激光原理及应用实验讲义 -4个实验

实验一 CO2激光器及激光扫描实验

一、 实验目的

1、 了解CO 2激光器的工作原理及典型结构； 2、 掌握CO 2激光器的输出特性； 3、 掌握CO 2激光器的使用方法；

4、 掌握激光扫描及F-Theta 镜的工作原理。 二、 实验器材

CO 2激光管1支，激光电源1台，功率计1台，水冷系统1套，扫描系统1套，控制器1套，计算机1台 三、 实验原理 1、CO 2激光器工作原理

CO 2激光器的工作气体是CO 2、N 2和He 的混合气体。波长9-11um 间，处于大气传输窗口（吸收小，2-2.5um;3-5um;8-14um ）。利用同一电子态的不同振动态（对称、弯曲和反对称振动）的转动能级间的跃迁。

图1 CO2激光器典型结构

CO 2激光器由工作气体、放电管、谐振腔和电源等组成。放电管大多采用硬质玻璃(如

GG 17) 制成，放电管的内径和长度变化范围很大。为了防止内部气压和气压比的变化而影响

器件寿命，放电管外加有贮气管。为了防止发热而降低输出功率，加有水冷装置。激光器的输出功率随着放电管长度加长而增大。

CO 2激光器中与激光跃迁有关的能级是由CO 2分子和N 2分子的电子基态的低振动能级构成的。CO 2振动模型如图1所示。

激光跃迁主要发生在0001→1000和0001→0200两个过程，分别输出10.6um 和9.6um 。激光低能级100和020都可以首先通过白发辐射到达0l0，再次通过自发辐射到达基态000，但由于自发辐射的几率不大，远不如碰撞驰豫过程快，其主要的驰豫过程如图2。

CO 2分子反对称振动 图1 CO 2分子振动模型

图2 CO2分子能级跃迁过程

其中前两个过程进行得很快，而后两个过程进行得很慢，故分子堆积在010能级上，形成瓶颈效应，而使粒子数反转减小，特别是温度升高时，由热激发而使010能级上分子增加，造成粒子数反转的严重下降，甚至停振，最后一个式子中的M 代表辅助气体。如果选择恰当的气体(常见的如H 2O 和H 2) 作为辅助气体，可促进010能级上分子的弛豫过程。另外由于010能级上的分子扩散到管壁上会引起消激发，这就使器件的管壁不能太粗。另外，为了增加气体的热导率，通过在气体中加入He 气，可实现对放电管的冷却，同样使气体流动，都是降低温的好办法。

气体中一般还需要加入N 2气，利用其v ＝1能级与CO 2分子的001能级相差较小，可以实现共振转移，选择性激励co2分子进入001态，特别由于N 2气的v=1态不能通过自发

辐射跃迁回带到基态，故增大了共振转移的几率。泵浦过程： 1）电子碰撞激发

e *+CO2(0000) →CO 2(0001)+e

受到电子碰撞的CO 2分子被激发到高振动激发态通过振动模间能量交换，被能级0001收集。 2）N 2分子共振能量转移

电子碰撞激发N 2的振动能级的总截面很大。N 2和CO 2的基态分子发生碰撞时，N 2将激发能量转移给CO 2分子，使之激发到0001能级。N2作用类似He-Ne 中的He 。激光下能级衰变慢，不利于抽空，He 与该能级CO 2分子碰撞使其衰变加快，利于下能级抽空，He 热导率高，利于把放电区剩余热量带走，避免热效应造成的下能级粒子数积累。 2、激光扫描工作原理

激光打标是基于f-theta 镜的原理，将扫描振镜的转角信息转换成位移信息。设F-θ透镜焦距为f '，总扫描角度为2θ，扫描场的覆盖长度为L 。

在普通照相物镜中，如果校正了畸变，其像高为：

H=f '.tg θ

将此式两边对时间微分得：

dH d θ2

=f 'sec θ dt dt

可见，对等角速度偏转的入射光束在焦平面上的扫描速度不是一定的。

对F-θ透镜，为得到一定的扫描速度，像高必须为： H=f '. θ 这样：

dH d θ=f '. =f '. ω dt dt

其中，ω是扫描元件恒定的角速度。这样即可实现在L=2H=2f '. θ范围内的等速扫描。这即是要求F-θ透镜故意产生正的畸变，当扫描角度θ增大时实际像高比几何光学确定的理想像高小，是它的θ/tg θ倍，其线畸变为： ∆

H=f '.tg θ-f '. θ=f '(tg θ-θ）

其相对畸变为：

D 'T =

tg θ-θ

⨯100% tg θ

故具有畸变像差量的透镜，对以等角速度偏转的入射光，在焦平面上的扫描速度就

θ，故常简称为F-θ透镜。 是等速的。由于此镜头的像高等于f '·

四、 实验内容与步骤

1、CO 2激光器工作特性

1） 开启水冷系统；

2） 将功率计探测面置于激光器输出光路； 3） 将激光电源的电流旋钮逆时针旋至零位； 4） 开启激光电源；

5） 顺时针微调激光电源电流旋钮； 6） 仔细观察放电管中的现象；

7） 在不同电流状态记录功率计功率显示，并画出P-I 曲线； 8） 测量完毕后，将激光电源旋钮逆时针缓慢旋至零位； 9） 关闭激光电源； 10）

关闭水冷系统。

2、激光扫描实验 1）开启计算机； 2）打开激光打标软件； 3）开启水冷机； 4）在工作台上放置纸板； 5）开启激光电源；

6）在打标软件中输入文字，并点击打标； 7）观测扫描振镜的变化情况及纸板上打出的标记。 五、 思考题

1、 CO2激光器工作物质中N2的作用？

2、f-theta 镜是一个有畸变的光学系统，为什么能利用f-theta 镜在一个平面内打出一个理想的标记？

实验二 半导体激光器实验

一、 实验目的

1. 了解半导体激光器的基本原理、结构、分类和基本特性； 2. 了解半导体激光器P 与I 、V 与I 的关系； 3. 掌握半导体激光器的光场特性； 4. 了解半导体激光器温漂特性； 5. 掌握半导体激光器的使用方法。 二、 实验器材

边发射和面发射半导体激光器各1支，功率计1台，TEC 温控器1台，万用表1台，光谱仪1台，光场分布显示仪1台，连接导线 20根，滑动变阻器1只 三、 实验原理

半导体激光器(激光二极管，Laser Diode)的具有波长可控、体积小、重量轻、结构简单、使用方便、效率高和寿命长等优点。半导体激光器的工作特质主要是III-V 族化合物半导体、IV-VI 族化合物半导体以及II-VI 族化合物半导体。其振荡波长覆盖范围很宽，约从30μm（PbSnTe ）的红外波段到320nm （ZnS ）的紫外波段。目前应用最多的材料是GaAs-AlGaAs （0.8-0.9μm）InP-InGaAsP(1.3-1.35μm)和InP-InGaAs(1.5-1.65μm)材料。半导体激光器的激励方式有：p-n 结注入电流激励、电子束激励、光激励、碰撞电离激励等。

PN 结在外加电压V=Eg /e时，平衡态破坏，多数载流子分别流入对方而变为少数非平衡载流子，（e 从N 区的导带注入到P 区与其中空穴复合，空穴从P 区的价带注入到N 区）非平衡载流子间的复合以光辐射形式放出即自发发射，自发发射光对腔模起到 “种子”的作用，价带电子吸收自发发射光子后跃迁到导带即受激吸收，若导带中电子在自发发射光子作用下与价带空穴复合发射出光子即受激辐射。要使p-n 结产生激光，必须在结构内形成粒子反转分布状态，需使用重掺杂的半导体材料，要求注入p-n 结的电流足够大（如30000A/cm2）。这样在p-n 结的局部区域内，就能形成导带中的电子多于价带中空穴数的反转分布状态，从而产生受激复合辐射而发出激光。

在简化的二能级系统中，高能级的载流子数大于低能级的载流子数就实现了载流子的反转分布，受激辐射将大于受激吸收而产生光学增益。在半导体激光器中受激跃迁发生在被占据的导带电子态和价带空穴态之间，其跃迁发生在能量分布较广的能级之间，这时载流子反转分布的条件有所不同。

在一定温度T 时，电子占据导带和价带中某一能级E 的几率f e (E)和f v (E)满足费米-狄拉克分布，分别为

1⎧⎫

⎪f e (E ) =E -E FC ⎪⎪a +) ⎪⎪⎪κT ⎨⎬

1⎪f (E ) =⎪E -E FV ⎪⎪v

a +) ⎪⎪

κT ⎩ ⎭

式中E FC 、E FV 分别是导带和价带的准费米能级，R 是玻尔兹曼常数。若用能量为hν的光子束照射半导体系统，必然要引起光的受激辐射和吸收。要使受激辐射大于受激吸收，也就是实现载流子反转分布，必须

f C （E ）＞f ν（E-hν） 即E FC -E FV ＞hν＞Eg

获得反转分布的一个简单方法，就是利用重掺杂p 型和n 型半导体构成p —n 结，如图3所示。零偏压时，两区有统一的费米能级，载流子处于热平衡状态，如图1。当加上偏压V 时，p-n 结处于势垒降低，n 区向p 区注入电子，p 区向n 区注入空穴，当hν=EFC -E FV ≥Eg时，在结平面附近形成分布反转区，受激辐射占主导地位，可得到光量子的放大。此分布反转区是激光器的核心部分，称为“激活区”，或“有源区”和其他激光器一样，要使受激辐射达到发射激光的要求，即达到强度更大的单色相干光，还必须依靠光学谐振腔的作用，并使注入电流达到一定的数值——阈值电流，使腔内的单程增益大于损耗，形成激光输出。

(a)零偏压 (b)正偏压

图1结型半导体激光器能带图

图2、图3分别是边发射和面发射半导体激光器的基本结构，边发射半导体激光器是利用垂直于p-n 结的两个相对的自然解理面组成谐振腔，而面发射半导体激光器是指从垂直于衬底面射出激光的半导体激光器，它是利用平行于自然解理面的上下布拉格反射镜（DBR ）构成的谐振腔。

图2 注入型半导体激光器的基本结构 图3面发射半导体激光器基本结构 P-I 特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阈值电流Ith 尽可能小，Ith 对应P 值小，而且没有扭折点的半导体激光器，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，而且不易产生光信号失真。并且要求P-I 曲线的斜率适当。斜率太小，则要求驱动信号太大，

给驱动电路带来麻烦；斜率太大，则会出现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。一般用注入电流值来标定阈值条件，也即阈值电流Ith ，当输入电流小于Ith 时，其输出光为非相干的荧光，当电流大于Ith 时，输出光为激光，且输入电流和输出光功率成线性关系。

半导体激光器由于有源层模截面的不对称和很小的线度，其远场光斑既不对称，又具有很大的光束发散角，这是因其发射区域小，引起了衍射效应所致。图4是一个半导体激光器的典型远场辐射图，两个半功率强度点处的全角宽分别记为θ⊥和θ〃，为光束发散角。

图4 边发射半导体激光束光场特性

四、 实验内容与步骤

1、 半导体激光器P-I 曲线和V-I 曲线测量

半导体激光器驱动电流的确定是通过测量串联在电路中的R 上电压值。电路中的驱动电流在数值上等于R 两端电压与电阻值之比。

步骤：

1） 用万用表测出滑动变阻器R 的精确值；

2） 按如图所示电路联结驱动源、滑动变阻器R 和LD ； 3） 用万用表测量滑动变阻器R 两端电压U R ，；

4） 根据电路中电流I=UR /R计算得出半导体激光器的驱动电流；

5） 然后用光功率计测得在此驱动电流下半导体激光器发出激光的功率P ；

6） 改变滑动变阻器电阻值，重复步骤1）-5）测量不同电流情况下光功率，从而完成

P-I 特性的测试，找出半导体激光器阈值电流Ith 的大小，并可根据P-I 特性得出半导体激光器的斜率效率。

图7 测量电路

2、 半导体激光器光场特性观测 步骤：

1) 开启半导体激光器； 2) 打开光场显示仪；

3) 将半导体激光发射的光束照射到光场显示仪的探测面上； 4) 从显示器上观测半导体激光的光场分布；

5) 改变半导体激光器与光场显示仪间距离，观测光场变化情况。 五、 思考题

1. 试说明半导体激光器发光工作原理。

2. 环境温度的改变对半导体激光器P-I 特性有何影响？

3. 试说明注入半导体激光器电功率对半导体激光光束特性的影响。 4. 简述边发射半导体激光器光束整形的意义。

5. 简述边发射半导体激光器与面发射半导体激光器的区别。

实验三 声光调Q 激光器实验

一、 实验目的

1、掌握声光调Q 的工作原理； 2、掌握声光Q 开关的调整方法； 3、了解声光调Q 激光器的输出特性。 二、 实验器材

声光调Q 激光器1台，功率计1台，脉宽测试仪1台，100MHz 示波器1台 三、 实验原理

调Q 技术：通过某种方法使腔的Q 值随时间按一定程序变化的技术，将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而获得高峰值功率的激光脉冲。

在激光器开始泵浦时，声光Q 开关的射频驱动源产生的高频振荡信号加在电声换能器上，产生超声波场，超生波场作用于声光介质后在其中形成等效相位光栅，光束通过该光栅发生衍射，光波偏离出腔外，谐振腔处于高损耗低Q 值状态, 腔内无法实现激光振荡，即提高振荡阈值使振荡不能形成，上能级的反转粒子数就可以大量积累（可储存时间决定于上能级寿命）。当积累到饱和值时，突然使腔的损耗减小，Q 值突增，激光振荡迅速建立起来，即当高频信号作用停止，声光介质中的光栅消除，腔内激光振荡输出，谐振腔处于低损耗高Q 值状态, 相当于Q 开关打开。高频振荡信号的加载和消除导致Q 值变化一次, 输出一个调Q 激光脉冲。

图1 声光调Q 激光器原理示意图图2 声光调Q 激光脉冲建立过程 四、 实验内容与步骤

声光调Q 激光器输出特性测量

图3 激光声光调Q 实验原理光路图

1、旋转声光驱动源上重复频率按钮，用脉宽测试仪和示波器测量不同重复频率下激光的脉冲宽度，用功率计测出相应的平均功率计算单脉冲能量和峰值功率，分析重复频率对激光输出参数的影响；

2、测量不同重复频率下1064nm 激光输出功率，绘制激光功率/重复频率曲线，分析重复频率对激光功率的影响；

3、在重复频率一定时，测量不同泵浦功率情况下的脉冲宽度，绘制脉冲宽度/泵浦功率曲线，分析泵浦强度对脉冲宽度的影响。

五、 思考题

1、 声光Q 开关的衍射效率对声光调Q 激光器输出特性有怎样的影响？ 2、 布拉格衍射和拉曼纳斯衍射的区别是什么？ 3、 声光Q 开关是行波还是驻波场，为什么？

实验四 半导体端面泵浦固体激光器实验

一、 实验目的

1、了解半导体端面泵浦固体激光器结构；

2、掌握半导体端面泵浦固体激光器的工作原理和调试方法；

3、掌握半导体端面泵浦固体激光器阈值特性和输出特性。

二、 实验器材

808nm LD 1支，氦氖激光器1台，激光晶体1支，输出镜3片，光束整形器1支，功率计1台，感光片1片，调整架5个

三、 实验原理

1. 半导体激光泵浦固体激光器工作原理

与闪光灯泵浦的固体激光器相比，DPL 的效率大大提高，体积大大减小。在使用中，由于泵浦源LD 的光束发散角较大，为使其聚焦在增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换（耦合）。泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种，其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹配好等优点。端面泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两种方式:(如图1)

1) 直接耦合：将半导体激光器的发光面紧贴增益介质，使泵浦光束在尚未发散开之前便被

增益介质吸收，泵浦源和增益介质之间无光学系统，这种耦合方式称为直接

耦合方式。直接耦合方式结构紧凑，但是在实际应用中较难实现，并且容易

对LD 造成损伤。

2）间接耦合：指先将LD 输出的光束进行准直、整形，再进行端面泵浦。常见的方法有：

a) 组合透镜系统聚光：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合。

b) 自聚焦透镜耦合：由自聚焦透镜取代组合透镜进行耦合，优点是结构简

单，准直光斑的大小取决于自聚焦透镜的数值孔径。

c) 光纤耦合：指用带尾纤输出的LD 进行泵浦耦合。优点是结构灵活。

本实验先用柱透镜对半导体激光器进行快轴准直，压缩发散角，然后采用组合透镜对泵浦光束进行整形变换，各透镜表面均镀对泵浦光的增透膜，耦合效率高。

LD 激光晶体 LD 组合透镜 激光晶体

(a)直接耦合 (b)组合透镜耦合

(c) 自聚焦透镜耦合 (d)光纤耦合

图1 LD端面泵浦激光器的常用耦合方式

图2 LD光束快轴压缩耦合泵浦简图

2、激光晶体

Nd:YVO4晶体属于单轴晶体，在1064 nm和1342nm 有大受激发射截面，在1064 nm a切Nd:YVO4晶体受激发射截面是Nd:YAG晶体的约4倍。在 a 轴切割时对σ偏振光（E ⊥c 轴）和π偏振光（E//c 轴）的吸收系数是不同的，最强的吸收系数和最强激射都发生在π偏振取向，因此常采用a 轴切割π偏振光。Nd:YVO4晶体与立方晶系的Nd:YAG 晶体光谱结构非常接近，Nd:YVO4晶体的吸收峰值波长为 808nm ，其发射波长为1064.3nm 。

图3 Nd:YVO4吸收谱线 图4 Nd:YVO4 荧光谱线

3、端面泵浦固体激光器的模式匹配技术

图2是典型的平凹腔型结构图。激光晶体的一面镀泵浦光增透和输出激光全反膜，并作为输入镜，镀输出激光一定透过率的凹面镜作为输出镜。这种平凹腔容易形成稳定的输出模，同时具有高的光光转换效率，但在设计时必须考虑到模式匹配问题。对于平凹腔，根据腔的稳定性条件，易知当L

四、 实验内容与步骤

半导体

激光器 光束整 形系统 激光晶体 输出镜 图5 实验原理光路 功率计

1、固体激光器谐振腔调整实验

图6 谐振腔调整实验光路

1） 开启氦氖激光器；

2） 调整氦氖指示光，使其正入射到激光晶体端面中心处；

3） 安装光束整形器和输出镜，调整使其光轴与指示光同光轴；

4） 安装LD ，使指示光入射到LD 出光口；

5） 接通LD 电源，调整LD ，使其输出激光功率达到最大；

6） 调整输出镜，使输出光模式最好或功率最大；

7） 完毕后关闭LD 电源。

2、固体激光器阈值测量实验

a. 开启激光电源；

b. 测量固体激光器的阈值泵浦功率；

c. 改变激光器腔长，测试激光输出功率，分析腔长对激光器阈值的影响；

d. 改变输出镜透过率，测试激光输出功率，分析输出镜透过率对激光器阈值的影响。

3、固体激光器功率及转换效率测量实验

a. 测量不同输入电功率情况下的输出激光功率，绘制功率曲线，计算固体激光器的电光和光光转换效率；

b. 改变激光器腔长，测试激光输出功率，分析腔长对输出功率及转换效率的影响； c. 改变输出镜透过率，测试激光输出功率，分析输出镜透过率对输出功率及转换效率的影响。

五、 思考题

1、什么是半导体泵浦固体激光器中的光谱匹配和模式匹配？

2、半导体端面泵浦固体激光器与半导体侧面泵浦固体激光器的区别？