全固態(tài)調(diào)Q激光器的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1、全固態(tài)調(diào)Q激光器的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)1激光器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為了使毫無(wú)激光調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生能夠盡快上手，實(shí)驗(yàn)采用簡(jiǎn)單的平凹 諧振腔結(jié)構(gòu)，研究激光諧振腔與可飽和吸收體對(duì)被動(dòng)調(diào)Q激光輸出特 性的影響.實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.泵浦源采用光纖耦合輸出的激光二 極管(Co-herent, FAPSystem)，光學(xué)系統(tǒng)壓縮比為1.8：1.輸入鏡 M1是有一定曲率半徑的凹面鏡，一面鍍有808nm的增透膜，另一面鍍 808nm的增透膜和1064nm的高反膜;輸出鏡M2是平面反射鏡.激光工 作物質(zhì)為Nd： LuVO4晶體，尺寸為3X3X5mm3, Nd3+的摻雜濃度為 0. 5at. %.激光晶體兩個(gè)3X3mm2的端面均鍍有808n

2、m和1064nm增 透膜用以減少諧振腔的損耗.裝置中，晶體用銦箔包裹并置于銅塊中， 銅塊通過(guò)水循環(huán)和溫控半導(dǎo)體致冷片進(jìn)行致冷，晶體溫度控制在20C 左右.激光晶體應(yīng)盡量靠近輸入鏡M1放置以減小空間燒孔效應(yīng).調(diào)制 元件為直徑2cm左右的GaAs薄片，在1064nm處的小信號(hào)透過(guò)率T0分 別為95. 7%，92. 6%和93. 9%，靠近輸出鏡放置.實(shí)驗(yàn)激光的輸出特 性由功率計(jì)和示波器測(cè)量，選用帶寬為500MHz的數(shù)字示波器(Tek- tronixInc.，USA)測(cè)量和記錄波形情況，用MAX500AD激光功率計(jì)測(cè) 量平均輸出功率(Coherent，USA) .實(shí)驗(yàn)中先對(duì)學(xué)生講解全固態(tài)激光器 的優(yōu)

3、點(diǎn)以及具體用途，使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到研究固體激光器的重要意 義.然后講解脈沖激光器的原理與分類，重點(diǎn)介紹實(shí)驗(yàn)中用到的調(diào)Q 脈沖產(chǎn)生的原理.由于學(xué)生對(duì)于激光器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺少直觀認(rèn)識(shí)，于 是講解從激光器的基本結(jié)構(gòu)出發(fā)，介紹實(shí)驗(yàn)所需要的儀器以及具體的 組建調(diào)節(jié)方法，讓學(xué)生掌握探測(cè)設(shè)備(數(shù)字示波器和激光功率計(jì))的基 本原理和操作方法.2激光器參數(shù)對(duì)輸出特性影響的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)2. 1激光諧振腔穩(wěn)定輸出驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)使用的是平凹腔結(jié)構(gòu).該腔型容易 形成穩(wěn)定的輸出模，同時(shí)具有高的光光轉(zhuǎn)換效率，有利于學(xué)生觀察實(shí) 驗(yàn)現(xiàn)象，但是腔型設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮模式匹配和穩(wěn)定輸出問(wèn)題.如圖1 所示，輸入鏡M1的曲率半徑為R,輸出鏡M2的曲率半

4、徑為R,腔長(zhǎng) 為L(zhǎng)，則平凹腔中的g參數(shù)為。根據(jù)腔的穩(wěn)定性條件，0Vg1g2V 1時(shí)， 腔為穩(wěn)定腔.所以，當(dāng)LVR時(shí)，諧振腔處于穩(wěn)定狀態(tài).該部分可以讓 學(xué)生使用不同曲率半徑的輸入鏡來(lái)獲得激光輸出，看穩(wěn)定條件下激光 輸出特性與非穩(wěn)定條件下的激光輸出特性的區(qū)別.讓學(xué)生理解穩(wěn)定狀 態(tài)的重要性.由于實(shí)驗(yàn)中，會(huì)使用不同曲率半徑的輸入鏡，所以在穩(wěn) 定輸出的條件下，為了保證下面實(shí)驗(yàn)的完整性和外部條件的一致性， 本文將腔長(zhǎng)設(shè)定為7. 5cm.2. 2激光諧振腔對(duì)輸出特性的影響規(guī)律既然常規(guī)的被動(dòng)調(diào)Q激光運(yùn)轉(zhuǎn) 是在實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸出的激光諧振腔內(nèi)插入可飽和吸收體完成的，那么諧 振腔參數(shù)對(duì)兩種激光輸出的影響應(yīng)該是類似的.為

5、了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)步驟， 先讓學(xué)生通過(guò)分析諧振腔對(duì)1064nm連續(xù)激光輸出特性的影響尋找部分 規(guī)律性結(jié)論.由于實(shí)驗(yàn)采用平凹腔結(jié)構(gòu)，諧振腔由凹面鏡M1和平面鏡 M2組成.由前述諧振腔的穩(wěn)定性條件可知：不論改變輸入鏡M1的曲率 半徑還是輸出鏡M2的透過(guò)率都會(huì)造成腔內(nèi)光束強(qiáng)度以及光斑半徑的變 化，其激光輸出的閾值功率也會(huì)隨之改變，進(jìn)而導(dǎo)致激光輸出特性的 不同.實(shí)驗(yàn)中分別采用曲率半徑為150mm、200mm、500mm和8（平鏡） 的凹面鏡來(lái)研究輸入鏡對(duì)連續(xù)激光輸出性能的影響.為了尋找單一因 素的影響規(guī)律，選擇透過(guò)率為5%的平面鏡作為輸出鏡，圖2展示了相 應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.激光脈沖的輸出功率隨泵浦功率提高而單調(diào)增

6、大，泵 浦功率增大到340mW左右時(shí)，輸入鏡曲率半徑較小（R=150mm，200mm） 的兩個(gè)激光諧振腔首先實(shí)現(xiàn)連續(xù)激光輸出.R=500mm和R=8的諧振腔 直到1. 1W左右才開始起振.當(dāng)泵浦功率升高到9. 15W時(shí)，獲得最高 的功率輸出，其中R=200mm時(shí)，輸出功率達(dá)到3. 81W，光光轉(zhuǎn)換效率 達(dá)到41. 6%.可見為了獲得最佳輸出，可以將輸入鏡的曲率半徑設(shè)置 為200mm.繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，研究輸出鏡透過(guò)率與連續(xù)激光輸出的關(guān)系，相應(yīng) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.從圖中可以看出，輸出鏡的透過(guò)率對(duì)激光輸出 功率的影響明顯.隨著透過(guò)率的升高，系統(tǒng)的閾值泵浦功率逐漸增大； 透過(guò)率不變時(shí)，輸出功率隨著泵浦功率

7、的升高而升高;對(duì)應(yīng)同一泵浦功率，透過(guò)率越高，輸出功率越小.在泵浦功率為9. 15W時(shí)，各系統(tǒng)均 獲得輸出功率極值，其中T=5%時(shí)，最大輸出功率為2. 57W.2. 3可飽和吸收體對(duì)調(diào)Q激光輸出特性的影響確定激光諧振腔的最佳 搭配之后，就可以插入可飽和吸收體，探究可飽和吸收體對(duì)被動(dòng)調(diào)Q 激光輸出特性的影響.實(shí)驗(yàn)中所使用的GaAs小信號(hào)透過(guò)率T0可調(diào)， 分別為95. 7%、93. 9%和92. 6%，獲得調(diào)Q激光輸出參數(shù)隨泵浦功率 的變化如圖4至圖6所示.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，相同泵浦功率下，可飽和 吸收體的小信號(hào)透過(guò)率越大，其輸出脈沖平均功率越大，脈沖重復(fù)頻 率越高，脈沖寬度越寬.根據(jù)平均輸出功率、脈沖

8、重復(fù)頻率和脈沖寬 度的數(shù)值，可以計(jì)算出脈沖峰值功率隨泵浦功率變化的關(guān)系，如圖7 所示。2. 4理論分析通過(guò)以上兩組實(shí)驗(yàn)操作，可以獲得激光諧振腔與飽和可 吸收體相關(guān)參數(shù)對(duì)激光輸出特性的影響規(guī)律.為了使學(xué)生更好的理解 這些規(guī)律，鞏固學(xué)生對(duì)速率方程理論的知識(shí)，實(shí)驗(yàn)后可以啟發(fā)學(xué)生用 速率方程完成對(duì)激光器的數(shù)值模擬.激光器速率方程理論的出發(fā)點(diǎn)是 原子的自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收概率的基本關(guān)系式，是數(shù)值分 析全固態(tài)調(diào)Q激光輸出特性的有效工具.在考慮GaAs飽和吸收體的單 光子、雙光子和自由載流子吸收的情況下，Nd： LuVO4晶體GaAs被動(dòng) 調(diào)Q激光的速率方程可以寫為。3結(jié)束語(yǔ)為提高本科高年級(jí)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力，鞏固大學(xué)物理課程的教學(xué)效 果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的固態(tài)激光器實(shí)驗(yàn).通過(guò)實(shí)驗(yàn) 讓學(xué)生更加直觀的理解激光諧振腔、飽和吸收體等組成部分對(duì)激光輸