Nd3+YAG激光器的阈值与斜效率测量

1. 了解并掌握激光形成机理

2. 了解激光阈值的概念，学会测量阈值 3. 测量输入输出曲线及其斜效率的计算

二、实验原理

1. 普通光源的发光—受激吸收和自发辐射

普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级（E2）的电子寿命很短（一般为10－8～10－9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量为

hE2E1

这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外末位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。在通常热平衡条件下，处于高能级E2上的原子数密度N2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E的原子数密度N的大小时随能级E的增加而指数减小，即N∝exp(-E/kT)，这是著名的波耳兹曼分布规律。于是在上、下两个能级上的原子数密度比为

N2/N1exp[(E2E1)/kT]

式中k为波耳兹曼常量，T为绝对温度。因为E2>E1，所以N2N2/N1exp(400)0

可见，在20℃时，全部氢原子几乎都处于基态，要使原子发光，必须外界提供能量使原子到达激发态，所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。一般说来，这种光源所辐射光的能量是不强的，加上向四面八方发射，更使能量分散了。

2. 受激辐射和光的放大

由量子理论知识知道，一个能级对应电子的一个能量状态。电子能量由主量子数n(n=1,2,…)决定。但是实际描写原子中电子运动状态，除能量外，还有轨道角动量L和自旋角动量s，它们都是量子化的，由相应的量子数来描述。对轨道角动量，波尔曾给出了量子化公式Ln＝nh，但这不严格，因这个式子还是在把电子运动看作轨道运动基础上得到的。严格的能量量子化以及角动量量子化都应该有量子力学理论来推导。

量子理论告诉我们，电子从高能态向低能态跃迁时只能发生在l（角动量量子数）量子数相差±1的两个状态之间，这就是一种选择规则。如果选择规则不满足，则跃迁的几率很小，甚至接近零。在原子中可能存在这样一些能级，一旦电子被激发到这种能级上时，由于不满足跃迁的选择规则，可使它在这种能级上的寿命很长，不易发生自发跃迁到低能级上。这种能级称为亚稳态能级。但是，在外加光的诱发和刺激下可以使其迅速跃迁到低能级，并放出光子。这种过程是被“激”出来的，故称受激辐射。受激辐射的概念是爱因斯坦于1917年在推导普朗克的黑体辐射公式时，第一个提出来的。他从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性，这是激光的基础。

受激辐射的过程大致如下：原子开始处于高能级E2，当一个外来光子所带的能量hυ正好为某一对能级之差E2-E1,则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1跃迁。这种受激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子，就会出射两个完全相同的光子。这意味着原来光信号被放大，这种在受激过程中产生并被放大的光，就是激光。

E2 E2 h E2 E1 h E2 E1

h h h(c) 受激发射 高能态原子 低能态原子 E2 h hE2 E1 图1－1双能级原子中的三种跃迁 3. 粒子数反转

一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级地原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。由此可见，为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。

4. 激光产生的条件

激光器由泵浦源、激光增益介质、腔镜组成。泵浦源提供能量给增益介质，介质中的激活离子吸收能量后跃迁到高能级，进而在激光上能级和下能级之间形成粒子数反转，并产生受激发射。但是由于激光谐振腔存在着各种各样的损耗，比如谐振腔镜的不平行导致光逸出，散射，及透射（这对于输出镜来说是尤其明显的），还有由于腔镜的有限尺寸导致的衍损耗，激光晶体的吸收损耗等，产生受激发射需要一个门槛，用g表示激光的增益系数，表示激光谐振腔的损耗系数，只有当激光谐振腔产生的增益大于损耗时，即：g>时，才能形成激光。这

个门槛所对应的泵浦能量值或功率值叫做激光的阈值。当形成激光后，在一定范围内，输出激光能量正比于注入能量（可以用激光电源的能量、工作电压、闪光等的功率等来表示）。通过测量不同注入能量下的激光输出能量，可以得到一条能量输入-输出曲线。该曲线的斜率称为激光的斜效率。

三、实验装置

我们的实验装置是闪光灯泵浦的Nd3+:YAG激光器，图1-2为典型的Nd3+:YAG激光器结构示意图。

图1-2 Nd:YAG激光器结构示意图

3+

通常Nd3+：YAG晶体被加工成直径为Ф4-8mm、长60-100mm的棒状(根据实际需要而定)，两端磨成光学平面，平面的法线与棒轴有一个小夹角，光学表面镀有增透膜，棒的侧面加工为毛面，以防止寄生振荡。激发(泵浦)用的氙灯（连续激光常用氪灯）做成和YAG棒长度相近的直管形状，以便与YAG棒达到最佳的配合。为了有效地利用灯的光能，把棒和灯放在一个内壁镀金或其它高反膜的空心椭圆柱面反光镜中，它们各占据椭圆的一根焦线。附图1-3表示了这一结构的横截面。不难想象，闪光灯发出的光通过椭圆柱面镜的反射，原则上百分之百地到达YAG棒上。其它仪器：能量计。

图1.3 聚光腔横截面示意图

四、实验内容与步骤

1、打开激光器，此时保证激光电源的工作电压为0V附近，并将能量计的探

头置于激光的输出位置，打开能量计。 2、慢慢增大电压，同时密切检测能量计的读数。

3、当能量计的读数大于0时（注意排除噪声的影响），表明有激光输出，此

时对应的电压即为阈值电压，可以计算出相应的阈值能量（充电电容，本激光器为100uF。V为工作电压 4、继续提高电压，每隔50V测量一个能量值。 5、画出输入-输出曲线，计算斜效率。

6、做拟合直线的反向延长线，与X轴的交点的横坐标即位阈值电压。

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CV），C为2五、实验报告要求

列出每项实验测量到的原始数据，并做图。