板条激光器

板条激光器与光速质量测量试验实验目的1.了解板条固体激光器的结构和工作原理2.学会调整谐振腔3.了解光速质量的定义和多种测量方法1.板条激光器的特点激光工作物质为板条形状的固体激光器。普通固体激光器激光工作物质的几何形状为圆棒状，温度梯度的方向与光传播方向垂直，在热负荷条件下运转时，将产生严重的热透镜效应和热光畸变效应，使得光束质量降低，并限制了激光功率的进一步提高。在板条激光器中，温度梯度发生在板条厚度方向上(板条宽度方向上的两侧面被热绝缘)，而光在厚度方向的两侧面(即泵浦面)上发生内全反射，呈锯齿形光路在两泵浦面之间传播，光传播方向近似与温度梯度方向平行，可基本避免热透镜效应和热光畸变效应，大幅度提高了激光输出功率。热透镜效应是指LD（半导体激光器）工作时产生的温度会使晶体表面发生热形变，造成了晶体各部分密度不同，而光在经过不同密度的分界线时发生不同程度的折射，因此就形成了像是光线通过普通透镜一样的折射效果。2.激光器的组成1)工作物质工作物质——激光器的核心，是由激活粒子（都为金属）和基质两部分组成，激活粒子的能级结构决定了激光的光谱特性和荧光寿命等激光特性，基质主要决定了工作物质的理化性质。根据激活粒子的能级结构形式，可分为三能级系统（例如红宝石激光器）与四能级系统（例如Er：YAG激光器）。工作物质的形状目前常用的主要有四种：圆柱形（目前使用最多）、平板形、圆盘形及管状。2)泵浦系统泵浦源能够提供能量使工作物质中上下能级间的粒子数翻转，目前主要采用光泵浦。泵浦光源需要满足两个基本条件：有很高的发光效率和辐射光的光谱特性应与工作物质的吸收光谱相匹配。3)聚光系统聚光腔的作用有两个：一个是将泵浦源与工作物质有效的耦合；另一个是决定激光物质上泵浦光密度的分布，从而影响到输出光束的均匀性、发散度和光学畸变。工作物质和泵浦源都安装在聚光腔内，因此聚光腔的优劣直接影响泵浦的效率及工作性能。4)光学谐振腔光学谐振腔由全反射镜和部分反射镜组成，是固体激光器的重要组成部分。光学谐振腔除了提供光学正反馈维持激光持续振荡以形成受激发射，还对振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光的高单色性和高定向性。最简单常用的固体激光器的光学谐振腔是由相向放置的两平面镜（或球面镜）构成。5)冷却与滤光系统冷却与滤光系统是激光器必不可少的辅助装置。固体激光器工作时会产生比较严重的热效应，所以通常都要采取冷却措施。主要是对激光工作物质、泵浦系统和聚光腔进行冷却，以保证激光器的正常使用及器材的保护。冷却方法有液体冷却、气体冷却和传导冷却，但目前使用最广泛的是液体冷却方法。要获得高单色性的激光束，滤光系统起了很大的作用。滤光系统能够将大部分的泵浦光和其他一些干扰光过滤，使得输出的激光单色性非常好。3.工程上激光器调试的方法对激光器进行调整，实际就是有针对性地调整其毛细管直度、两个反射镜之间的平行度、毛细管与反射镜的垂直度（以下简称直度、平行度、垂直度），使激光器处于最佳状态，获得满意的性能指标。以下介绍几种方法：（1）十字光靶法（自准直法）（2）扫描法（3）跟踪法4.光速质量测量的方法公式(1)表明,衍射极限倍数β以理想光束作为参照标准,表征被测激光束的光束质量偏离同一条件下理想光束质量的程度,其值不随光束通过理想光学系统的变换而变化,因而可以从本质上反映光束质量。(1)烧蚀法用被测激光在一定时间内辐照已知烧蚀能的材料,测量材料上产生烧蚀分布,结合烧蚀深度、辐照时间、材料密度和烧蚀能便可计算材料上的激光光强分布。由被烧蚀掉的材料质量,通过标定还可以得到激光的输出功率。可见采用这种方法需要一种在辐照条件下已知烧蚀热的材料,而且该材料在烧蚀机理上最好是高度一维的。例如对于CO2激光和氟化氢、氟化氘化学激光器,可采用有机玻璃作为烧蚀材料。(2)CCD测量法在利用红外CCD测量强激光光斑时,通常是把强激光分光取样并进一步衰减后用红外CCD直接接收光束测量,得到低功率光强分布,再由图像处理系统分析处理后得到各种光束特性参数。另外通过标校后还可以得到绝对光强分布。这种方法的缺点在于将强激光大幅度衰减后,光强分布的大量高阶分量被滤掉,从而无法得到完整的光强分布和准确的光斑尺寸,测量误差很大,也可以利用红外CCD相机拍摄强激光照射在漫反射屏上的光斑以得到相对的空间光强分布,如果经过标校还可以得到绝对光强分布。这种测量方法除了存在上述CCD直接接收测量法的缺点外,还存在着因各方向漫反射不均匀带来的测量误差以及标校更困难的问题。(3)在实际测量光束的衍射极限倍数时,通常采用近场方法。即利用一个聚焦光学系统将被测激光束聚焦或用扩束聚焦系统将光束扩束聚焦后,在焦平面上测量光束宽度wf,利用:θ=wf/f求得远场发散角(这里f为聚焦光学系统焦距),再按定义计算得到衍射极限倍数β。然而对于高能激光器,因为直接输出的激光功率过高,设功率为104W,光束直径为Φ为100mm,则相应的平均光强约达120W/cm2,聚焦后约增8个量级。对于这样的光强水平,任何光学元件和探测器件都要被烧坏,所以不能直接聚焦测量,而需要对输出光束分光取样并进一步衰减后再聚焦。根据衰减聚焦后的光强水平不同,可用红外CCD直接接收测量焦平面上的光斑或对焦面处漫反射屏上的光斑成像(为了避免探测器饱和,有时还需要利用衰减片对漫反射光进一步衰减后才能测量),最后通过图像处理系统对低功率光斑图像进行分析处理后得到焦斑半径。