田金榮，王 麗，宋晏蓉

（北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124）

激光是20世紀(jì)人類最重大的科技成就之一。自從1960年梅曼首次獲得激光輸出以來[1]，激光作為一種優(yōu)勢眾多的先進(jìn)光源獲得了廣泛而深入的研究與應(yīng)用，并對人類生產(chǎn)與生活產(chǎn)生了深刻的影響。與之相應(yīng)，國內(nèi)外的眾多高校開始把激光原理與激光技術(shù)作為物理學(xué)、應(yīng)用物理學(xué)、光信息科學(xué)與技術(shù)、光電子技術(shù)科學(xué)等專業(yè)的基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容之一，并在實(shí)驗(yàn)上愈加重視激光的使用。在教學(xué)方法與教學(xué)內(nèi)容上，許多高校都對激光的教學(xué)進(jìn)行了有益的探索[2－8]。但在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，雖然學(xué)生經(jīng)過激光原理的學(xué)習(xí)，但對于激光器如何工作仍存在模糊的認(rèn)識。雖然實(shí)驗(yàn)中使用很多的激光光源，但多數(shù)都是密封的，不能隨意打開觀察，更不用提對激光進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了彌補(bǔ)這一缺憾，將科研用的鈦藍(lán)寶石飛秒激光器進(jìn)行了簡化，設(shè)計了對激光進(jìn)行調(diào)節(jié)的實(shí)驗(yàn)，即使學(xué)生掌握了實(shí)際激光器的調(diào)節(jié)方法，又使其明晰了激光產(chǎn)生原理，收到了良好的效果。在此實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)計了激光損耗測量的實(shí)驗(yàn)，提高了激光諧振腔損耗測量的精度，并可對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行量化評估。

1 激光器的調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)設(shè)計

為了能夠使學(xué)生接受合適的激光調(diào)節(jié)訓(xùn)練，對實(shí)驗(yàn)室的激光器進(jìn)行了考察，并最后選定鈦藍(lán)寶石飛秒振蕩器作為實(shí)驗(yàn)對象。鈦藍(lán)寶石是目前國際上應(yīng)用最為廣泛的超快激光光源之一。但由于鈦藍(lán)寶石飛秒振蕩器是鎖模激光器，腔內(nèi)光學(xué)元件較多，如果直接將此激光器交給毫無激光調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生來調(diào)節(jié)，學(xué)生很有可能要消耗過長的時間，同時也會使學(xué)生陷于細(xì)節(jié)問題而受挫。為了使學(xué)生掌握主要內(nèi)容，并提高學(xué)習(xí)效率，我們將激光器進(jìn)行了簡化，設(shè)計了一個比較簡單的激光器調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。這是一個典型的四鏡腔結(jié)構(gòu)，其中X為鈦藍(lán)寶石激光晶體；F為聚焦透鏡，用于將泵浦光聚焦于激光晶體X上，焦距為10cm；M1與M2為對輸出激光波長有高反射率的凹面鏡，曲率半徑10cm，在700～900nm波段的反射率大于99.98%；M3為具有對輸出激光波長有高反射率的平面鏡在700～900nm波段的反射率大于99.98%；OC為輸出鏡。泵浦光由連續(xù)輸出的倍頻Nd：YVO4激光器產(chǎn)生，輸出波長532nm，最大輸出功率6W。圖2為實(shí)際激光裝置的照片。實(shí)驗(yàn)過程中先對學(xué)生介紹鈦藍(lán)寶石飛秒振蕩器的用途，使學(xué)生充分認(rèn)識到該激光器的重要性。然后講解簡化后的實(shí)驗(yàn)激光器。從激光的原理出發(fā)，介紹實(shí)際激光器的三個組成部分：泵浦源、增益介質(zhì)、諧振腔。然后給學(xué)生講述激光器的組建與調(diào)節(jié)方法。由于此前學(xué)生見到的激光多為密閉的，學(xué)生并未見到過激光器的實(shí)際結(jié)構(gòu)。此次學(xué)生見到真實(shí)的激光器，而且動手的積極性非常高。從實(shí)驗(yàn)效果上來看，學(xué)生在調(diào)節(jié)過程的同時也掌握了主要的探測設(shè)備，如光功率計、光譜儀、示波器、紅外探測儀等的使用方法。

圖1 激光器實(shí)驗(yàn)光路圖

2 激光器損耗測量的實(shí)驗(yàn)設(shè)計

為了使同學(xué)們對激光原理的知識理解更為深入，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行量化評估，我們在前面激光器調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了激光諧振腔損耗的測量實(shí)驗(yàn)。從激光原理可知，諧振腔損耗在激光的產(chǎn)生中扮演了重要的角色，其物理意義非常重要，因?yàn)榧す庹袷幤鞯恼袷帡l件是諧振腔的損耗[9]要小于增益，并且激光中的很多概念如振蕩閾值穩(wěn)態(tài)輸出功率等都與損耗有關(guān)[10－11]。而在實(shí)踐教學(xué)中，由于缺乏激光器組裝與調(diào)試的實(shí)際實(shí)驗(yàn)，學(xué)生往往對其缺乏足夠的直觀認(rèn)識，往往將損耗當(dāng)成一個形式上的物理量，而不是可以實(shí)測的物理量。實(shí)際上，諧振腔的損耗完全可以在實(shí)驗(yàn)上測定出來，例如無源諧振腔的損耗測量可以用光腔衰蕩法[12]測定，有源諧振腔可以采用如文獻(xiàn)[13－14]曾提到的方法，即通過改變輸出耦合器的反射率R測量其泵浦閾值Pth，根據(jù)R和Pth的關(guān)系確定諧振腔的損耗。對激光諧振腔的損耗測量方法進(jìn)行了改進(jìn)，在實(shí)驗(yàn)上設(shè)計了損耗測量實(shí)驗(yàn)，以對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行量化評估。

圖2 實(shí)際的激光裝置

2.1 理論分析

根據(jù)激光的運(yùn)行模型，激光的產(chǎn)生過程實(shí)是泵浦光能量向激光能量傳遞的過程。最終的激光輸出將決定于多個過程的效率，在遠(yuǎn)低于飽和閾值的情況下，采用小信號近似，激光的功率Pout與輸入的泵浦光功率Ppump具有近似線性的關(guān)系：

其中 Pth為泵浦閾值。σs為斜效率（slope efficiency），它決定于激光產(chǎn)生的多個過程的效率，具體表達(dá)式為[6]：

其中：R為輸出耦合器的反射率；L為諧振腔損耗；ηP為泵浦效率；ηT為傳輸效率；ηa為吸收效率；ηu為激光上能級的轉(zhuǎn)換效率；ηB為交疊效率。對于激光器來說，ηP、ηT、ηa、ηu、ηB可以看成是不隨輸入泵浦光功率變化的量。因此σs可以看成為諧振腔損耗L函數(shù)。采用不同輸出耦合器的反射率R1，R2，可以根據(jù)激光的輸出特性測量出兩個斜效率σs1，σs2：

（3）式除以（4）式，可得：

R1，R2出廠時已知，σs1，σs2可以測量，根據(jù)（5）式可以解出諧振腔的損耗。將得到的損耗L代入 lnR＝2KPth-L即可預(yù)言不同輸出鏡下的泵浦閾值。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在調(diào)節(jié)出連續(xù)激光后通過優(yōu)化透鏡F，鈦藍(lán)寶石X，折疊鏡M2的位置，獲得了最高的激光輸出功率。分別采用了不同標(biāo)稱值的輸出鏡3%、10%，對應(yīng)的反射率分別為97%、90%，以計算諧振腔的損耗。在實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)過程中，始終保持其它光學(xué)元件不變，只更換輸出鏡，以確保實(shí)驗(yàn)過程中諧振腔的損耗保持不變。調(diào)節(jié)泵浦激光的功率，記錄激光的輸出情況。測量過程中3%的輸出鏡泵浦閾值為0.6W，10%輸出鏡的泵浦閾值為1.7W。輸入和輸出的關(guān)系如圖3所示?？梢钥吹?，輸出激光功率與泵浦功率有較好的線性關(guān)系。根據(jù)式（1）對輸入輸出曲線根據(jù)進(jìn)行擬合，即可得到不同輸出耦合器下的斜效率，3%輸出鏡情況下的斜效率為16%，10%輸出鏡情況下的斜效率為28%。同時可以看出，輸出耦合效率越高，斜效率越高，但是泵浦閾值也越高，因?yàn)樵诩す夤ぷ髟陂撝蹈浇鼤r，大的輸出耦合輸出效率使激光更難以起振，因此需要更高的泵浦從而提高激光的增益，克服損耗實(shí)現(xiàn)激光輸出。

采用3%OC、10%OC的斜效率，代入（5）式可解得諧振腔的損耗為L＝4.6%。而根據(jù)文獻(xiàn)[13]中的計算方法，如果取這兩個數(shù)據(jù)將得到L＝1%，差別較大。

為了對比兩種測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，又采用標(biāo)稱值T＝20%的輸出鏡，測得其泵浦閾值為2.5W；根據(jù)該方法得到的諧振腔損耗計算得到

圖3 不同輸出鏡對應(yīng)的輸入－輸出功率關(guān)系。左：T＝3%；右：T＝10%

T＝20%時的泵浦閾值為3W，而采用原方法計算得到的泵浦閾值為3.5W。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，兩種方法的結(jié)果都有誤差，但通過新方法計算的得到的泵浦閾值顯然更接近于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這是因?yàn)槲覀兝玫氖禽斎耄敵龉β手羞h(yuǎn)離閾值未達(dá)到飽和的多個數(shù)據(jù)，降低了測量的誤差。同時由于應(yīng)用了多個數(shù)據(jù)，因此只需要兩個輸出鏡即可得到準(zhǔn)確度高的結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)上更容易實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié) 論

為提高本專業(yè)學(xué)生的激光技術(shù)水平[14]，設(shè)計了簡單的激光器實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)中提出了激光諧振腔損耗測量的改進(jìn)方法，獲得了激光諧振腔的損耗，提高了損耗測量的準(zhǔn)確度。將該實(shí)驗(yàn)用于實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性非常高。通過損耗的測量，在教學(xué)有助于學(xué)生加深對激光理論的理解，促進(jìn)理論與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，學(xué)生實(shí)際受到了一次全面的工程訓(xùn)練。引導(dǎo)學(xué)生分析調(diào)節(jié)過程中的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，思考提高實(shí)驗(yàn)效果的方法，提高了其分析與解決問題的能力，促進(jìn)了創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

雖然激光器種類繁多，但其原理是相通的，學(xué)生經(jīng)過實(shí)際激光器調(diào)節(jié)訓(xùn)練，觸類旁通，能夠迅速進(jìn)入到激光的實(shí)際研究中去，對其專業(yè)學(xué)術(shù)水平和技術(shù)操作能力的提高大有裨益。

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