基于钛蓝宝石激光器的新教学实验设计

田金荣，王 丽，宋晏蓉

（北京工业大学，北京 100124）

激光是20世纪人类最重大的科技成就之一。自从1960年梅曼首次获得激光输出以来[1]，激光作为一种优势众多的先进光源获得了广泛而深入的研究与应用，并对人类生产与生活产生了深刻的影响。与之相应，国内外的众多高校开始把激光原理与激光技术作为物理学、应用物理学、光信息科学与技术、光电子技术科学等专业的基础教学内容之一，并在实验上愈加重视激光的使用。在教学方法与教学内容上，许多高校都对激光的教学进行了有益的探索[2－8]。但在实际教学中发现，虽然学生经过激光原理的学习，但对于激光器如何工作仍存在模糊的认识。虽然实验中使用很多的激光光源，但多数都是密封的，不能随意打开观察，更不用提对激光进行调节。为了弥补这一缺憾，将科研用的钛蓝宝石飞秒激光器进行了简化，设计了对激光进行调节的实验，即使学生掌握了实际激光器的调节方法，又使其明晰了激光产生原理，收到了良好的效果。在此实验基础上进一步设计了激光损耗测量的实验，提高了激光谐振腔损耗测量的精度，并可对学生的实验效果进行量化评估。

1 激光器的调节实验设计

为了能够使学生接受合适的激光调节训练，对实验室的激光器进行了考察，并最后选定钛蓝宝石飞秒振荡器作为实验对象。钛蓝宝石是目前国际上应用最为广泛的超快激光光源之一。但由于钛蓝宝石飞秒振荡器是锁模激光器，腔内光学元件较多，如果直接将此激光器交给毫无激光调节经验的学生来调节，学生很有可能要消耗过长的时间，同时也会使学生陷于细节问题而受挫。为了使学生掌握主要内容，并提高学习效率，我们将激光器进行了简化，设计了一个比较简单的激光器调节实验，实验装置如图1所示。这是一个典型的四镜腔结构，其中X为钛蓝宝石激光晶体；F为聚焦透镜，用于将泵浦光聚焦于激光晶体X上，焦距为10cm；M1与M2为对输出激光波长有高反射率的凹面镜，曲率半径10cm，在700～900nm波段的反射率大于99.98%；M3为具有对输出激光波长有高反射率的平面镜在700～900nm波段的反射率大于99.98%；OC为输出镜。泵浦光由连续输出的倍频Nd：YVO4激光器产生，输出波长532nm，最大输出功率6W。图2为实际激光装置的照片。实验过程中先对学生介绍钛蓝宝石飞秒振荡器的用途，使学生充分认识到该激光器的重要性。然后讲解简化后的实验激光器。从激光的原理出发，介绍实际激光器的三个组成部分：泵浦源、增益介质、谐振腔。然后给学生讲述激光器的组建与调节方法。由于此前学生见到的激光多为密闭的，学生并未见到过激光器的实际结构。此次学生见到真实的激光器，而且动手的积极性非常高。从实验效果上来看，学生在调节过程的同时也掌握了主要的探测设备，如光功率计、光谱仪、示波器、红外探测仪等的使用方法。

图1 激光器实验光路图

2 激光器损耗测量的实验设计

为了使同学们对激光原理的知识理解更为深入，并对实验结果进行量化评估，我们在前面激光器调节的基础上，设计了激光谐振腔损耗的测量实验。从激光原理可知，谐振腔损耗在激光的产生中扮演了重要的角色，其物理意义非常重要，因为激光振荡器的振荡条件是谐振腔的损耗[9]要小于增益，并且激光中的很多概念如振荡阈值稳态输出功率等都与损耗有关[10－11]。而在实践教学中，由于缺乏激光器组装与调试的实际实验，学生往往对其缺乏足够的直观认识，往往将损耗当成一个形式上的物理量，而不是可以实测的物理量。实际上，谐振腔的损耗完全可以在实验上测定出来，例如无源谐振腔的损耗测量可以用光腔衰荡法[12]测定，有源谐振腔可以采用如文献[13－14]曾提到的方法，即通过改变输出耦合器的反射率R测量其泵浦阈值Pth，根据R和Pth的关系确定谐振腔的损耗。对激光谐振腔的损耗测量方法进行了改进，在实验上设计了损耗测量实验，以对学生的实验结果进行量化评估。

图2 实际的激光装置

2.1 理论分析

根据激光的运行模型，激光的产生过程实是泵浦光能量向激光能量传递的过程。最终的激光输出将决定于多个过程的效率，在远低于饱和阈值的情况下，采用小信号近似，激光的功率Pout与输入的泵浦光功率Ppump具有近似线性的关系：

其中 Pth为泵浦阈值。σs为斜效率（slope efficiency），它决定于激光产生的多个过程的效率，具体表达式为[6]：

其中：R为输出耦合器的反射率；L为谐振腔损耗；ηP为泵浦效率；ηT为传输效率；ηa为吸收效率；ηu为激光上能级的转换效率；ηB为交叠效率。对于激光器来说，ηP、ηT、ηa、ηu、ηB可以看成是不随输入泵浦光功率变化的量。因此σs可以看成为谐振腔损耗L函数。采用不同输出耦合器的反射率R1，R2，可以根据激光的输出特性测量出两个斜效率σs1，σs2：

（3）式除以（4）式，可得：

R1，R2出厂时已知，σs1，σs2可以测量，根据（5）式可以解出谐振腔的损耗。将得到的损耗L代入 lnR＝2KPth-L即可预言不同输出镜下的泵浦阈值。

2.2 实验结果与分析

在调节出连续激光后通过优化透镜F，钛蓝宝石X，折叠镜M2的位置，获得了最高的激光输出功率。分别采用了不同标称值的输出镜3%、10%，对应的反射率分别为97%、90%，以计算谐振腔的损耗。在实验调节过程中，始终保持其它光学元件不变，只更换输出镜，以确保实验过程中谐振腔的损耗保持不变。调节泵浦激光的功率，记录激光的输出情况。测量过程中3%的输出镜泵浦阈值为0.6W，10%输出镜的泵浦阈值为1.7W。输入和输出的关系如图3所示。可以看到，输出激光功率与泵浦功率有较好的线性关系。根据式（1）对输入输出曲线根据进行拟合，即可得到不同输出耦合器下的斜效率，3%输出镜情况下的斜效率为16%，10%输出镜情况下的斜效率为28%。同时可以看出，输出耦合效率越高，斜效率越高，但是泵浦阈值也越高，因为在激光工作在阈值附近时，大的输出耦合输出效率使激光更难以起振，因此需要更高的泵浦从而提高激光的增益，克服损耗实现激光输出。

采用3%OC、10%OC的斜效率，代入（5）式可解得谐振腔的损耗为L＝4.6%。而根据文献[13]中的计算方法，如果取这两个数据将得到L＝1%，差别较大。

为了对比两种测量结果的准确性，又采用标称值T＝20%的输出镜，测得其泵浦阈值为2.5W；根据该方法得到的谐振腔损耗计算得到

图3 不同输出镜对应的输入－输出功率关系。左：T＝3%；右：T＝10%

T＝20%时的泵浦阈值为3W，而采用原方法计算得到的泵浦阈值为3.5W。与实验结果对比，两种方法的结果都有误差，但通过新方法计算的得到的泵浦阈值显然更接近于实验结果。这是因为我们利用的是输入－输出功率中远离阈值未达到饱和的多个数据，降低了测量的误差。同时由于应用了多个数据，因此只需要两个输出镜即可得到准确度高的结果，在实验上更容易实现。

3 结 论

为提高本专业学生的激光技术水平[14]，设计了简单的激光器实验，并在实验中提出了激光谐振腔损耗测量的改进方法，获得了激光谐振腔的损耗，提高了损耗测量的准确度。将该实验用于实际教学中，学生实验的积极性非常高。通过损耗的测量，在教学有助于学生加深对激光理论的理解，促进理论与实验的结合，学生实际受到了一次全面的工程训练。引导学生分析调节过程中的经验与教训，思考提高实验效果的方法，提高了其分析与解决问题的能力，促进了创新意识的培养。

虽然激光器种类繁多，但其原理是相通的，学生经过实际激光器调节训练，触类旁通，能够迅速进入到激光的实际研究中去，对其专业学术水平和技术操作能力的提高大有裨益。

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