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1激光器實驗設計
為了使毫無激光調節經驗的學生能夠盡快上手，實驗采用簡單的平凹諧振腔結構，研究激光諧振腔與可飽和吸收體對被動調Q激光輸出特性的影響．實驗裝置如圖1所示．泵浦源采用光纖耦合輸出的激光二極管(Co-herent，FAPSystem)，光學系統壓縮比為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，銅塊通過水循環和溫控半導體致冷片進行致冷，晶體溫度控制在20℃左右．激光晶體應盡量靠近輸入鏡M1放置以減小空間燒孔效應．調制元件為直徑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)．實驗中先對學生講解全固態激光器的優點以及具體用途，使學生充分認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，重點介紹實驗中用到的調Q脈沖產生的原理．由于學生對于激光器的內部結構缺少直觀認識，于是講解從激光器的基本結構出發，介紹實驗所需要的儀器以及具體的組建調節方法，讓學生掌握探測設備(數字示波器和激光功率計)的基本原理和操作方法．
2激光器參數對輸出特性影響的實驗設計
2．1激光諧振腔穩定輸出驗證實驗使用的是平凹腔結構．該腔型容易形成穩定的輸出模，同時具有高的光光轉換效率，有利于學生觀察實驗現象，但是腔型設計時必須考慮模式匹配和穩定輸出問題．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參數為。根據腔的穩定性條件，0＜g1g2＜1時，腔為穩定腔．所以，當L＜R時，諧振腔處于穩定狀態．該部分可以讓學生使用不同曲率半徑的輸入鏡來獲得激光輸出，看穩定條件下激光輸出特性與非穩定條件下的激光輸出特性的區別．讓學生理解穩定狀態的重要性．由于實驗中，會使用不同曲率半徑的輸入鏡，所以在穩定輸出的條件下，為了保證下面實驗的完整性和外部條件的一致性，本文將腔長設定為7．5cm．
2．2激光諧振腔對輸出特性的影響規律既然常規的被動調Q激光運轉是在實現連續輸出的激光諧振腔內插入可飽和吸收體完成的，那么諧振腔參數對兩種激光輸出的影響應該是類似的．為了簡化實驗步驟，先讓學生通過分析諧振腔對1064nm連續激光輸出特性的影響尋找部分規律性結論．由于實驗采用平凹腔結構，諧振腔由凹面鏡M1和平面鏡M2組成．由前述諧振腔的穩定性條件可知: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光束強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，進而導致激光輸出特性的不同．實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激光輸出性能的影響．為了尋找單一因素的影響規律，選擇透過率為5%的平面鏡作為輸出鏡，圖2展示了相應的實驗結果．激光脈沖的輸出功率隨泵浦功率提高而單調增大，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現連續激光輸出．R=500mm和R=∞的諧振腔直到1．1W左右才開始起振．當泵浦功率升高到9．15W時，獲得最高的功率輸出，其中R=200mm時，輸出功率達到3．81W，光光轉換效率達到41．6%．可見為了獲得最佳輸出，可以將輸入鏡的曲率半徑設置為200mm．繼續實驗，研究輸出鏡透過率與連續激光輸出的關系，相應實驗結果如圖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Q激光輸出特性的影響．實驗中所使用的GaAs小信號透過率T0可調，分別為95．7%、93．9%和92．6%，獲得調Q激光輸出參數隨泵浦功率的變化如圖4至圖6所示．從實驗結果看，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，脈沖重復頻率越高，脈沖寬度越寬．根據平均輸出功率、脈沖重復頻率和脈沖寬度的數值，可以計算出脈沖峰值功率隨泵浦功率變化的關系，如圖7所示。
2．4理論分析通過以上兩組實驗操作，可以獲得激光諧振腔與飽和可吸收體相關參數對激光輸出特性的影響規律．為了使學生更好的理解這些規律，鞏固學生對速率方程理論的知識，實驗后可以啟發學生用速率方程完成對激光器的數值模擬．激光器速率方程理論的出發點是原子的自發輻射、受激輻射和受激吸收概率的基本關系式，是數值分析全固態調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Q激光的速率方程可以寫為。
3結束語
為提高本科高年級學生的實驗操作能力，鞏固大學物理課程的教學效果，提高學生的學習興趣，設計了簡單的固態激光器實驗．通過實驗讓學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值模擬，將理論和實驗有機結合，加深學生對激光理論的理解．課程實施效果表明，該實驗提高了學生的積極性，鍛煉了實際動手能力，引導學生思考調節過程以及模擬過程中的經驗和教訓，促進創新意識的培養．
作者：張剛 焦志勇 單位：中國石油大學( 華東) 理學院