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1激光器實(shí)驗設(shè)計

為了使毫無激光調(diào)節(jié)經(jīng)驗的學(xué)生能夠盡快上手，實(shí)驗采用簡單的平凹諧振腔結(jié)構(gòu)，研究激光諧振腔與可飽和吸收體對被動調(diào)Q激光輸出特性的影響．實(shí)驗裝置如圖1所示．泵浦源采用光纖耦合輸出的激光二極管(Co-herent，F(xiàn)APSystem)，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3×3×5mm3，Nd3+的摻雜濃度為0．5at．%．激光晶體兩個3×3mm2的端面均鍍有808nm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20℃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處的小信號透過率T0分別為95．7%，92．6%和93．9%，靠近輸出鏡放置．實(shí)驗激光的輸出特性由功率計和示波器測量，選用帶寬為500MHz的數(shù)字示波器(Tek-tronixInc．，USA)測量和記錄波形情況，用MAX500AD激光功率計測量平均輸出功率(Coherent，USA)．實(shí)驗中先對學(xué)生講解全固態(tài)激光器的優(yōu)點(diǎn)以及具體用途，使學(xué)生充分認(rèn)識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)驗中用到的調(diào)Q脈沖產(chǎn)生的原理．由于學(xué)生對于激光器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺少直觀認(rèn)識，于是講解從激光器的基本結(jié)構(gòu)出發(fā)，介紹實(shí)驗所需要的儀器以及具體的組建調(diào)節(jié)方法，讓學(xué)生掌握探測設(shè)備(數(shù)字示波器和激光功率計)的基本原理和操作方法．

2激光器參數(shù)對輸出特性影響的實(shí)驗設(shè)計

2．1激光諧振腔穩(wěn)定輸出驗證實(shí)驗使用的是平凹腔結(jié)構(gòu)．該腔型容易形成穩(wěn)定的輸出模，同時具有高的光光轉(zhuǎn)換效率，有利于學(xué)生觀察實(shí)驗現(xiàn)象，但是腔型設(shè)計時必須考慮模式匹配和穩(wěn)定輸出問題．如圖1所示，輸入鏡M1的曲率半徑為R，輸出鏡M2的曲率半徑為R'，腔長為L，則平凹腔中的g參數(shù)為。根據(jù)腔的穩(wěn)定性條件，0＜g1g2＜1時，腔為穩(wěn)定腔．所以，當(dāng)L＜R時，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)驗中，會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)驗的完整性和外部條件的一致性，本文將腔長設(shè)定為7．5cm．

2．2激光諧振腔對輸出特性的影響規(guī)律既然常規(guī)的被動調(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)對兩種激光輸出的影響應(yīng)該是類似的．為了簡化實(shí)驗步驟，先讓學(xué)生通過分析諧振腔對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的透過率都會造成腔內(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隨之改變，進(jìn)而導(dǎo)致激光輸出特性的不同．實(shí)驗中分別采用曲率半徑為150mm、200mm、500mm和∞(平鏡)的凹面鏡來研究輸入鏡對連續(xù)激光輸出性能的影響．為了尋找單一因素的影響規(guī)律，選擇透過率為5%的平面鏡作為輸出鏡，圖2展示了相應(yīng)的實(shí)驗結(jié)果．激光脈沖的輸出功率隨泵浦功率提高而單調(diào)增大，泵浦功率增大到340mW左右時，輸入鏡曲率半徑較小(R=150mm，200mm)的兩個激光諧振腔首先實(shí)現(xiàn)連續(xù)激光輸出．R=500mm和R=∞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，獲得最高的功率輸出，其中R=200mm時，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，研究輸出鏡透過率與連續(xù)激光輸出的關(guān)系，相應(yīng)實(shí)驗結(jié)果如圖3所示．從圖中可以看出，輸出鏡的透過率對激光輸出功率的影響明顯．隨著透過率的升高，系統(tǒng)的閾值泵浦功率逐漸增大;透過率不變時，輸出功率隨著泵浦功率的升高而升高;對應(yīng)同一泵浦功率，透過率越高，輸出功率越小．在泵浦功率為9．15W時，各系統(tǒng)均獲得輸出功率極值，其中T=5%時，最大輸出功率為2．57W．

2．3可飽和吸收體對調(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被動調(diào)Q激光輸出特性的影響．實(shí)驗中所使用的GaAs小信號透過率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)驗結(jié)果看，相同泵浦功率下，可飽和吸收體的小信號透過率越大，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、脈沖重復(fù)頻率和脈沖寬度的數(shù)值，可以計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理論分析通過以上兩組實(shí)驗操作，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)生對速率方程理論的知識，實(shí)驗后可以啟發(fā)學(xué)生用速率方程完成對激光器的數(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被動調(diào)Q激光的速率方程可以寫為。

3結(jié)束語

為提高本科高年級學(xué)生的實(shí)驗操作能力，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)計了簡單的固態(tài)激光器實(shí)驗．通過實(shí)驗讓學(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激光輸出特性的影響，并通過速率方程理論完成數(shù)值模擬，將理論和實(shí)驗有機(jī)結(jié)合，加深學(xué)生對激光理論的理解．課程實(shí)施效果表明，該實(shí)驗提高了學(xué)生的積極性，鍛煉了實(shí)際動手能力，引導(dǎo)學(xué)生思考調(diào)節(jié)過程以及模擬過程中的經(jīng)驗和教訓(xùn)，促進(jìn)創(chuàng)新意識的培養(yǎng)．

作者：張剛 焦志勇 單位：中國石油大學(xué)( 華東) 理學(xué)院