实验目
1解脉固体激光器基结构基原理练调整激光器谐振腔输出激光
2测定脉激光器输出特性曲线找出光泵量阈值计算出激光器绝效率斜效率
3测定激光器输出光束发散角
实验原理
固体激光器基结构工作原理
激光英文Laser全名Light amplification by stimulated emission of radiation全名译辐射受激发光放概括激光产生机制激光器根激光产生机制设计工作物质泵浦系统光学谐振腔等部分组成实验YAG激光器结构图611示
1工作物质
形成激光首先必须利激励源工作物质激活工作物质部电子某级间实现粒子数反转分布需满足定条件
2泵浦系统
实验中YAG激光器光泵系统聚光腔脉氙灯供电系统触发器组成直流电源储电容充电数百伏加氙灯两极时氙灯发光触发器接通立发出万伏电脉氙灯导通时储电容通氙灯放电氙灯发出强烈闪光光激活工作物质处基态粒子高级跃迁跃迁级级粒子寿命较长称亚稳态光泵系统断泵浦泵浦定程度时激发高级粒子数面级粒子数实现粒子数反转粒子跳回低级时发光
3光学谐振腔
满足产生激光阈值条件光谐振腔中回次激活介质中获增益足补充种素导致光损耗忽略介质部损耗情况阈值条件
(612)
式中:谐振腔两端反射镜反射率(包括反射镜吸收透射衍射损失)
—激活介质长度G—激活介质增益系数定义:
(613)
二.YAG激光器输出特性
1输出特性曲线
输出特性曲线指激光器输出量输入量间关系曲线见图613
改变激光电源中储电容充电电压电容时输入量式计算
(614)
激光器输出量量计读出图613知台激光器存着量值输入激光器量等时激光器停止振荡做激光器光泵量阈值指已调激光器够正常输出激光需输入量值
输出特性曲线点应输出量输入量值表示做激光器绝效率具体表示
(615)
点值
输出特性曲线直线区间表示激光器区间工作时输出量输入量变化成例通常引斜效率描写特性
(616)
AB直线部分意两点
曲线输出特性曲线应关系图614示
2发散角
光学原理严格行光束消差透镜L面形成穷点然具发散角光束透镜面形成圆形光斑图616示相应光斑直径D式确定:
(617)
式中透镜焦距显然相机物镜先调焦穷远欲测定发散角激光束拍摄片测出底片摄激光圆斑直径(617)式计算发散角
实验仪器
YAG固体激光器量计HeNe激光器读数显微镜直流电源等
实验容
1.测量输入输出量
激光器处工作状态量计测量输出激光量充电电压900V950V开始逐次降隔50V测点分计算输入量输出量横坐标坐标画出曲线计算出绝效率斜效率画出曲线
2测量发散角
输出激光透镜聚焦透镜焦面放置屏面固定张黑色相纸调节位置出三聚焦烧蚀斑点读数显微镜测出斑点直径D公式算出发散角
实验数记录
1测量输入输出量数记录表:
表611 输入输出量测量
工作物质 YAG:Nd3+
储电容
200
充电电压
925
900
850
825
800
750
700
650
600
550
500
450
剩余电压
75
75
75
75
75
75
75
75
75
75
75
6
输出量
1309
1250
1046
1052
980
888
775
592
440
335
236
135
充电电压
400
375
350
325
300
剩余电压
5
5
5
5
5
输出量
546
194
200
0
0
2测量发散角
表612 发散角测量(输入电压925V)
透镜焦距fmm
156mm
光斑直径Dmm
横
横
横
均值
25
40
25
45
30
40
发散角
实验处理
1. 输入输出量应效率
根表611求出已定充电电压剩余电压输出量剩余电压输出量根公式:计算放表中:
工作物质 YAG:Nd3+
储电容
200
充电电压
925
900
850
825
800
750
700
650
600
550
500
450
剩余电压
75
75
75
75
75
75
75
75
75
75
75
6
输出量
1309
1250
1046
1052
980
888
775
592
440
335
236
135
输入量
855
809
722
680
640
562
490
422
360
302
250
202
绝效率
153
154
145
144
143
142
141
140
122
111
094
067
充电电压
400
375
350
325
300
剩余电压
5
5
5
5
5
输出量
546
200
190
0
0
输入量
160
144
122
106
90
绝效率
034
016
014
00
00
斜效率
204
根表格输入输出量曲线:
图:关系曲线
根数
根面公式:
根公式带入 :[(9803350)(64325)]10204
曲线示:
图二:曲线
数讨分析:
分析图知输出特性曲线存段阶线性曲线区间输出量输入量变化成例应激光器工作区间通改变输入量控调节输出量实现输出量稳定图出激光器光泵量阈值概10~11J间求输入量阈值否便激光
分析图二知图1中AB区间输出特性曲线斜率观察ηE入应AB区间变化趋势知AB区间果输入量取值范围足够η终会限趋AB区间直线特征决定实际线性区间限效率会等斜效率
图二η(绝效率)曲线反映输入量输出量应关系图形出转化效率先增加逐渐减输入量增定程度输出量转化效率开始逐渐减产生结果原输出量存限输入量增加输出量会增加
2测量发散角
根表格数:
表612 发散角测量(输入电压925V)
透镜焦距fmm
156mm
光斑直径Dmm
横
横
横
均值
25
40
25
41
24
40
30
发散角
带入数
D(25+40+25+45+30+40)634
30(2*156)00096rad
结果出激光器输出激光方性发散立体角毫弧度数量级通透镜输出量集中范围产生局部高温然真正实验程中输入量够直接会导致光斑明显种现象说明发散角着输入量变化变化处发散角略显输入量关系
思考讨
1 样调整YAG激光器谐振腔?
答:分成三部分第步:全反镜连框架起卸掉明显偏离标准位置纸挡住半反镜调节基座棒两端面反射回光斑恰进入白色孔屏孔时棒端面已激光垂直(棒两端面行通常反射斑第二步:取掉挡住半反镜纸片调节半反镜框架螺丝反射回光斑进入孔第三步:轻轻装全反镜纸片挡住工作物质调节全反镜框架螺丝反射回光进入孔
2.讨激光器斜效率
答:斜效率衡量激光器坏重标准实验斜频率2左右目前国先进激光器斜频率已达42采掺Yb氧化镧钇透明陶瓷作激光产生物质时采掺Yb氧化镧钇透明陶瓷国际首次实现连续调谐激光输出锁模(200ps)激光输出实验样透明陶瓷材料效率差甚说明提高效率简单材料样材料工艺输出调节程会影响效率高低
误差分析:
次实验误差源:
1 充电电压刻度十分准确精度高导致充电程数值较确定性
2 计数输出量时候容忽视放电数值锐减thus I can not give a promise that those statistics are maximum
实验思考总结
1 关实验值仔细考虑尤操作程中激光器部结构利实验原理理解果中光路图留学生手动完成会花时间样学生处
2 结:
实验操作程中调整激光器谐振腔较难程需长时间够调实验中省程激光器实验前已调直接进入输入输出量测量
剩余电压进行读数时定迅速触发器接通瞬间真正剩余电压安全问题激光具高量眼睛直接着输出镜免烧伤眼睛外实验时确保输出激光方没员
固体激光器输出功率高激光脉越越广泛应工业钟表钻石喷丝头微孔切割焊接难熔金属医疗常固体激光消肿瘤作手术激光刀等量激光器引发核聚变探索受控热核反应等外固体激光器高等院校科研机构着非常重作
3 实验中发散角测量时候测量直径强度激光发觉斑点具体直径说明发散角强度关强度太弱会影响具体灼斑
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