YAG激光实验装置实验讲义

实验一Nd3+:YAG激光器地阈值与斜效率测量

一、实验目地

1.了解并掌握激光形成机理

2.了解激光阈值地概念，学会测量阈值

3.测量输入输出曲线及其斜效率地计算

二、实验原理

1.普通光源地发光一受激吸收和自发辐射

普通常见光源地发光＜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，原子中地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?激发地过程是一个“受激吸收”过程?处在高能级＜E2）地电子寿命很短＜一般为10「8?10「9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级＜E）跃迁，跃迁时将产生光＜电磁波）辐射?辐射光子能量为

b5E2RGbCAP

这种辐射称为自发辐射.原子地自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子地发光过程各自独立，互不关联，即所辐射地光在发射方向上是无规则地射向四面八方，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，所以发射光地频率也不是单一地，而有一个范围.在通常热平衡条件下，处于高能级E2 上地原子数密度N2,远比处于低能级地原子数密度低，这是因为处于能级 E地原子数密度N地大小时随能级E地增加而指数减小，即N*exp（-E/kT＞,这是著名地波耳兹曼分布规律.于是在上、下两个能级上地原子数密度比为p1EanqFDPw

式中k为波耳兹曼常量,T为绝对温度.因为E2＞E,所以N2＜N.例如,已知氢

原子基态能量为E1 = — 13.6eV,第一激发态能量为巳=-3.4eV,在20 C

时,kT~ 0.025eV,则DXDiTa9E3d

可见,在20 C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，所以普通广义地发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程.一般说来，这种光源所辐射光地能量是不强地，加上向四面八方发射，更使能量分散了 .RTCrpUDGiT

2.受激辐射和光地放大

由量子理论知识知道，一个能级对应电子地一个能量状态.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,它们都是量子化地，由相应地量子数来描述.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地.严格地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.5PC Z VD7H X A

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地两个状态之间，这就是一种选择规则.如果选择规则不满

足,则跃迁地几率很小，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，由于不满足跃迁地选择规则，可使它在这种能级上地寿命很长，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,在外加光地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”出来地，故称受激辐射.受激辐射地概念是爱因斯坦于1917年在推导普朗克地黑体辐射公式时，第一个提出来地.他从理论上预言了原子发生受激辐射地可能性，这是激光地基础.jLBHrnAILg

受激辐射地过程大致如下：原子开始处于高能级巳,当一个外来光子所带地能量h u正好为某一对能级之差 E2-E1,则这原子可以在此外来光子地诱发下从高能级吕向低能级E1跃迁.这种受激辐射地光子有显著地特点，就是原子可发出与诱发光子全同地光子，不仅频率＜能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波地相位都完全一样.于是,入射一个光子，就会出射两个完全相同地光子.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地光，就是激光.XHAQX74J0X

图1-1双能级原子中地三种跃迁

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地还多时，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，而不是发出普通光地关键是发光原子处在高能级地数目比低能级上地多，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地必要条件.LDAYtRyKfE

4. 激光产生地条件

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，介质中地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地损耗，比如谐振腔镜地不平行导致光逸出，散射,及透射＜这对于输出镜来说是尤其明显地），还有由于腔镜地有限尺寸导致地衍损耗，激光晶体地吸收损耗等，产生受激

发射需要一个E 12

幅能态原子

低能态原子

门槛，用g表示激光地增益系数，表示激光谐振腔地损耗系数，只有当激光谐振腔产生地增益大于损耗时，即：g>.时,才能形成激光?这个门槛所对应地泵浦能量值或功率值叫做激光地阈值?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 <可以用激光电源地能量、工作电压、闪光等地功率等来表示）?通过测量不同注入能量下地激光输出能量，可以得到一条能量输入-输出曲线.该曲线地斜率称为激光地斜效率.Zzz6ZB2Ltk

三、实验装置

我们地实验装置是闪光灯泵浦地NcbYAG激光器,图1-2为典型地NcbYAG

激光器结构示意图.dvzfvkwMI1

图1-2 Nd +

:YAG激光器结构示意图

通常Nch YAG晶体被加工成直径为①4-8mm长60-100mm地棒状（根据实际需要而定 >,两端磨成光学平面，平面地法线与棒轴有一个小夹角，光学表面镀有增透膜,棒地侧面加工为毛面,以防止寄生振荡?激发（泵浦〉用地氙灯<连续激光常用氪灯）做成和YAG棒长度相近地直管形状,以便与YAG棒达到最佳地配合为了有效地利用灯地光能，把棒和灯放在一个内壁镀金或其它高反膜地空心椭圆柱面反光镜中，它们各占据椭圆地一根焦线?附图1-3表示了这一结构地横截面?

不难想象，闪光灯发出地光通过椭圆柱面镜地反射，原则上百分之百地到达YAG 棒上.其它仪器：能量计.rqyn14ZNXI

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，此时保证激光电源地工作电压为0V附近，并将能量计地探头

置于激光地输出位置，打开能量计.

2、慢慢增大电压，同时密切检测能量计地读数.

3、当能量计地读数大于0时＜注意排除噪声地影响)，表明有激光输出，此时

对应地电压即为阈值电压,可以计算出相应地阈值能量＜』CV) ,C为充电电容,本激光器为100UF.V为工作电压EmxvxOtOco

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、做拟合直线地反向延长线，与X轴地交点地横坐标即位阈值电压.

五、实验报告要求

列出每项实验测量到地原始数据，并做图.

专业实验实验四氦氖多谱线激光器实验讲义

在增益管长为1m的外腔式He-Ne激光器中，用腔内插入色散棱镜选择谱线的方法，在可见光区分别使氖原子的九条谱线产生激光振荡。实验要求掌握He-Ne多谱线激光线器的工作原理及腔型结构的特点；学习外腔式激光器及腔内带棱镜激光器的调节方法；测量各条激光谱线的波长；找出各条谱线的最佳放电电流及测量最大输出功率。一、实验原理一台激光器除激励电流外主要由两部分组成，一是增益介质；二是谐振腔。对He-Ne激光器而言增益介质就是在两端封有布儒斯特窗的毛细管内按一定的气压充以适当比例的氦氖气体，当氦氖混合气体被电流激励时，与某些谱线对应的上下能级的粒子数发生反转，使介质具有增益。介质增益与毛细管长度、内径粗细、两种气体的比例、总气压以及放电电流等因素有关。对谐振腔而言腔长要满足频率的驻波条件，谐振腔镜的曲率半径要满足腔的稳定条件。总之腔的损耗必须小于介质的增益，才能建立激光振荡。由于介质的增益具有饱和特性，增益随激光强度增加而减小。初始建立激光振荡时增益大于损耗，随着激光的增强而增益逐渐减小直到增益等于损耗时才有持续稳定的振荡。稳定振荡时的增益叫阈值增益，初始的增益叫小信号增益。小信号增益与阈值增益之差越大，腔内的激光强度越强，对小信号增益很低的激光谱线是否能获得激光振荡，关键在于谐振腔的损耗能降低到什么程度。 1、在可见光区激光谱线的小信号增益系数在氦氖混合气体的增益管中氖原子的3S2能级对2P i（2P i是2P1，2P2，…，2P8，2P10九个能级的简称，3S2-2P9的跃迁是违禁的）九个能级之间能够产生粒子数反转，使介质具有增益，九条谱线的小信号增益系数G0如表1所示。测量时各谱线的放电电流值不相同；表中相对增益系数是用用光谱相对强度研究氦氖放电管的增益特性的装置测得的，各谱线的放电电流相同。表1 He-Ne 3S2-2P i谱线的小信号增益系数

工程光学(1)实验讲义-SZU

工程光学（1）实验讲义光电工程学院

实验一光学实验主要仪器、光路调整与技巧一、引言不论光学系统如何复杂，精密，它们都是由一些通用性很强的光学元器件组成，因此掌握一些常用的光学元器件的结构和性能，特点和使用方法，对安排试验光路系统时正确的选择光学元器件，正确的使用光学元器件有重要的作用二、实验目的掌握光学专业基本元件的功能；调整光路，主要包括共轴调节和调平行光。三、基本原理 (一)、光学实验仪器概述: 光学实验仪器主要含：激光光源，光学元件，观察屏或信息记录介质 1．激光光源激光器即Laser(Light Amplification by stimulated emission of radiation)，原意是利用受激辐射实现光的放大．然而实际上的激光器,一般不是放大器,而是振荡器,即利用受激辐射实现光的振荡,或产生相干光。 . 标有安培表和电压表图1-1 激光器示意图（He－Ne激光）激光的特性：（1）高度的相干性；（2）光束按高斯分布。激光器的分类：（1）气体激光器——He-Ne激光器,Ar离子激光器（2）液体激光器——染料激光器（3）固体激光器———半导体激光器,红宝石激光器本套实验方案的选择的激光器是气体型He-Ne内腔式激光器,波长为632.8nm的红光，功率2mW。个别实验中还会用到白光点光源。 2．用于光学实验的元件一般包括：防震平台、分束镜、扩束镜、准直镜、反射镜、成像透镜、多自由度微调器、3．观察屏等部件。

（1）防震平台光学实验需要一个稳定的工作平台。特别是对于全息图制作实验，由于是参考波和物光波干涉条纹的记录，如果在曝光过程中因为振动导致两光波有变化，就要影响干涉条纹的调制度。通常要求该光波的振动变化小于十分之一波长。影响稳定性的因素有震动、空气流和热变化等。震动的主要影响来自地基的震动，如果记录系统部件的机构有松动就会把震动放大，所以必须对工作台采取减震措施。专用全息气浮工作台是最好的减震台。简单的减震方法可用砂箱、微塑料、气垫（用汽车、飞机轮子的内胎）和重1000～2000kg的铸铁或花岗岩，并应安装一个隔离罩。如果不用隔离罩，记录全息图时室内不要通风，工作人员不要大声讲话和距工作台远一些。（2）光学元件 ①分束镜：分束镜是光学实验系统的一个重要元件，它的作用是将激光束分为两束，在干涉仪系统组装的实验中可产生两束有一定夹角的相干波，在全息制作实验中可产生参考光和物体的物光光波。分束镜一般是在玻璃板上镀干涉膜。干涉膜有两种：多层介质膜和金属膜。分光比可以连续变化或分段变化。 ②扩束器（扩束镜）：因激光束的发散角很小，需要用一个扩束镜以加大光束的发散角。通常可用20倍、40倍的显微物镜或焦距很短的单片正透镜或负透镜。本实验方案中，扩束镜采用40倍的显微物镜。 ③凸透镜：准直镜、成像透镜、傅立叶变换透镜之功能均可使用不同内径和焦距的凸透镜来实现。为了提高光的透射率，透镜面要镀增透膜。在选用透镜时，要选用没有缺陷和污脏的透镜（因为它们会使观察或记录图像产生噪声）。 ④反射镜：当光入射到普通反射镜的玻璃基版上时，要先经过折射再反射，反射光的损失很大。同时玻璃片基的两面会因多次反射引入杂散光。所以光学实验需用表面平整度高和涂有多层反射膜的高反射率反射镜。 ⑤其它：还有一些辅助元件：如多自由度微调器，可三维控制镜架或者滤波器的位置和方向；可变光阑包括可调的狭缝和圆孔光阑、观察屏用来观测成像质量和成像大小等。 (二)、共轴调节：光学实验中经常要遇到用一个或多个透镜成像，为了获得较好的像，必须使各个透镜的主光轴重合（即共轴），并使物体位于透镜的主光轴附近。另外，为了最大限度利用激光扩束后的面光源，所有透镜的主轴都需要大致通过光斑中心，才能获得清晰的像。共轴调节使物、屏的中心处在透镜光轴上，并使各光学元件共轴，达到共轴能保证近轴光线的条件成立。一般分为两步进行，第一步粗调，即用眼睛观察，使物、屏与透镜中心大致在一条直线上；粗调方法如下：通过前后移动白屏的方法先使激光光束与台面平行，再将透明物、扩束镜、双凸透镜依次摆好，调节它们的取向和高低左右位置，凭眼睛观察，再让光斑、物、镜的几何中心处在一条直线上，这样便使镜的主光轴与平台面平行且共轴，光斑也最大限度得到利用。

电光调Q实验讲义

电光Q 开关技术一、实验目的： 1、理解电光调Q 的基本原理； 2、了解退压式电光调Q 的原理及方法； 3、学会电光Q 开关实验装置的调试； 4、掌握相关技术参数的测试方法。二、实验原理：调Q 技术的发展和应用，是激光发展史上的一个重要突破。一般的固体脉冲激光器输出的光脉冲，其脉冲持续在几百s μ甚至几ms ，其峰值功率也只有kW 级水平，因此，压缩脉宽，增大峰值功率一直是激光技术所需解决的重要课题。Q 技术就是为了适应这种要求而发展起来的。 1. 调Q 基本概念用品质因数Q 值来衡量激光器光学谐振腔的质量优劣，是对腔内损耗的一个量度。调Q 技术中，品质因数Q 定义为腔内贮存的能量与每秒钟损耗的能量之比，可表示为：每秒钟损耗的激光能量腔内贮存的激光能量0 2πν=Q （1）式中0ν为激光的中心频率。如用E 表示腔内贮存的激光能量，γ为光在腔内走一个单程能量的损耗率。那么光在这一单程中对应的损耗能量为E γ。用L 表示腔长；n 为折射率；c 为光速。则光在腔内走一个单程所需要时间为c nL /。由此，光在腔内每秒钟损耗的能量为c nL E /γ这样，Q 值可表示为 γλπγπν002/2nL nL Ec E Q == （2）式中00/νλc =为真空中激光波长。可见Q 值与损耗率总是成反比变化的，即损耗大Q 值就低；损耗小Q 值就高。固体激光器由于存在弛豫振荡现象，产生了功率在阈值附近起伏的尖峰脉冲序

列，从而阻碍了激光脉冲峰值功率的提高。如果我们设法在泵浦开始时使谐振腔内的损耗增大，即提高振荡阈值，振荡不能形成，使激光工作物质上能级的粒子数大量积累。当积累到最大值（饱和值时），突然使腔内损耗变小，Q 值突增。这时，腔内会象雪崩一样以极快的速度建立起极强的振荡，在短时间内反转粒子数大量被消耗，转变为腔内的光能量，并在透反镜端耦合输出一个极强的激光脉冲。在这个过程中，弛豫振荡一般是不会发生的，但是，如果调Q 器件设计及调整得不好也会导致多脉冲出现。所以，输出光脉冲脉宽窄，峰值功率高。通常把这种光脉冲称为巨脉冲。调节腔内的损耗实际上是调节Q 值，调Q 技术即由此而得名。也成为Q 突变技术或Q 开关技术。谐振腔的损耗γ一般包括有： 54321αααααγ++++= （3）其中1α为反射损耗；α2为吸收损耗；α3为衍射损耗：α4为散射损耗；α5为输出损耗。用不同的方法去控制不同的损耗，就形成了不同的Q 技术。如控制反射损耗α1的有转镜调Q 技术，电光调Q 技术；控制吸收损耗α2的有可饱和染料调Q 技术；控制衍射损耗α3的有声光调Q 技术；控制输出损耗α5的有透射式调Q 技术。图1为脉冲泵浦的调Q 激光器产生激光巨脉冲的时间过程图1. 激光巨脉冲产生的时间关系在t=0时闪光灯脉冲接近终了，腔内损耗γ此时有一个突变（即打开Q 开光光闸），腔内增益大于高于腔内损耗，而当延迟到d t t =时，th N N ?≥?，即会发射一个

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CO2激光器的工作原理及典型结构； 2、掌握CO2激光器的输出特性； 3、掌握CO2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 CO2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、CO2激光器工作原理 CO2激光器的工作气体是CO2、N2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 CO2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)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17 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。 CO2激光器中与激光跃迁有关的能级是由CO2分子和N2分子的电子基态的低振动能级构成的。CO2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。

分子反对称振动 CO 2 分子振动模型图1 CO 2 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H2O和H2)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N2气，利用其v＝1能级与CO2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N2气的v=1态不能通过自发

3.24LED实验讲义

3.24LED光电特性研究一、实验目的 1.了解LED的光电特性，理解LED的发光机理。 2.学会用CIE标准定量测量平均辐射（发光）强度及半值角。 3.了解LED电流注入与辐射功率的关系及其测量方法。 4.了解LED的光谱特性及其测试方法。二、实验原理 LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电能转化为光能。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附着在一个支架上，是负极，另一端连接电源的正极，整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长（光的颜色），是由形成P-N结材料决定的。大功率LED，一般指大于0.65W，这一点不同公司内部也会有不同的标准，因为目前在大功率LED领域还没有形成大家一致认可的行业标准。光强与流明比小功率大，但同样散热也很大，现在大功率大多是单颗应用，加上有效散热面积很大的散热片，也出现了集成在一起的LED灯矩阵，但是散热效果不是很好。小功率一般是0.06W左右的。 1．LED器件的测试对于LED器件，因其体积小、定向发射光、高亮度、PN结电特性等特点，从而在品质的评价和检测方法方面产生许多新的问题。不同的应用场合，决定了

对LED产品的性能要求。从而在品质的评价和检测方面产生许多新的问题。从光学性能来看，主要是亮度、视角分布、颜色、光通量、光束空间分布、显色特性及辐射照度等参数。此外，LED既是一种光源，又是一种功率型半导体器件。因此有关它的质量必须从光学、点穴等诸多方面进行综合评价。 1.1电特性测量参数电特性：LED是一个由半导体无机材料构成的单极性PN结二极管，它是半导体PN结二极管中的一种，其电压-电流之间的关系称为伏安特性。由图1可知，LED电特性参数包括正向电流、正向电压、反向电流和反向电压，LED 必须在合适的电流电压驱动下才能正常工作。通过LED电特性的测试可以获得LED的最大允许正向电压、正向电流及反向电压、电流，此外也可以测定LED 的最佳工作电功率。正向电压VF Forward voltage 通过发光二极管的正向电流为确定值时，在两极间产生的电压降反向电流IR Reverse current 加在发光二极管两端的反向电压为确定值时，流过发光二极管的电流。反向电压VR Reverse voltage 被测LED器件通过的反向电流为确定值时，在两极间所产生的电压降。1.2光特性测量指标光学性能：LED的光学性能主要涉及到光谱、光度和色度等方面的性能要求。根据新制定的行业标准“半导体发光二极管测试方法”，主要有发光峰值波长、光谱辐射贷款、发光强度、半强度角、光通量、辐射通量、发光效率、色品坐标、相关色温、色纯度和主波长、显色指数等参数。 1.2.1LED器件平均发光强度averaged LED intensity

YAG激光实验装置实验讲义

实验一Nd3+:YAG激光器地阈值与斜效率测量一、实验目地 1.了解并掌握激光形成机理 2.了解激光阈值地概念，学会测量阈值 3.测量输入输出曲线及其斜效率地计算二、实验原理 1.普通光源地发光一受激吸收和自发辐射普通常见光源地发光＜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，原子中地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?激发地过程是一个“受激吸收”过程?处在高能级＜E2）地电子寿命很短＜一般为10「8?10「9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级＜E）跃迁，跃迁时将产生光＜电磁波）辐射?辐射光子能量为 b5E2RGbCAP 这种辐射称为自发辐射.原子地自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子地发光过程各自独立，互不关联，即所辐射地光在发射方向上是无规则地射向四面八方，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，所以发射光地频率也不是单一地，而有一个范围.在通常热平衡条件下，处于高能级E2 上地原子数密度N2,远比处于低能级地原子数密度低，这是因为处于能级 E地原子数密度N地大小时随能级E地增加而指数减小，即N*exp（-E/kT＞,这是著名地波耳兹曼分布规律.于是在上、下两个能级上地原子数密度比为p1EanqFDPw 式中k为波耳兹曼常量,T为绝对温度.因为E2＞E,所以N2＜N.例如,已知氢原子基态能量为E1 = — 13.6eV,第一激发态能量为巳=-3.4eV,在20 C

时,kT~ 0.025eV,则DXDiTa9E3d 可见,在20 C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，所以普通广义地发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程.一般说来，这种光源所辐射光地能量是不强地，加上向四面八方发射，更使能量分散了 .RTCrpUDGiT 2.受激辐射和光地放大由量子理论知识知道，一个能级对应电子地一个能量状态.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,它们都是量子化地，由相应地量子数来描述.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地.严格地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.5PC Z VD7H X A 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地两个状态之间，这就是一种选择规则.如果选择规则不满足,则跃迁地几率很小，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，由于不满足跃迁地选择规则，可使它在这种能级上地寿命很长，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,在外加光地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”出来地，故称受激辐射.受激辐射地概念是爱因斯坦于1917年在推导普朗克地黑体辐射公式时，第一个提出来地.他从理论上预言了原子发生受激辐射地可能性，这是激光地基础.jLBHrnAILg 受激辐射地过程大致如下：原子开始处于高能级巳,当一个外来光子所带地能量h u正好为某一对能级之差 E2-E1,则这原子可以在此外来光子地诱发下从高能级吕向低能级E1跃迁.这种受激辐射地光子有显著地特点，就是原子可发出与诱发光子全同地光子，不仅频率＜能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波地相位都完全一样.于是,入射一个光子，就会出射两个完全相同地光子.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地光，就是激光.XHAQX74J0X

激光雕刻机实验

激光雕刻机实验编写：陈吉明、崔鹏、刘满禄西南科技大学工程技术中心二〇一一年八月

激光雕刻机实验教学讲义一、实验目的 1．训练学生运用多种软件进行产品设计的能力（包括三维雕刻软件、CorelDRAW、AutoCAD等） 2．学习计算机激光雕刻机系统（LaserCut）修正图形参数的方法； 3．学习激光雕刻系统激光雕刻和切割路径设置的基本方法； 4．学习激光雕刻机的正确操作方法，完成所设计产品的雕刻、切割加工。 5、实验强调从设计、改进到加工制造全部过程学生的参与，强调对产品生产全过程的了解，综合地、全面地培养学生的解决实际问题的能力，进而提高他们的创新能力和工程实践动手能力。二、实验设备计算机激光雕刻系统从功能上主要由CX6090型激光雕刻机和LaserCut雕刻软件等两个相对独立的部分组成。 1．LaserCut雕刻软件——用于雕刻产品的图文设计、形体造型以及激光参数、加工路径数据，输出可由激光雕刻机可识别雕刻加工的G代码。 2．激光雕刻设备——CX6090型激光雕刻机。是雕刻的具体实现部分，执行加工代码所描述的各种复杂加工动作，完成雕刻产品的加工。

设备组成：控制系统激光发生器激光光路机械系统计算机软件系统冷却系统三、实验任务 1. 在创造性于创新实践课程学习过程中，创新思维和创新技法的学习，创造性设计创意模型（厚度小于5mm）。可使用软件：三维雕刻软件、CorelDRAW、AutoCAD等。 2. 正确操作激光雕刻设备，完成产品的加工。四、实验步骤 1．产品图形设计可使用文泰三维雕刻软件、CorelDRAW、AUTOCAD等图形设计软件进行创意模型设计。根据板材厚度确定高度，高度一般小于5mm。 2．将设计图形导入LaserCut5.3，进行模型参数修正。 3．在LaserCut5.3中完成激光强度、速度的设置以及雕刻、切割路径。 4．运用LaserCut5.3完成计算机模拟加工，检查加工质量；加工数据输出。 5．打开CX6090型激光雕刻机，输入加工数据，正确设置其加工参数和坐标原点，完成产品加工。五、加工注意事项主机提前预热10分钟；检查水冷却系统液位，保证循环水出水；控制柜网线连接正常；激光光路正常；加工基体材料保证平整地粘贴在台面上。

激光原理与技术实验指导书

《激光原理与技术实验指导书》实验报告广东技术师范学院电子与信息学院

目录仪器要求与安全保护 (2) 实验一、LD泵浦ND:YVO4固体激光器的基本概念与主要参数测量 (3) 实验二、LD泵浦ND:YVO4固体激光器光斑尺寸的测量 (12) 实验三、LD泵浦ND:YVO4固体激光器远场发散角的测量 (16) 实验四、声光调Q技术实验五、HE－NE激光器谐振腔调节 (28) 实验六、HE-NE激光器的模式分析 (31)

仪器要求与安全保护 1、仪器安装在干燥、无灰尘、通风良好、远离热源和强（电）磁场的地方。 2、工作温度： 10～15o C 3、相对湿度：＜70% 4、工作电源： 220V±15% 50HZ 5、安全防护（1）使用 He-Ne 激光器时，“+”，“-”（正，负）极不要插（接）错（2）激光管的电流不要调的过高，否则容易击穿，烧毁管子。（最好接厂方给定的最佳电流）（3）激光出光后，眼睛不要直接直射观察激光点，否则容易损坏眼睛。（4）He-Ne 激光管都是玻璃制品，易碎，小心轻拿轻放。调节螺钉不要拧的太紧。 6、日常维护（1）外腔（或半内腔）激光管，外部活动的谐振腔，不要弄脏布儒斯特窗面，不要沾上灰尘否则不出光。（2）激光管不要放在潮湿的地方，长时间不用时，最好隔几天点燃一次（特别是夏天）时间 20～30 分钟。（3）半导体泵浦激光器实验装置应注意防潮，放置于比较干燥的地方。在不使用时请将仪器上盖盖好，端盖旋紧，防止灰尘进入仪器。注意： 1激光对人眼睛有伤害，注意眼睛不要直接对着光源。 2激光器的电源电压上千伏，注意小心，不要触摸。

光纤光学大学物理实验讲义

光纤通信实验光纤通信就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。光纤通信是现代通信网的主要传输手段，主要通过在发送端把传送的信息（如话音）变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度（频率）变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。因此构成光纤通信的基本要素是光源、光纤和光检测器。半导体激光器可以作为光纤通信的主要光源，其具有超小型、高效率和高速工作的优异特点，到如今，它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源.光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。前香港中文大学校长高锟和George A. Hockham 首先提出光纤可以用于通讯传输的设想，高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖。光检测器:把光发射机发送的携带有信息的光信号转化成相应的电信号并放大、再生恢复为原传输的信号的器件。【实验目的】 1. 了解和掌握半导体激光器的电光特性和测量阈值电流 2. 了解和掌握光纤的结构和分类以及光在光纤中传输的基本规律。 3. 对光纤本身的光学特性进行初步的研究，对光纤的使用技巧和处理方法有一定的了解。 4. 了解光纤通信的基本原理。【实验仪器】导轨，半导体激光器+二维调整，三维光纤调整架+光纤夹，光纤，光探头+二维调整架，激光功率指示计，一维位移架，专用光纤钳、光纤刀，示波器，音源等。【实验原理】一、半导体激光器的电光特性实验采用的光源是半导体激光器，由于它的体积小、重量轻、效率高、成本低，已进入了人类社会活动的多个领域。因此对半导体激光器的了解和使用就显得十分重要。本实验对半导体激光器进行一些基本的实验研究，以掌握半导体激

光电检测技术实验讲义

光电检测技术实验指导书电气工程学院

目录实验一半导体激光器工作域值及输出功率特性的测量 (2) 实验二半导体激光器输出光谱特性曲线的测量 (9) 实验三光电探测原理及特性测试（综合性） (13) 实验四* CCD输出特性及二值化处理实验 (22) 实验五 PSD位移传感器特性实验 (28) 实验六反射式光纤位移传感器原理及定标实验 (32) 实验七光电报警系统设计（设计性） (38)

实验一半导体激光器工作域值及输出功率特性的测量一、实验目的测试半导体激光器工作域值，测量输出功率－电流（P-I ）特性曲线和输出功率的稳定性，从而对半导体激光器工作特性有个基本了解。二、实验内容 1、测试YSLD3125型半导体激光器工作域值。 2、测试YSLD3125型半导体激光器输出功率与电流（P-I ）特性曲线。 3、测试YSLD3125型半导体激光器注入电流为30mA 时输出功率的稳定性。三、实验仪器 1、YSLD3125型半导体激光器（带尾纤输出，FC 型接口） 1只 2、ZY606型LD/ LED 电流源 1台 3、光功率计 1台 4、万用表 1只四、实验原理 1、激光器一般知识激光器是使工作物质实现粒子数反转分布产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。激光，其英文LASER 就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （受激辐射的光放大）的缩写。激光的本质是相干辐射与工作物质的原子相互作用的结果。尽管实际原子的能级是非常复杂的，但与产生激光直接相关的主要是两个能级，设E u 表示较高能级，E l 表示较低能级。原子能在高低能级间越迁，在没有外界影响时，原子可自发的从高能级越迁到低能级，并伴随辐射一个频率为 h E E l u /)(-=ν 的光子，这过程称自发辐射。若有能量为l u E E h -≥ν的光子作用于原子，会产生两个过程，一是原子吸收光子能量从低能级越迁到高能级，同时在低能级产生一个空穴，称为受激越迁或受激吸收，此激发光子消失；二是原子在激发光子的刺激下，从高能级越迁到低能级，并伴随辐射一个频率 h E E l u /)(-=ν 的光子，这过程称受激辐射。受激辐射激发光子不消失，而产生新光子，光子增加，而且产生的新光子与激发光子具有相同的频率、相位和偏振态，并沿相同的方向传播，具有很好的相干性，这正是我们所需要的。受激辐射和受激吸收总是同时存在的，如果受激吸收超过受激辐射，则光子数的减少多于增加，总的效果是入射光被衰减；反之，如果受激辐射超过受激吸收，则入射光被放大。实现受激辐射超过受激吸收的关键是维持工作物质的原子粒子数反转分布。所谓粒子数反转分布就是工作物质中处于高能级的原子多于处于低能级的原子。所以原子的粒子数反转分布是产生激光的必要条件。实现粒子数反转可以使受激辐射超过受激吸收，光在工作介质中得到放大，产生激光，但工作介质的增益都不足够大，若使光单次通过工作介质而要产生较强度的光，就需要很长的工作物质，实际上这

电光调制实实验讲义

电光调制实验实验讲义一、实验背景电光效应在工程技术和科学研究中有许多重要应用。尤其是激光出现以后，电光效应的研究和应用得到了迅速发展，电光器件被广泛应用在激光通信、激光测距、激光显示和光学数据处理等方面。晶体电光调制实验可以模拟电光效应在激光通信中的应用，验证激光通信传输速度快，抗干扰能力强，保密性好等优点。通过该实验可以加深对偏振光干涉、双折射、非线性光学等知识的理解，培养学生的动手能力，提高学生的工程意识。实验系统结构简单，易于操作，实验效果理想。二、实验目的 1. 观察电光效应引起的晶体光学性质的变化（单轴晶体、双轴晶体的偏振干涉图）。 2. 观察直流偏压对输出特性的影响，记录数据并绘制输出特性曲线。 3 观察铌酸锂晶体交流调制输出特性。 4. 模拟光通信。三、实验仪器图1 实验仪器实物图（双踪示波器自备） 1.半导体激光器及四维可调支架 2.起偏器 3.铌酸锂晶体 4.检偏器（及1/4波片) 5.光屏 6.导轨 7.电光调制电源箱 8.接受放大器四、实验原理晶体分各向同性晶体与各向异性晶体。其中各向异性晶体会发生双折射，而各向同性晶体只会发生普通折射。光束入射到各向异性的晶体，分解为o 光和e 光。如果光束沿着光轴的方向传播不会发生双折射现象。这里光轴并非指一条直线，而是一个特殊的方向。晶体中o 光与光轴构成的平面叫o 光主平面，e 光与光轴构成的平面叫e 光主平面。o 光振动方向垂直于o 光主平面，e 光的振动方向平行于e 光主截面。一般情况下，o 光主平面与e 光主平面不重合，但是理论与实践均表明，当入射线在晶体主平面时o 光主平面与e 光主平面重合。实用中一般均取入射线在晶体主截面内的情况。各向异性晶体中o 光与e 光的传播速度一般不同。速度e o v v >的晶体称为正晶体，e o v v <的晶体称为负晶体。铌酸锂晶体是各向异性负晶体。由于双折射现象，当入射光不沿光轴方向入射时，产生的o 光与e 光对应不同的折射率o n 与e n 。寻常光o 的折射率对于介质来说是各向同性的，其波面是个球面；非寻常光的折射率对于介质来说是各向异性的，其波面通常是椭球面。当o 光与e 光以不同的速度垂直穿过相同厚度晶体时，会产生一定的相位差()o e o l n n -= λ π δ2 铌酸锂晶体具有优良的压电、电光、声光、非线性等性能。本实验中采用的是LiNbO 3晶体的光电特性。 (一）会聚偏振光的干涉汇聚偏振光的实验装置如图2所示，4321L L L L 、、、是透镜，21 、P P 是正交偏振片，C 是光轴与晶体表面垂直的晶片。短焦距透镜2L 将透过1P 的平行偏振光转化为一束会聚偏振光入射到晶片C 上的Q 点，从C 出射的光再经同样的透镜3L 后转化为平行光入射到偏振片2P ，最后透镜4L 把3L 的后焦面成像于屏幕M 上。这样，凡以相同方向通过晶片C 的光线，最后将会会聚到屏幕M 上同一点。易见该光路对装置轴线BO 具有对称性。这种装置产生的干涉图样示于图13，它也具有中心对称性，是一组明暗相间的同心圆环，

嘉应学院激光原理实验讲义

嘉应学院激光原理实验讲义编写人：杨晓冬

一. 激光技术调节基本技能训练一. 实验目的： 1.初步掌握准直光束调节方法 2.初步掌握反射面镜调节方法 3.初步掌握凸透镜的调节方法二. 实验装置和调节方法 1. 准直光源调节: 在光学平台上装调激光之前,通常需要建立与光学平台平行、且空间方位固定的准直光束，以便于对光学元件的空间方位进行调整。产生准直光束的光源通常是氦氖激光器产生的632.8 nm光束，也可以采用655 nm的半导体激光器，要求必须是可见光束。在调节过程中，准直光源必须牢稳固定，如果在调解过程中光源移动，则准直光束必须重新建立，实验也必须重新开始。在光学平台上建立准直光束通常需要不少于两块空间方位可调节的反射镜、一个标示高度的标高尺，标高尺制作如图1所示：ａ）将一片高度约为15 cm的钢板尺固定在一块规则平整的矩形金属块上，钢板尺本身的刻度就可以作为表明光束高度的标示，由于钢板尺刻度较多，因此可以标注的范围较大，但精度不一定很高；b）用金属板表面小孔作为标示光束高度的标示，该标高尺通常用于准直光束高度固定的情况下准直光束建立。标高尺正面做一条垂直标示线(如图中红线所示). 标示线刻度钢准直光束调节方法如图2所示：要建立一条与光学平台水平,沿AB方向准直光束,首先根据要确定光束的方位确定两块反射镜的位置,要求光束最后照到的反射镜2的中心大致位于所要建立的直线上,打开激光光源,使光束照在反射镜1的中心位置,调节反射镜1的位置和俯仰角使光束大致照在反射镜1的中心,同时保证反射镜2大致沿着AB直线方向.在AB直线的正下方选取M、N两点(N点远离反射镜2),用笔作标记,将标高尺标示线下端正对N点放置,调节反射镜2,使光束入射到标示线,高度达到所要求的准直光束高度,然后再将标高尺标示线下端正对M点,调节腔镜1,使光束达到所要求的标示高度,反复进行上述步骤,最终就可以使光束沿着所要求的AB方向.为了更清楚说明这一点举例如下: 准直光束离光学平台高度50 mm, 在

Nd-YAG 固体激光器电光调Q、倍频实验讲义

Nd:YAG 固体激光器电光调Q、倍频实验一、实验目的 1. 掌握电光调Q 的原理及调试方法； 2. 学会电光调Q 装置的调试； 3. 掌握相关参数的测量。二、实验原理 1. 调Q 技术原理调Q 技术中，品质因数Q 定义为腔内贮存的能量与每秒钟损耗的能量之比，可表示为：每秒钟损耗的激光能量腔内贮存的激光能量02πν=Q （1）式中0ν为激光的中心频率。如用E 表示腔内贮存的激光能量，γ为光在腔内走一个单程能量的损耗率。那么光在这一单程中对应的损耗能量为E γ。用L 表示腔长；n 为折射率；c 为光速。则光在腔内走一个单程所需要时间为。 c nL /由此，光在腔内每秒钟损耗的能量为 c nL E /γ这样，Q 值可表示为γ λπγπν002/2nL nL Ec E Q == （2）式中00/νλc =为真空中激光波长。可见Q 值与损耗率总是成反比变化的，即损耗大Q 值就低；损耗小Q 值就高。固体激光器由于存在弛豫振荡现象，产生了功率在阈值附近起伏的尖峰脉冲序列，从而阻碍了激光脉冲峰值功率的提高。如果我们设法在泵浦开始时使谐振腔内的损耗增大，即提高振荡阈值，振荡不能形成，使激光工作物质上能级的粒子数大量积累。当积累到最大值（饱和值时），突然使腔内损耗变小，Q 值突增。这时，腔内会象雪崩一样以极快的速度建立起极强的振荡，在短时间内反转粒子数大量被消耗，转变为腔内的光能量，并在透反镜端耦合输出一个极强的激光脉冲。在这个过程中，弛豫振荡一般是不会发生的，但是，如果调Q 器件设计及调整得不好也会导致多脉冲出现。所以，输出光脉冲脉宽窄，峰值功率高。通常把这种光脉冲称为巨脉冲。调节腔内的损耗实际上是调节Q 值，调Q 技术即由此而得名。也成为Q 突变技术或Q 开关技术。

光电检测试验讲义全

实验一光敏电阻特性参数测量及暗光街灯实验一、实验目的： 1、了解光敏电阻的电阻特性，掌握光敏电阻的伏安特性及其随光照强度的变化规律。 2、利用光敏电阻的电阻变化特性，将之作为街灯自动点亮与熄灭的传感器件，掌握基于光敏电阻的暗光街灯的工作原理及应用。二、实验原理：光敏电阻是最典型的光电效应器件，即其电导率随光照强度而发生变化。半导体光电导器件是利用半导体材料的光电导效应制成的光电探测器件。本实验旨在测定光敏电阻在不同光照环境下的电阻值，并测定其伏安特性随光照强度的变化规律。根据实验测定，光敏电阻的电阻值随光亮度的增大而迅速减小。利用这一特性，设计了暗光街灯演示实验。其原理是当环境变暗时光敏电阻的阻值增大，当亮度降低到一定值时，即光敏电阻值增大到某一阈值时，光电传感电路系统自动点亮小灯泡，从而达到与暗光街灯相似的目的。三、实验所需单元：直流稳压电源，光敏电阻，数字电压表，电流（毫安）表，暗光街灯电路，小灯泡（负载），万用表。四、实验步骤：

（一）光敏电阻特性测试 (1) 光敏电阻的暗、亮电阻测定。如图3.1所示，用万用表从光敏电子两端测定它在不同光照条件下的电阻值，将测得的结果填入表格。 (2) 光敏电阻伏安特性测定。按图1.2所示连接各元件和单元，检查连接无误后，开启电源。用一挡光物（如黑纸片或瓶盖）遮住光敏电阻（视为全暗），分别接插不同的电压U 值（可调电压的获取：通过面板“电机控制1”或“电机控制2”的Vin 输入5V ，Vout 可输出如0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0， 4.5，5.0V 等不同电压值），利用电流表测定流过光敏电阻的电流值I ，数字电压表测定U 值。改变光敏电阻的光照强度（如全暗、日光灯、手电筒、激光照射），重复测定I 与U 的关系，可得到图1.3所示的伏安特性关系曲线族。光敏电阻值(k ) 图1.1 暗、亮电阻的测定图1.2 伏安特性测量电路

激光拉曼光谱实验讲义

激光拉曼光谱实验讲义一实验目的 1、了解拉曼散射的基本原理 2、学习使用拉曼光谱仪测量物质的谱线，知道简单的谱线分析方法。二实验仪器 RBD 型激光拉曼光谱仪三实验原理当波束为0ν的单色光入射到介质上时，除了被介质吸收、反射和透射外，总会有一部分被散射。按散射光相对于入射光波数的改变情况，可将散射光分为三类：第一类，其波数基本不变或变化小于5110cm --，这类散射称为瑞利散射；第二类，其波数变化大约为10.1cm -，称为布利源散射；第三类是波数变化大于11cm -的散射，称为拉曼散射；从散射光的强度看，瑞利散射最强，拉曼散射最弱。在经典理论中，拉曼散射可以看作入射光的电磁波使原子或分子电极化以后所产生的，因为原子和分子都是可以极化的，因而产生瑞利散射，因为极化率又随着分子内部的运动（转动、振动等）而变化，所以产生拉曼散射。在量子理论中，把拉曼散射看作光量子与分子相碰撞时产生的非弹性碰撞过程。当入射的光量子与分子相碰撞时，可以是弹性碰撞的散射也可以是非弹性碰撞的散射。在弹性碰撞过程中，光量子与分子均没有能量交换，于是它的频率保持恒定，这叫瑞利散射，如图（1a ）；在非弹性碰撞过程中光量子与分子有能量交换，光量子转移一部分能量给散射分子，或者从散射分子中吸收一部分能量，从而使它的频率改变，它取自或给予散射分子的能量只能是分子两定态之间的差值12E E E ?=-，当光量子把一部分能量交给分子时，光量子则以较小的频率散射出去，称为频率较低的光（斯托克斯线），散射分子接受的能量转变成为分子的振动或转动能量，从而处于激发态1E ，如图（1b ），这时的光量子的频率为0ννν'=-?；当分子已经处于振动或转动的激发态1E 时，光量子则从散射分子中取得了能量E ?（振动或转动能量），以较

激光雕刻机实验教学1讲义

激光雕刻机实验教学讲义编写：陈吉明、崔鹏、刘满禄西南科技大学工程技术中心二〇一一年八月

半导体泵浦固体激光综合实验实验讲义

前言半导体泵浦固体激光器具有结构紧凑 , 转换效率高等特点已经成为现代工业应用地主流激光器 . 应用全工业器件和科研级晶体设计地半导体泵浦固体激光器综合实验具有系统开放、调整简单、知识全面、可定量测量参数等特点 .本实验适合配套激光原理等课程开设本科生专业实验 ,或高职院校进行实训教案 .b5E2RGbCAP

目录 1.引言 ----------------------- 1p1EanqFDPw 2.实验目地 -------------------- 1 3.实验原理 -------------------- 1 4.实验仪器 -------------------- 4 5.实验步骤 -------------------- 5 6.思考题 --------------------- 6DXDiTa9E3d 7.实验注意事项 ------------------ 8.参考文献

1.引言半导体泵浦固体激光器

YAG激光实验装置实验讲义

专业实验 实验四 氦氖多谱线激光器实验讲义

工程光学(1)实验讲义-SZU

电光调Q实验讲义

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3.24LED实验讲义

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激光雕刻机实验

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光纤光学大学物理实验讲义

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最新光学与激光实验讲义

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