物理实验教程—近代物理实径mO 际实验测量，选择合理方法处理实验数据，分析与讨论实验结果。 【注意事项】 (1)拆装液体槽、补充或更换液体时，应关闭超声光栅声速仪，同时不要接触液体槽 通光面，以免污染而影响测量。 (2)实验中要避免振动，因为振动会破坏超声光栅，造成测量失败。 (3)实验时间不宜过长，因为时间过长不仅会因液体温度升高降低测量准确度，而且 会使振荡线路过热，损坏仪器。 (④)实验结柬后必须将液体倒出，并将PZT晶体表面和液体槽擦干。 (5)本装置的PZT晶体直接插入液体中，因此不能测量电解质溶液。 【思考与讨论】 (1)实验时可以发现，调节颜率可使衍射条纹很清楚，但过一会就模糊或消失，试分 析其原因。 (2)由驻波理论可知，相邻波腹间的距离和相邻波节间的距离都等于半波长，那么为 什么超声光栅的光栅常数等于超声波波长？ (3)光学平面光栅和超声光栅有何异同？ (4)实验中能否用逐差法处理数据？如果能，从测量角度看应该怎样做？ 【参考文献】 [1]袁易全.近代超声学原理及应用.南京：南京大学出版杜，1996. [2]杜功焕，来哲民，粪秀芬.声学基础.南京：南京大学出版社，2012. [3] 姚启钧.光学教程.北京：高等教育出版社，2008. [4]俞宽新，丁晓红，庞光广，声光原理与声光器件，北京：科学出版社，2011， [5]刘雪凌，唐志列，阮立锋.超声光的光栅常数理论研究.大学物理，2013,32(5) 24-26. [6]王锁明，侯彬，朱二旷，等.基于超声光栅行射的液体密度测试.物理实验，2013， 33(4):41-43. []丁冠阳，唐军杰，王爱军，超声光栅测声速实验方法的探索，大学物理实验，2014， 27(6):64-66. 实验1-4脉冲固体激光器基本特性参数测量 激光(laser,light amplification by stimulated emission of radiation)是20世纪60年 代的伟大发明。激光的诞生开启了近代光学的大门，使整个光学领域的面貌焕然一新。 激光作为一种新型光源，具有方向性强、单色性好以及亮度高等突出特点。这些特点使激 光的应用特别广泛，从物理、化学到天文、地理，从生物、医学到无线电、计算机，从农业到 —18
— １８ — 际实验测量,选择合理方法处理实验数据,分析与讨论实验结果. 【注意事项】 (１)拆装液体槽、补充或更换液体时,应关闭超声光栅声速仪,同时不要接触液体槽 通光面,以免污染而影响测量. (２)实验中要避免振动,因为振动会破坏超声光栅,造成测量失败. (３)实验时间不宜过长,因为时间过长不仅会因液体温度升高降低测量准确度,而且 会使振荡线路过热,损坏仪器. (４)实验结束后必须将液体倒出,并将 PZT 晶体表面和液体槽擦干. (５)本装置的 PZT 晶体直接插入液体中,因此不能测量电解质溶液. 【思考与讨论】 (１)实验时可以发现,调节频率可使衍射条纹很清楚,但过一会就模糊或消失,试分 析其原因. (２)由驻波理论可知,相邻波腹间的距离和相邻波节间的距离都等于半波长,那么为 什么超声光栅的光栅常数等于超声波波长? (３)光学平面光栅和超声光栅有何异同? (４)实验中能否用逐差法处理数据? 如果能,从测量角度看应该怎样做? 【参考文献】 [１] 袁易全．近代超声学原理及应用．南京:南京大学出版社,１９９６． [２] 杜功焕,朱哲民,龚秀芬．声学基础．南京:南京大学出版社,２０１２． [３] 姚启钧．光学教程．北京:高等教育出版社,２００８． [４] 俞宽新,丁晓红,庞兆广．声光原理与声光器件．北京:科学出版社,２０１１． [５] 刘雪凌,唐志列,阮立锋．超声光栅的光栅常数理论研究．大学物理,２０１３,３２(５): ２４Ｇ２６． [６] 王锁明,侯彬,朱二旷,等．基于超声光栅衍射的液体密度测试．物理实验,２０１３, ３３(４):４１Ｇ４３． [７] 丁冠阳,唐军杰,王爱军．超声光栅测声速实验方法的探索．大学物理实验,２０１４, ２７(６):６４Ｇ６６． 实验１Ｇ４ 脉冲固体激光器基本特性参数测量 激光(laser,lightamplificationbystimulatedemissionofradiation)是２０世纪６０年 代的伟大发明.激光的诞生开启了近代光学的大门,使整个光学领域的面貌焕然一新. 激光作为一种新型光源,具有方向性强、单色性好以及亮度高等突出特点.这些特点使激 光的应用特别广泛,从物理、化学到天文、地理,从生物、医学到无线电、计算机,从农业到
0 光学测量技术实验第1章 工业，从机械加工到国防科技等各个方面，激光都发挥若越来越巨大的作用，并在许多领 域引起了革命性的突破。在诺贝尔物理学奖中以激光为获奖名称和内容的就有5次 1964年，美国查尔斯·汤斯(Charles H.Townes)?、苏联尼科菜·巴崇夫(Nikolai G. Basov)和亚历山大·普罗霍罗夫(Alexander M.Prokhorov)因激光器的理论研究和实验 制作获得了诺贝尔物理学奖：l981年，美国阿瑟·肖洛(Arthur L.Schawlow)和美籍荷兰 人尼古拉斯·布洛姆伯根(Nicolaas Bloembergn)因在激光及激光光谱学方面研究的杰出 成就被授予诺贝尔物理学奖，l997年，美籍华人朱棣文(Stephen Chu)、美国威廉·菲利 普斯(William D.Phillips)和法国克洛德·科恩-塔努基(Claude Cohen Tannoudji)因发明 用激光冷却技术俘获原子的方法而获得了诺贝尔物理学奖：2000年，俄罗斯泽罗斯·阿 尔弗洛夫(Zhores.I.Alferov))、美国赫伯特·克罗默(Herbert Kroemer)和杰克·基尔比 (Ja©kS.Kilby)因发明高速晶体管，激光二极管和集成电路被授予诺贝尔物理学奖，2014 年，日木赤崎勇(Isamu Akasaki)、天野浩(Hiroshi amano)和美籍日本人中村修二(Shui Nakamura)因发明蓝色激光二极管而获得了诺贝尔物理学奖。 激光器(laser,laser device)是能发射激光的装置。按工作物质物态的不同，激光器可 分为五大类：固体激光器(solid-state laser)、气体激光器(gas laser)、液体激光器(iqui laser),半导体激光器(semiconductor laser)和自由电子微光器(free-electron laser)。除 自由电子激光器外，其他各种激光器的基本工作原理均相同，即通过受激发射放大原理产 生一种相干光辐射。1960年5月，33岁的美国青年科学家梅曼(T.H.Maiman)制成了 世界上第一台真正的激光器 -红宝石固体激光器。1961年9月，邓锡铭等科学家自行 研制的中国第一台激光器间世。 固体激光器是指以某此品体成特种玻璃为工作物质的激光器，耳有输出能量大，峰值 功率高、器件结构紧凑等优点。目前，世界上发现的能产生激光的固体物质有几十种，但 应用比较成熟的只有亿铝石榴石(YAG:Nd+)、红宝石(Al,O,:Cr+)、敏玻璃等。固体 激光器有连续和脉冲两种工作方式。连续激光器(continuous laser)能长时间持续输出 定的激光，功率从几毫瓦到几百瓦：脉冲激光器(pulse laser)又可分为单脉冲激光器及重 复频率激光器，输出激光持续时间为毫秒级，功率为千瓦级。固体激光器的应用很广泛， 在工业上用来打钟表钻石和喷丝头上的微孔、切割和焊接难熔金属：在科学研究上常用作 强光源以实现动态全息摄影：在医疗上常用来消除肿瘤以及用作手术激光刀等。以固体 激光器为核心的激光测距仪和激光雷达广泛用于测量和国防上。大能量的激光器还可以 用来引发核聚变探索受控热核反应等。 随着激光技术的飞速发展和广泛应用，了解激光产生的基本原理以及激光器的基本 结构和工作原理，掌握激光基本特性的测量方法与技术，学会正确使用激光器，这对于专 业学习、实验研究和生产应用等都是非常必要的。本实验重点学习固体激光器调整及其 基本特性测量的实验方法和实验技术。 【实验目的】 (1)了解激光的基本物理原理，掌握脉冲固体激光器的工作原理和调试技术。 (2)学会调整激光器光学谐振腔的基本方法与技术。 (3)掌握测量脉冲固体激光器输出特性的基本原理，学会测量能量阈值、斜效率和发 19
— １９ — 工业,从机械加工到国防科技等各个方面,激光都发挥着越来越巨大的作用,并在许多领 域引起了革命性的突破.在诺贝尔物理学奖中以激光为获奖名称和内容的就有５次. １９６４年,美 国 查 尔 斯 汤 斯 (Charles H．Townes)、苏 联 尼 科 菜 巴 索 夫 (NikolaiG． Basov)和亚历山大普罗霍罗夫(AlexanderM．Prokhorov)因激光器的理论研究和实验 制作获得了诺贝尔物理学奖;１９８１年,美国阿瑟肖洛(ArthurL．Schawlow)和美籍荷兰 人尼古拉斯布洛姆伯根(NicolaasBloembergn)因在激光及激光光谱学方面研究的杰出 成就被授予诺贝尔物理学奖;１９９７年,美籍华人朱棣文(StephenChu)、美国威廉菲利 普斯(William D．Phillips)和法国克洛德科恩Ｇ塔努基(ClaudeCohenTannoudji)因发明 用激光冷却技术俘获原子的方法而获得了诺贝尔物理学奖;２０００年,俄罗斯泽罗斯阿 尔弗洛夫(ZhoresI．Alferov)、美国赫伯特克罗默(HerbertKroemer)和杰克基尔比 (JackS．Kilby)因发明高速晶体管、激光二极管和集成电路被授予诺贝尔物理学奖;２０１４ 年,日本赤崎勇(IsamuAkasaki)、天野浩(HiroshiAmano)和美籍日本人中村修二(Shuji Nakamura)因发明蓝色激光二极管而获得了诺贝尔物理学奖. 激光器(laser,laserdevice)是能发射激光的装置.按工作物质物态的不同,激光器可 分为五大类:固体激光器(solidＧstatelaser)、气体激光器(gaslaser)、液体激光器(liquid laser)、半导体激光器(semiconductorlaser)和自由电子激光器(freeＧelectronlaser).除 自由电子激光器外,其他各种激光器的基本工作原理均相同,即通过受激发射放大原理产 生一种相干光辐射.１９６０年５月,３３岁的美国青年科学家梅曼(T．H．Maiman)制成了 世界上第一台真正的激光器———红宝石固体激光器.１９６１ 年９ 月,邓锡铭等科学家自行 研制的中国第一台激光器问世. 固体激光器是指以某些晶体或特种玻璃为工作物质的激光器,具有输出能量大、峰值 功率高、器件结构紧凑等优点.目前,世界上发现的能产生激光的固体物质有几十种,但 应用比较成熟的只有钇铝石榴石(YAG:Nd３＋ )、红宝石(Al２O３:Cr３＋ )、钕玻璃等.固体 激光器有连续和脉冲两种工作方式.连续激光器(continuouslaser)能长时间持续输出稳 定的激光,功率从几毫瓦到几百瓦;脉冲激光器(pulselaser)又可分为单脉冲激光器及重 复频率激光器,输出激光持续时间为毫秒级,功率为千瓦级.固体激光器的应用很广泛, 在工业上用来打钟表钻石和喷丝头上的微孔、切割和焊接难熔金属;在科学研究上常用作 强光源以实现动态全息摄影;在医疗上常用来消除肿瘤以及用作手术激光刀等.以固体 激光器为核心的激光测距仪和激光雷达广泛用于测量和国防上.大能量的激光器还可以 用来引发核聚变、探索受控热核反应等. 随着激光技术的飞速发展和广泛应用,了解激光产生的基本原理以及激光器的基本 结构和工作原理,掌握激光基本特性的测量方法与技术,学会正确使用激光器,这对于专 业学习、实验研究和生产应用等都是非常必要的.本实验重点学习固体激光器调整及其 基本特性测量的实验方法和实验技术. 【实验目的】 (１)了解激光的基本物理原理,掌握脉冲固体激光器的工作原理和调试技术. (２)学会调整激光器光学谐振腔的基本方法与技术. (３)掌握测量脉冲固体激光器输出特性的基本原理,学会测量能量阈值、斜效率和发
物理实验教程一近代物理实径nan4 散角等基本特性参数。 【预习要求】 (1)光和原子体系相互作用的三个基本过程是什么？ (2)产生激光的必要条件是什么？ (3)光学谐振腔的作用是什么？ (4)YAG脉冲固体激光器的工作原理是什么？ (5)什么是绝对效率和斜效率？如何测量？ (6)如何测量激光的平面发散角？ 【实验原理】 一、激光的物理原理 1.光的自发辐射、受激吸收和受激辐射 1917年，爱因斯坦(A.Einstein)在推导普朗克公式的过程中提出了自发辐射和受激 辐射的概念，把光和物质的相互作用归结为三个基本过程一自发辐射(spontaneous e- mission),受激吸收(stimulated absorption)和受激辐射(stimulated emission),建立了光 和物质相互作用的新摸型。爱因斯坦从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性，为激 光器的发明奠定了理论基础 图1-4-1是光和原子体系相互作用的三个基本过程示意图。自发辐射：处于高能级 E:上的一个原子白发地向低能级E,跃迁，并发射一个能量为v的光子。这种跃迁产生 的光子具有随机的相位，振动方向各异。受激吸收：处于低能级E:上的一个原子在频率 为y的辐射场的作用下，吸收，个能量为h的光子向高能级E,跃迁。受激辐射：处于高 能级E,上的原子在频率为的辐射场的作用下，跃迁至低能级E,并辐射一个能量为h: 的光子。由于受激辐射是在辆射场控制下的发光过程，因而受激辐射具有和辐射场相同 的相位、频率和传播方向。 .E. -E F-lv n W-hr E E E (a)白发辐射 b)受激吸收 (⊙受微辐射 图1-4-1 光和原子体系相互作用的三个基本过程 2实现微光的条件 (1)粒子数反转。 在物质处于热平衡状态时，各能级上的粒子数服从玻耳兹曼统计分布，有： (1-4-1) n 式中，1和2分别为低能级和高能级上的粒子数：k。为玻耳兹曼常数。因为E:>E1,所 以：<。在常温热平衡状态下，几乎全部原子都处于低能级，因而处于热平衡状态下 —20
— ２０ — 散角等基本特性参数. 【预习要求】 (１)光和原子体系相互作用的三个基本过程是什么? (２)产生激光的必要条件是什么? (３)光学谐振腔的作用是什么? (４)YAG 脉冲固体激光器的工作原理是什么? (５)什么是绝对效率和斜效率? 如何测量? (６)如何测量激光的平面发散角? 【实验原理】 一、激光的物理原理 １．光的自发辐射、受激吸收和受激辐射 １９１７年,爱因斯坦(A．Einstein)在推导普朗克公式的过程中提出了自发辐射和受激 辐射的概念,把光和物质的相互作用归结为三个基本过程———自发辐射(spontaneouseＧ mission)、受激吸收(stimulatedabsorption)和受激辐射(stimulatedemission),建立了光 和物质相互作用的新模型.爱因斯坦从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性,为激 光器的发明奠定了理论基础. 图１Ｇ４Ｇ１是光和原子体系相互作用的三个基本过程示意图.自发辐射:处于高能级 E２上的一个原子自发地向低能级E１跃迁,并发射一个能量为hν 的光子.这种跃迁产生 的光子具有随机的相位,振动方向各异.受激吸收:处于低能级E１上的一个原子在频率 为ν的辐射场的作用下,吸收一个能量为hν的光子向高能级E２跃迁.受激辐射:处于高 能级E２上的原子在频率为ν的辐射场的作用下,跃迁至低能级E１并辐射一个能量为hν 的光子.由于受激辐射是在辐射场控制下的发光过程,因而受激辐射具有和辐射场相同 的相位、频率和传播方向. 图１Ｇ４Ｇ１ 光和原子体系相互作用的三个基本过程 ２．实现激光的条件 (１)粒子数反转. 在物质处于热平衡状态时,各能级上的粒子数服从玻耳兹曼统计分布,有: n２ n１ ＝e－ (E２－E１ ) kBT (１Ｇ４Ｇ１) 式中,n１和n２分别为低能级和高能级上的粒子数;kB 为玻耳兹曼常数.因为E２＞E１,所 以n２＜n１.在常温热平衡状态下,几乎全部原子都处于低能级,因而处于热平衡状态下
光学测量技术实验第1章 的物质只能吸收光子发生受激吸收和自发辐射，不能发生受激辐射 为了使受激辐射比受激吸收占优势，实现光放大，原子体系必须是非热平衡体系，这 种体系按能级的分布不再遵从玻耳兹曼分布，高能级上的粒子数要高于低能级上的粒子 数，也就是使，>，这称为粒子数反转。实现粒子数反转是产生激光的一个重要条件， 要实现粒子数反转，必须有足够强的外界激励能源把低能级上的粒子有选择性地源源不 断地激励到高能级。激励的方法有很多种，如电激励、光激励、热激励和化学激励等。各 种激励方式统称为泵浦或抽运(pumping)。 有了激励能源之后，并不是任何介质或任意两能级间都能实现粒子数反转，工作介质 的能级结构和能级寿命对于实现粒子数反转十分重要。粒子激发到高能级后会自发跃迁 到低能级，它们停留在高能级的平均时间，即该能级上的粒子数减少到初始时刻1/时所 经历的时间称为粒子在该能级的平均寿命。各种原子在各个能级的平均寿命是不相同 的，一般激发态能级寿命为10~s量级，但也有一些能级寿命能达到103s甚至1s,这些 寿命长的能级称为亚稳态。在亚稳态上可以积累大量的粒子，即在亚稳态上可以实现粒 子数反转。在外界能量的作用下，某两个能级之间实现了粒子数反转的介质称为激活介 质（工作物质）。激活介质可以使某个特定频案的光得到放大。总之，要实现粒子数反转 工作物质中必须存在亚稳态，而且外界必须有激励能源供给能量。 (2)光学谐振腔和园值条件。 有了合适的工作物质和激励能源后可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度 很弱，无法实际应用，因此必须利用光学谐振腔进行光放大。在激光器两端放置两个有足 够大反射率的反射镜即构成了光学谐振腔，其中一个是全反射镜，另一个是部分反射镜。 部分反射镜可使激光部分输出，称为输出镜。光学谐振腔的结构如图1-42所示，光学谐 振腔内放置工作介质。 反射镜（反射率100%） 反射镜（部分透射】 图14-2光学谐振整和工作介质 有了光学谐振整，也不一定能输出激光，这是因为光在光学谐振腔内来回反射的时吾 中，一方面激活介质，使受激辐射持续发生，光得到增益，使光强变大：另一方面光在镜面 上的反射、透射和衍射等会产生光能损耗，使光强变小。增益必须大于损耗，这样光在光 学谐振腔内来回反射时其光强才能不断增大，最后才有稳定的激光输出。光在光学谐振 腔内来回一次在激活介质中所获得的增益足以补充由各种因素所导致的光损耗的临界条 件称为阀值条件。产生激光的阀值条件为： R,Rze2a≥1 (1-4-2) 式中，R,和R:是光学谐振腔两端反射镜的光强反射率，包括反射镜的吸收、透射和衍射 损失；l是激活介质的长度：G是激活介质的增益系数。 -21-
— ２１ — 的物质只能吸收光子发生受激吸收和自发辐射,不能发生受激辐射. 为了使受激辐射比受激吸收占优势,实现光放大,原子体系必须是非热平衡体系,这 种体系按能级的分布不再遵从玻耳兹曼分布,高能级上的粒子数要高于低能级上的粒子 数,也就是使n２＞n１,这称为粒子数反转.实现粒子数反转是产生激光的一个重要条件. 要实现粒子数反转,必须有足够强的外界激励能源把低能级上的粒子有选择性地源源不 断地激励到高能级.激励的方法有很多种,如电激励、光激励、热激励和化学激励等.各 种激励方式统称为泵浦或抽运(pumping). 有了激励能源之后,并不是任何介质或任意两能级间都能实现粒子数反转,工作介质 的能级结构和能级寿命对于实现粒子数反转十分重要.粒子激发到高能级后会自发跃迁 到低能级,它们停留在高能级的平均时间,即该能级上的粒子数减少到初始时刻１/e时所 经历的时间称为粒子在该能级的平均寿命.各种原子在各个能级的平均寿命是不相同 的,一般激发态能级寿命为１０－８s量级,但也有一些能级寿命能达到１０－３s甚至１s,这些 寿命长的能级称为亚稳态.在亚稳态上可以积累大量的粒子,即在亚稳态上可以实现粒 子数反转.在外界能量的作用下,某两个能级之间实现了粒子数反转的介质称为激活介 质(工作物质).激活介质可以使某个特定频率的光得到放大.总之,要实现粒子数反转, 工作物质中必须存在亚稳态,而且外界必须有激励能源供给能量. (２)光学谐振腔和阈值条件. 有了合适的工作物质和激励能源后可实现粒子数反转,但这样产生的受激辐射强度 很弱,无法实际应用,因此必须利用光学谐振腔进行光放大.在激光器两端放置两个有足 够大反射率的反射镜即构成了光学谐振腔,其中一个是全反射镜,另一个是部分反射镜. 部分反射镜可使激光部分输出,称为输出镜.光学谐振腔的结构如图１Ｇ４Ｇ２所示,光学谐 振腔内放置工作介质. 图１Ｇ４Ｇ２ 光学谐振腔和工作介质 有了光学谐振腔,也不一定能输出激光,这是因为光在光学谐振腔内来回反射的过程 中,一方面激活介质,使受激辐射持续发生,光得到增益,使光强变大;另一方面光在镜面 上的反射、透射和衍射等会产生光能损耗,使光强变小.增益必须大于损耗,这样光在光 学谐振腔内来回反射时其光强才能不断增大,最后才有稳定的激光输出.光在光学谐振 腔内来回一次在激活介质中所获得的增益足以补充由各种因素所导致的光损耗的临界条 件称为阈值条件.产生激光的阈值条件为: R１R２e２Gl ≥１ (１Ｇ４Ｇ２) 式中,R１ 和R２ 是光学谐振腔两端反射镜的光强反射率,包括反射镜的吸收、透射和衍射 损失;l是激活介质的长度;G 是激活介质的增益系数
物理实验教程一近代物理实检. 1 dI,(z) G(v)=I.(dz (1-4-3) 式中，】(~)为单伍光在激活介质中传播到文占外的光强。增普系数G是缅率为y的单 色光在激活介质中传播单位距离所增加的光强的百分比。满足式(1-4-2)的最小增益称 为阀值增益G。,即有： R1Re2a=】 (1-4-4) 因此阈值增益G.为： G.()-7ln(RR:） (1-4-5) 光学谐振腔除使受激辐射光放大外，还起到了方向选择和频率选择作用，只有光在垂 直腔镜的多次反射下才能输出激光，所以激光的方向性好、频率范围窄，是非常好的单 色光。 综上所述，形成激光的必要条件有两个：一个是激光器工作物质内的某些能级间能够 实现粒子数反转；另一个就是激光器必须满足阀值条件。 二、固体激光器的基本结构和工作原理 实验所用Nd.YAG脉种固体激光器的结构如图1-4-3所示，由工作物质、泵浦系统和 光学谐振腔等几部分组成。 光学谐振腔 工作物质 触发器 储能电容 直流电源 图1-4-3Nd:YAG脉冲固体激光器结构示意图 激光器的泵浦系统由聚光腔、脉冲氙灯及其供电系统、触发器组成。脉冲氙灯是在石 英管内充有一定压力的氙气，工作于弧光放电状态的一种光源。工作时，与电极两端连接 的储能电容上充有直流高压，当以上万伏的高压脉冲触发时，灯管内的气体被击穿，形成 弧光放电，氙灯发出强烈的闪光，此光激活工作物质。随若放电过程的进行，储能电容储 存的能量越来越小，直至放电熄灭 YAG脉冲固体激光器采用掺钕钇铝石榴石(YAG基质中掺入约1%的激活离子 八+)作为工作物质，具有四能级系统，其简化能级图如图1-4-4所示。当氙灯发出的光 照射到工作物质上时，处于基态的粒子向高能级跃迁，比如跃迁到4F能级上。在此能 级上的粒子寿命较长，故称为亚稳态。由于激励系统的不断系浦，泵浦到一定程度时，激 发到高能级上的粒子数比在它下面的能级上的粒子数还多，实现了粒子数反转。当亚稳 22
— ２２ — G(ν)＝ １ Iν(z) dIν(z) dz (１Ｇ４Ｇ３) 式中,Iν(z)为单色光在激活介质中传播到z 点处的光强.增益系数G 是频率为ν 的单 色光在激活介质中传播单位距离所增加的光强的百分比.满足式(１Ｇ４Ｇ２)的最小增益称 为阈值增益Gm ,即有: R１R２e２Gl ＝１ (１Ｇ４Ｇ４) 因此阈值增益Gm 为: Gm(ν)＝－ １ ２l ln(R１R２) (１Ｇ４Ｇ５) 光学谐振腔除使受激辐射光放大外,还起到了方向选择和频率选择作用,只有光在垂 直腔镜的多次反射下才能输出激光,所以激光的方向性好、频率范围窄,是非常好的单 色光. 综上所述,形成激光的必要条件有两个:一个是激光器工作物质内的某些能级间能够 实现粒子数反转;另一个就是激光器必须满足阈值条件. 二、固体激光器的基本结构和工作原理 实验所用 Nd:YAG 脉冲固体激光器的结构如图１Ｇ４Ｇ３所示,由工作物质、泵浦系统和 光学谐振腔等几部分组成. 图１Ｇ４Ｇ３ Nd:YAG脉冲固体激光器结构示意图 激光器的泵浦系统由聚光腔、脉冲氙灯及其供电系统、触发器组成.脉冲氙灯是在石 英管内充有一定压力的氙气,工作于弧光放电状态的一种光源.工作时,与电极两端连接 的储能电容上充有直流高压,当以上万伏的高压脉冲触发时,灯管内的气体被击穿,形成 弧光放电,氙灯发出强烈的闪光,此光激活工作物质.随着放电过程的进行,储能电容储 存的能量越来越小,直至放电熄灭. YAG 脉冲固体激光器采用掺钕钇铝石榴石(YAG 基质中掺入约 １％ 的激活离子 Nd３＋ )作为工作物质,具有四能级系统,其简化能级图如图１Ｇ４Ｇ４所示.当氙灯发出的光 照射到工作物质上时,处于基态的粒子向高能级跃迁,比如跃迁到４F３/２能级上.在此能 级上的粒子寿命较长,故称为亚稳态.由于激励系统的不断泵浦,泵浦到一定程度时,激 发到高能级上的粒子数比在它下面的能级上的粒子数还多,实现了粒子数反转.当亚稳