yag激光實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)講義

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1、實(shí)驗(yàn)一Nd3＋:YAG激光器的閾值與斜效率測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解并掌握激光形成機(jī)理2.了解激光閾值的概念，學(xué)會(huì)測(cè)量閾值3.測(cè)量輸入輸出曲線及其斜效率的計(jì)算二、實(shí)驗(yàn)原理1.普通光源的發(fā)光—受激吸收和自發(fā)輻射普通常見光源的發(fā)光（如電燈、火焰、太陽(yáng)等地發(fā)光）是由于物質(zhì)在受到外來(lái)能量（如光能、電能、熱能等）作用時(shí)，原子中的電子就會(huì)吸收外來(lái)能量而從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，即原子被激發(fā)。激發(fā)的過程是一個(gè)“受激吸收”過程。處在高能級(jí)（E2）的電子壽命很短（一般為10－8～10－9秒），在沒有外界作用下會(huì)自發(fā)地向低能級(jí)（E1）躍遷，躍遷時(shí)將產(chǎn)生光（電磁波）輻射。輻射光子

2、能量為這種輻射稱為自發(fā)輻射。原子的自發(fā)輻射過程完全是一種隨機(jī)過程，各發(fā)光原子的發(fā)光過程各自獨(dú)立，互不關(guān)聯(lián)，即所輻射的光在發(fā)射方向上是無(wú)規(guī)則的射向四面八方，另外末位相、偏振狀態(tài)也各不相同。由于激發(fā)能級(jí)有一個(gè)寬度，所以發(fā)射光的頻率也不是單一的，而有一個(gè)范圍。在通常熱平衡條件下，處于高能級(jí)E2上的原子數(shù)密度N2，遠(yuǎn)比處于低能級(jí)的原子數(shù)密度低，這是因?yàn)樘幱谀芗?jí)E的原子數(shù)密度N的大小時(shí)隨能級(jí)E的增加而指數(shù)減小，即N∝exp(-E/kT)，這是著名的波耳茲曼分布規(guī)律。于是在上、下兩個(gè)能級(jí)上的原子數(shù)密度比為式中k為波耳茲曼常量，T為絕對(duì)溫度。因?yàn)镋2>E1，所以N2

3、

4、子化的，由相應(yīng)的量子數(shù)來(lái)描述。對(duì)軌道角動(dòng)量，波爾曾給出了量子化公式Ln＝nh，但這不嚴(yán)格，因這個(gè)式子還是在把電子運(yùn)動(dòng)看作軌道運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上得到的。嚴(yán)格的能量量子化以及角動(dòng)量量子化都應(yīng)該有量子力學(xué)理論來(lái)推導(dǎo)。量子理論告訴我們，電子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)只能發(fā)生在l（角動(dòng)量量子數(shù)）量子數(shù)相差±1的兩個(gè)狀態(tài)之間，這就是一種選擇規(guī)則。如果選擇規(guī)則不滿足，則躍遷的幾率很小，甚至接近零。在原子中可能存在這樣一些能級(jí)，一旦電子被激發(fā)到這種能級(jí)上時(shí)，由于不滿足躍遷的選擇規(guī)則，可使它在這種能級(jí)上的壽命很長(zhǎng)，不易發(fā)生自發(fā)躍遷到低能級(jí)上。這種能級(jí)稱為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。但是，在外加光的

5、誘發(fā)和刺激下可以使其迅速躍遷到低能級(jí)，并放出光子。這種過程是被“激”出來(lái)的，故稱受激輻射。受激輻射的概念是愛因斯坦于1917年在推導(dǎo)普朗克的黑體輻射公式時(shí)，第一個(gè)提出來(lái)的。他從理論上預(yù)言了原子發(fā)生受激輻射的可能性，這是激光的基礎(chǔ)。受激輻射的過程大致如下：原子開始處于高能級(jí)E2，當(dāng)一個(gè)外來(lái)光子所帶的能量hυ正好為某一對(duì)能級(jí)之差E2-E1,則這原子可以在此外來(lái)光子的誘發(fā)下從高能級(jí)E2向低能級(jí)E1躍遷。這種受激輻射的光子有顯著的特點(diǎn)，就是原子可發(fā)出與誘發(fā)光子全同的光子，不僅頻率（能量）相同，而且發(fā)射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一樣。于是，入射一個(gè)光子，

6、就會(huì)出射兩個(gè)完全相同的光子。這意味著原來(lái)光信號(hào)被放大，這種在受激過程中產(chǎn)生并被放大的光，就是激光。11E2E2E1(b)受激吸收E2E2E1(a)自發(fā)輻射E2E2E1(c)受激發(fā)射高能態(tài)原子低能態(tài)原子圖1－1雙能級(jí)原子中的三種躍遷1.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)一個(gè)誘發(fā)光子不僅能引起受激輻射，而且它也能引起受激吸收，所以只有當(dāng)處在高能級(jí)地原子數(shù)目比處在低能級(jí)的還多時(shí)，受激輻射躍遷才能超過受激吸收，而占優(yōu)勢(shì)。由此可見，為使光源發(fā)射激光，而不是發(fā)出普通光的關(guān)鍵是發(fā)光原子處在高能級(jí)的數(shù)目比低能級(jí)上的多，這種情況，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。但在熱平衡條件下，原子幾乎都處于最低能級(jí)（基態(tài)）

7、。因此，如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)則是產(chǎn)生激光的必要條件。2.激光產(chǎn)生的條件11激光器由泵浦源、激光增益介質(zhì)、腔鏡組成。泵浦源提供能量給增益介質(zhì)，介質(zhì)中的激活離子吸收能量后躍遷到高能級(jí)，進(jìn)而在激光上能級(jí)和下能級(jí)之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生受激發(fā)射。但是由于激光諧振腔存在著各種各樣的損耗，比如諧振腔鏡的不平行導(dǎo)致光逸出，散射，及透射（這對(duì)于輸出鏡來(lái)說是尤其明顯的），還有由于腔鏡的有限尺寸導(dǎo)致的衍損耗，激光晶體的吸收損耗等，產(chǎn)生受激發(fā)射需要一個(gè)門檻，用g表示激光的增益系數(shù)，d表示激光諧振腔的損耗系數(shù)，只有當(dāng)激光諧振腔產(chǎn)生的增益大于損耗時(shí)，即：g>d時(shí)，才能形

8、成激光。這個(gè)門檻所對(duì)應(yīng)的泵浦能量值或功率值叫做激光的閾值。當(dāng)形成激光后，在一定范圍內(nèi)，輸出激光