体激光器的核心。影响固体激光器工作特性的关键是固体激光工作物质的物理和光谱性质，这主要是指吸收带、荧光谱线、热导率等。实验中,我们采用掺钕钇铝石 榴石(Nd:YAG)作为工作物质,它的激活离子是钕离子（Nd 3+），其吸收谱线如图4所示，在可 见光和红外区域有几个较强的吸收带，我们关注的是808nm 附近的吸收谱线。在本实验中，半导体激光器是用来做固体激光器的泵浦光源。我们采用了输出波长为808nm, InGaAlAs/GaAs 量子阱结构设计、光斑预整形、输出功率大于2W 的多模半导体激光器，工作电流可调，采用半导体制冷片对其进行温度控制。 图4 3:Nd YAG +晶体的吸收光谱（300K ） YAG 中3Nd +与激光产生有关系的能级结构如图5所示。它属于四能级系统。其激光上 能级3E 为33/2F ，激光下能级2E 为43/2I I ，43/2II I ，其荧光谱线波长分别为1.35m μ和1.06m μ，49/2 I 相应于1E 。由于1.06m μ比1.35m μ波长的荧光强约4 倍，在本实验中，我们通过腔镜镀膜，E 1 E 3 E 2 图3、三能级系统示意图

1-实验四 半导体泵浦固体激光器综合实验

实验四半导体泵浦固体激光器综合实验半导体泵浦固体激光器（Diode-Pumped solid-state Laser，DPL），是以激光二极管（LD）代替闪光灯泵浦固体激光介质的固体激光器，具有效率高、体积小、寿命长等一系列优点，在光通信、激光雷达、激光医学、激光加工等方面有巨大应用前景，是未来固体激光器的发展方向。本实验的目的是熟悉半导体泵浦固体激光器的基本原理和调试技术，以及倍频的原理和技术。 一、实验目的 １．掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法； ２．了解固体激光器倍频的基本原理； ３．掌握固体激光器被动调Q的工作原理，进行调Q脉冲的测量。（选做） 二、实验原理 １．半导体激光泵浦固体激光器工作原理： 上世纪80年代起，生长半导体激光器（LD）技术得到了蓬勃发展，使得LD的功率和效率有了极大的提高，也极大地促进了DPSL技术的发展。与闪光灯泵浦的固体激光器相比，DPSL 的效率大大提高，体积大大减小。在使用中，由于泵浦源LD的光束发散角较大，为使其聚焦在增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换（耦合）。泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种，其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹配好等优点。侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器。本实验采用端面泵浦方式。端面泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两种方式。 直接耦合：将半导体激光器的发光面紧贴增益介质，使泵浦光束在尚未发散开之前便被增益介质吸收，泵浦源和增益介质之间无光学系统，这种耦合方式称为直接耦合方式。 直接耦合方式结构紧凑，但是在实际应用中较难实现，并且容易对LD造成损伤。 间接耦合：指先将LD输出的光束进行准直、整形，再进行端面泵浦。常见的方法有：组合透镜系统聚光：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合。 自聚焦透镜耦合：由自聚焦透镜取代组合透镜进行耦合，优点是结构简单，准直光斑的大小取决于自聚焦透镜的数值孔径。 光纤耦合：指用带尾纤输出的LD进行泵浦耦合。优点是结构灵活。 本实验先用光纤柱透镜对半导体激光器进行快轴准直，压缩发散角，然后采用组合透镜对泵浦光束进行整形变换，各透镜表面均镀对泵浦光的增透膜，耦合效率高。本实验的压缩和耦合如图 2所示。

氦氖激光器的调试实验

氦氖激光器调试实验 一、实验目的 1、了解He-Ne 激光器的工作原理和基本结构； 2、掌握外腔式He-Ne 激光器的F-P 腔调节技术； 3、分析放电电流对激光输出功率的影响。 二、实验仪器 外腔式He-Ne 激光器、准直光源，光学导轨，激光功率计，光阑，腔镜。 三、实验原理 一、激光原理概述 1 普通光源的发光——受激吸收和自发辐射 普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等的发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。在没有外界作用时会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量为 12E E h -=ν 2受激辐射和光的放大 受激辐射的过程大致如下：原子开始处于高能级E2，当一个外来光子所带的能量h υ正好为某一对能级之差E2-E1,则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1跃迁。这种受激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子，就会出射两个完全相同的光子。这意味着原来光信号被放大，这种在受激过程中产生并被放大的光，就是激 E 2 E 2 E 1 ν h (a) 自发辐射 E 2 E 2 E 1 ν h (b) 受激吸收 νh E 2 E 2 E 1 νh ν h νh ν h (c) 受激发射 高能态原子 低能态原子 双能级原子中的三种跃迁

电子碰 撞 激 发 波数 1 3390nm 632.8nm 1150nm 自发辐射 管壁效应驰豫 3P （525p p ） 1S （523p s ） 2S （5 24p s ） 共振转移 共振转移 电子碰撞激发 Ne 10S He 17 1 6 15 14 13 12 11 3S （525p s ） 2P （523p p ） 光。 3 粒子数反转 一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。由此可见，为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。 4 激光器的结构 激光器一般包 括三个部分：激光工作介质；激励源； 谐振腔 二 He-Ne 气 体激光器工作原 理： 气体激光器的种 类很多，He-Ne 气体 激光器是目前应用最广泛的气体激光器。由于它的发散角小、单色性和方向性极好、稳定性高，故 在准直、计量、全息、 检测、导向、信息处 理、医疗等技术中得到了广泛的应用。但He-Ne 气体激光器的输出功率较小， He-Ne 气体激光器的输出功率只有 1 100mW ，最常用的25cm 的激光管，放电电流为5mA,高压为1500V ，输出功率为1.5mW ，效率仅为0.02％。制作He-Ne 气体激光器时，为了在有限的腔长内，尽可能获得较大的功率输出，要选择最佳的放电条件。所谓最佳放电条件是指一定管径和管长的He-Ne 气体激光器在适当的总气压、气体配比和放电电流下运转，以获得最大功率的激光输出。 四、 实验内容与步骤： 1、将准直光阑放在准直用的氦氖激光器和半外腔氦氖激光器之间，取掉其

半导体激光器

半导体激光器 摘要：由于三五族化合物工艺的发展与半导体激光器的多种优点，近几十年来，半导体激光器发展十分迅速，而且在各个领域发挥着越来越重要的作用。本文将介绍半导体激光器的基本理论原理、相关发展历程、研究现状以及其广泛的应用。 1.引言 自1962 年世界上第一台半导体激光器发明问世以来, 半导体激光器发生了巨大的变化, 极大地推动了其他科学技术的发展, 被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一[1], 近十几年来, 半导体激光器的发展更为迅速, 已成为世界上发展最快的一门激光技术[2]。激光器的结构从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱（单、多量子阱）等多种形式，制作方法从扩散法发展到液相外延(LPE)、气相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金属有机化合物气相淀积(MOCVD)、化学束外延(CBE) 以及它们的各种结合型等多种工艺[3]。由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制及价格低廉等优点, 使得它目前在各个领域中应用非常广泛。 2.半导体激光器的基本理论原理 半导体激光器又称激光二极管(LD)。它的实现并不是只是一个研究工作者的或小组的功劳，事实上，半导体激光器的基本理论也是一大批科研人员共同智慧的结晶。 早在1953年，美国的冯·纽曼（John Von Neumann）在一篇未发表的手稿中第一个论述了在半导体中产生受激发射的可能性；认为可以通过向PN结中注入少数载流子来实现受激发射；计算了在两个布里渊区之间的跃迁速率。巴丁在总结了这个理论后认为，通过各种方法扰动导带电子和价带空穴的平衡浓度，致使非平衡少数载流子复合而产生光子，其辐射复合的速率可以像放大器那样，以同样频率的电磁辐射作用来提高。这应该说是激光器的最早概念。 苏联的巴索夫等对半导体激光器做出了杰出贡献，他在1958年提出了在半导体中实现粒子数反转的理论研究，并在1961年提出将载流子注入半导体PN结中实现“注入激光器”，并论证了在高度简并的PN结中实现粒子数反转的可能性，而且认为有源区周围高密度的多数载流子造成有源区边界两边的折射率有一差值，因而产生光波导效应。1961年，伯纳德和杜拉福格利用准费米能级的概念推导出了半导体有源介质中实现粒子数反转的条件，这一条件为次年半导体激光器的研制成功提供了重要理论指导。 1960年，贝尔实验室的布莱和汤姆逊提出了用半导体的平行解理面作为产生光反馈的谐振腔，为激发光提供反馈。 回顾这些理论发展历程，可以总结半导体激光器的基本理论原理：在直接带隙半导体PN结中，用注入载流子的方法实现伯纳德—杜拉福格条件所控制的粒子数反转；由高度简并的电子和空位复合所产生的受激光辐射在光学谐振腔内震荡并得到放大，最后产生相干激光输出[4]。 3.半导体激光器发展历程 在上述理论的影响下，以及1960年产生的红宝石激光器的刺激下，美国和苏

氦氖激光器电源设计报告

通信与信息工程学院激光器件与应用课程设计 班级：电子科学与技术 姓名： 学号：1207060221 指导教师： 设计时间：2016.1.4-2016.1.15 成绩： 评 通信与信息工程学院 二〇一六年

氦氖激光器电源设计 1实验目的 1)熟悉激光器的基本原理和组成； 2)掌握氦氖激光器工作原理； 3)掌握气体激光器对电源的要求； 4)学会气体激光器电源的设计和制作方法； 5)完成3mW氦氖激光器放电电源的制作与调试。 2实验仪器设备 He-Ne激光器、万用表、线路板、1N4007型二极管、0.022μF瓷片容器10uF电解电容、1MΩ电阻、44KΩ10W碳膜电阻。 3 氦氖激光器的工作原理 3.1 氦氖激光器的基本组成 1)放电管 放电管由放电毛细管和贮气管构成，其中毛细管处于增益介质工作区，是决定激光器输出性能的关键组成部分，之所以采用毛细管结构是由氖原子的能级结构决定的。贮气管与毛细管相连，且毛细管的一端有隔板，这是为了保证放电管的工作物质总量，使毛细管内的气体得到不断的更新，减缓了放电时毛细管内的杂质气体的增加和氦氖气压比的变化速率，延长了器件寿命。普通的氦氖激光器放电管一般用GG17硬质玻璃制成，而高稳定性器件常采用热胀洗漱更小的适应玻璃制成。 2)电极 电极有阳极和阴极，阴极多采用冷阴极方式，冷阴极材料多采用阴极溅射效应小，电子发射率高的铝和铝合金制成。为了进一步增加电子发射截面和降低溅射效应，阴极常制成圆筒状，并有尽可能大的尺寸；阳极一般用钨针制成。一般氦氖激光器多采用直流放电激励，处于正常辉光放电区域，属于高电压、低电流自持放电，起辉电压约为8kV/m，放电电流在几毫安到几百毫安范围内，作为增益区域的毛细管几乎整体处在正柱区中。 3)光学谐振腔

实验三、半导体泵浦固体激光器综合实验

半导体泵浦固体激光器综合实验 半导体泵浦固体激光器（Diode-Pumped solid-state Laser，DPL），是以激光二极管（LD）代替闪光灯泵浦固体激光介质的固体激光器，具有效率高、体积小、寿命长等一系列优点，在光通信、激光雷达、激光医学、激光加工等方面有巨大应用前景，是未来固体激光器的发展方向。本实验的目的是熟悉半导体泵浦固体激光器的基本原理和调试技术，以及其调Q 和倍频的原理和技术。 【实验目的】 1.掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法； 2.掌握固体激光器被动调Q的工作原理，进行调Q脉冲的测量； 3.了解固体激光器倍频的基本原理。 【实验原理与装置】 1.半导体激光泵浦固体激光器工作原理： 上世纪80年代起，生长半导体激光器（LD）技术得到了蓬勃发展，使得LD的功率和效率有了极大的提高，也极大地促进了DPSL技术的发展。与闪光灯泵浦的固体激光器相比，DPSL的效率大大提高，体积大大减小。在使用中，由于泵浦源LD的光束发散角较大，为使其聚焦在增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换（耦合）。泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种，其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹配好等优点。侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器。本实验采用端面泵浦方式。端面泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两种方式。 ①直接耦合：将半导体激光器的发光面紧贴增益介质，使泵浦光束在尚未发散开之前便被增益介质吸收，泵浦源和增益介质之间无光学系统，这种耦合方式称为直接耦合方式。直接耦合方式结构紧凑，但是在实际应用中较难实现，并且容易对LD造成损伤。 ②间接耦合：指先将LD输出的光束进行准直、整形，再进行端面泵浦。常见的方法有： 组合透镜系统聚光：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合。 自聚焦透镜耦合：由自聚焦透镜取代组合透镜进行耦合，优点是结构简单，准直光斑的大小取决于自聚焦透镜的数值孔径。 光纤耦合：指用带尾纤输出的LD进行泵浦耦合。优点是结构灵活。 本实验先用光纤柱透镜对半导体激光器进行快轴准直，压缩发散角，然后采用组合透镜对泵浦光束进行整形变换，各透镜表面均镀对泵浦光的增透膜，耦合效率高。本实验的压缩和耦合如图 2所示。

氦氖激光器实验论文

共焦球面扫描干涉仪调整及高斯光束变换与测量实验 刘岩1, 贾艳1 （1.东北师范大学，吉林长春 130000） 摘要：本文介绍了氦氖激光器的原理及其相关的基本结构，并系统的做了氦氖激光器系列实验中的共焦球面扫描干涉仪调整实验和高斯光束变换与测量实验。 关键词：氦氖激光器；共焦球面扫描；高斯光束；干涉仪 中图分类号：G3 文献标识码：A 引言 虽然在1917年爱因斯坦就预言了受激辐射的存在，但在一般热平衡情况下，物质的受激辐射总是被收激吸收所掩盖，未能在实验中观察到。直到1960年，第一台红宝石激光器才面世，他标志了激光技术的诞生。激光器由光学谐振腔、工作物质、激励系统构成，相对一般光源，激光有良好的方向性，也就是说，光能量在空间的分布高度集中在光的传播方向上，但它也有一定的发散度。在激光的横截面上，光强是以高斯函数型分布的，故称作高斯光束。同时激光还具有单色性好的特点，也就是说，它可以具有非常窄的谱线宽度。受激辐射后经过谐振腔等多种机制的作用和相互干涉，最后形成一个或者多个离散的、稳定的谱线，这些谱线就是激光的模。在激光生产与应用中，如定向、制导、精密测量、焊接、光通讯等，我们常常需要先知道激光器的构造，同时还要了解激光器的各种参数指标。因此，激光原理与技术综合实验是光电专业学生的必修课程。 1 实验原理 1.1氦氖激光器原理与结构 氦氖激光器（简称He-Ne激光器）由光学谐振腔（输出镜与全反镜）、工作物质（密封在玻璃管里的氦气、氖气）、激励系统（激光电源）构成。对He-Ne 激光器而言增益介质就是在毛细管内按一定的气压充以适当比例的氦氖气体，当氦氖混合气体被电流激励时，与某些谱线对应的上下能级的粒子数发生反转，使介质具有增益。介质增益与毛细管长度、内径粗细、两种气体的比例、总气压以及放电电流等因素有关。对谐振腔而言，腔长要满足频率的驻波条件，谐振腔镜的曲率半径要满足腔的稳定条件。总之腔的损耗必须小于介质的增益，才能建立激光振荡。内腔式He-Ne激光器的腔镜封装在激光管两端，而外腔式He-Ne激光器的激光管、输出镜及全反镜是安装在调节支架上的。调节支架能调节输出镜与全反镜之间平行度，使激光器工作时处于输出镜与全反镜相互平行且与放电管垂直的状态。在激光管的阴极、阳极上串接着镇流电阻,防止激光管在放电时出现闪烁现象。氦氖激光器激励系统采用开关电路的直流电源，体积小，份量轻，可靠性高，可长时间运行。 图1 氦氖激光器原理图 1.2 高斯光束的基本性质 众所周知，电磁场运动的普遍规律可用Maxwell方程组来描述。对于稳态传输光频电磁场可以归结为对光现象起主要作用的电矢量所满足的波动方程。在标量场近似条件下，可以简化为赫姆霍兹方程，高斯光束是赫姆霍兹方程在缓变振幅近似下的一个特解，它可以足够好地描述激光光束的性质。使用高斯光束的复参数表示和ABCD定律能够统一而简洁的处理高斯光束在腔内、外的传输变换问题。在缓变振幅近似下求解赫姆霍兹方程，可以得到高斯光束的一般表达式： () 2 2 2() [] 2() 00 , () r z kr i R z A A r z e e z ω ψ ω ω --- =?（1） 式中，A0为振幅常数；ω(z)定义为场振幅减小到最大值的e-1的r值称为腰斑，它是高斯光束光斑半径的最小值；ω(z)、R(z)、Ψ分别表示了高斯光束的光斑半径、等相面曲率半径、相位因子，是描述高斯光束的三个重要参数，其具体表达式分别为：