佛山科学技术学院

实 验 报 告

专业班级 13光源与照明1班 姓名 冯远博 学 号 2013244101 指导教师 谢嘉宁 成绩 日 期 2015 年6月12日

课程名称 光电信息与技术实验 实验项目 半导体泵浦固体激光器综合实验

一、实验目的 １．掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法； ２．了解固体激光器倍频的基本原理； ３．掌握固体激光器被动调Q的工作原理，进行调Q脉冲的测量。（选做） 二、实验原理 １．半导体激光泵浦固体激光器工作原理： 上世纪80年代起，生长半导体激光器（LD）技术得到了蓬勃发展，使得LD的功率和效率有了极大的提高，也极大地促进了DPSL技术的发展。与闪光灯泵浦的固体激光器相比，DPSL的效率大大提高，体积大大减小。在使用中，由于泵浦源LD的光束发散角较大，为使其聚焦在增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换（耦合）。泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种，其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹配好等优点。侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器。本实验采用端面泵浦方式。端面泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两种方式。 直接耦合：将半导体激光器的发光面紧贴增益介质，使泵浦光束在尚未发散开之前便被增益介质吸收，泵浦源和增益介质之间无光学系统，这种耦合方式称为直接耦合方式。直接耦合方式结构紧凑，但是在实际应用中较难实现，并且容易对LD造成损伤。 间接耦合：指先将LD输出的光束进行准直、整形，再进行端面泵浦。常见的方法有： 组合透镜系统聚光：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合。 自聚焦透镜耦合：由自聚焦透镜取代组合透镜进行耦合，优点是结构简单，准直光斑的大小取决于自聚焦透镜的数值孔径。 光纤耦合：指用带尾纤输出的LD进行泵浦耦合。优点是结构灵活。 本实验先用光纤柱透镜对半导体激光器进行快轴准直，压缩发散角，然后采用组合透镜 对泵浦光束进行整形变换，各透镜表面均镀对泵浦光的增透膜，耦合效率高。本实验的压缩和耦合LD激光晶体1.LD组合透镜2. 激光晶体如图 2所示。LD自聚焦透镜激光晶体3. LD光纤4. 激光晶体图 1半导体激光 4.光纤耦合 泵浦固体激光器的常用耦合方式1.直接耦合 2.组合透镜耦合 3.自聚焦透镜耦合 快轴准直光纤微透镜电源TEC和LD散热片耦合系统Nd:YAG 图 2 本实验LD光束快轴压缩耦合泵浦简图 ２．激光晶体 图 3 Nd:YAG晶体中Nd吸收光谱图 3+激光晶体是影响DPL激光器性能的重要器件。为了获得高效率的激光输出，在一定运转方式下选择合适的激光晶体是非常重要的。目前已经有上百种晶体作为增益介质实现了连续波和脉冲激光运转，以钕离子（Nd3+）作为激活粒子的钕激光器是使用最广泛的激光器。其中，以Nd3+离子部分取代Y3Al5O12晶体中Y3+离子的掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG），由于具有量子效率高、受激辐射截面大、光学质量好、热导率高、容易生长等的优点，成为目前应用最广泛的LD泵浦的理想激光晶体之一。Nd:YAG晶体的吸收光谱如图 3所示。 从Nd:YAG的吸收光谱图我们可以看出，Nd:YAG在807.5nm处有一强吸收峰。我们如果选择波长与之匹配的LD作为泵浦源，就可获得高的输出功率和泵浦效率，这时我们称实现了光谱匹配。但是，LD的输出激光波长受温度的影响，温度变化时，输出激光波长会产生漂移，输出功率也会发生变化。因此，为了获得稳定的波长，需采用具备精确控温的LD电源，并把LD的温度设置好，使LD工作时的波长与Nd:YAG的吸收峰匹配。 另外，在实际的激光器设计中，除了吸收波长和出射波长外，选择激光晶体时还需要考虑掺杂浓度、上能级寿命、热导率、发射截面、吸收截面、吸收带宽等多种因素。 ３．端面泵浦固体激光器的模式匹配技术 图 4是典型的平凹腔型结构图。激光晶体的一面镀泵浦光增透和输出激光全反膜，并作为输入镜，镀输出激光一定透过率的凹面镜作为输出镜。这种平凹腔容易形成稳定的输出模，同时具有高的光光转换效率，但在设计时必须考虑到模式匹配问题。 w0泵浦光激光晶体fLR激光输出输出镜 图 4 端面泵浦的激光谐振腔形式 如图 4所示，则平凹腔中的g参数表示为： g1?1?LL?1, g2?1? R2R1根据腔的稳定性条件，0?g1g2?1时腔为稳定腔。故当时腔稳定。 同时容易算出其束腰位置在晶体的输入平面上，该处的光斑尺寸为： w0??L(R2?L)??12? 本实验中，R1为平面，R2=200mm，L=80mm。由此可以算出w0大小。 所以，泵浦光在激光晶体输入面上的光斑半径应该?w0，这样可使泵浦光与基模振荡模式匹配，在容易获得基模输出。 ５．半导体激光泵浦固体激光器的被动调Q技术（选做） 目前常用的调Q方法有电光调Q、声光调Q和被动式可饱和吸收调Q。本实验采用的Cr4+:YAG是可饱和吸收调Q的一种，它结构简单，使用方便，无电磁干扰，可获得峰值功率大、脉宽小的巨脉冲。 Cr4+:YAG被动调Q的工作原理是：当Cr4+:YAG被放置在激光谐振腔内时，它的透过率会随着腔内的光强而改变。在激光振荡的初始阶段，Cr4+:YAG的透过率较低（初始透过率），随着泵浦作用增益介质的反转粒子数不断增加，当谐振腔增益等于谐振腔损耗时，反转粒子数达到最大值，此时可饱和吸收体的透过率仍为初始值。随着泵浦的进一步作用，腔内光子数不断增加，可饱和吸收体的透过率也逐渐变大，并最终达到饱和。此时，Cr4+:YAG的透过率突然增大，光子数密度迅速增加，激光振荡形成。腔内光子数密度达到最大值时，激光为最大输出，此后，由于反转粒子的减少，光子数密度也开始减低，则可饱和吸收体Cr4+:YAG的透过率也开始减低。当光子数密度降到初始值时，Cr4+:YAG的透过率也恢复到初始值，调Q脉冲结束。 ６．半导体激光泵浦固体激光器的倍频技术 光波电磁场与非磁性透明电介质相互作用时，光波电场会出现极化现象。当强光激光产生后，由此产生的介质极化已不再是与场强呈线性关系，而是明显的表现出二次及更高次的非线性效应。倍频现象就是二次非线性效应的一种特例。本实验中的倍频就是通过倍频晶体实现对Nd:YAG输出的1064nm红外激光倍频成532nm绿光。 常用的倍频晶体有KTP、KDP、LBO、BBO和LN等。其中，KTP晶体在1064nm光附近有高的有效非线性系数，导热性良好，非常适合用于YAG激光的倍频。KTP晶体属于负双轴晶体，对它的相位匹配及有效非线性系数的计算，已有大量的理论研究，通过KTP的色散方程，人们计算出其最佳相位匹配角为：?=90°，??????°，对应的有效非线性系数deff=7.36×10-12V/m。 倍频技术通常有腔内倍频和腔外倍频两种。腔内倍频是指将倍频晶体放置在激光谐振腔之内，由于腔内具有较高的功率密度，因此较适合于连续运转的固体激光器。腔外倍频方式指将倍频晶体放置在激光谐振腔之外的倍频技术，较适合于脉冲运转的固体激光器。 三、实验内容及步骤 １．LD安装及系统准直 将LD电源接通。通过上转换片观察LD出射光近场和远场的光斑。测量LD经快轴压缩后的阈值电流和输出特性曲线。 将耦合系统、激光晶体、输出镜、Q开关、准直器等各元器件安装在调整架和滑块上； 将准直器安装在导轨上，利用直尺将其调整成光束水平出射，中心高度50mm，水平并且水平入射在激光晶体中心位置； 通过调整架旋钮微调耦合系统的倾斜和俯仰，使晶体反射光位于准直器中心，并且准直光通过晶体后仍垂直进入LD； 通过调整架旋钮微调Nd:YAG晶体的倾斜和俯仰，重复上一步的调节步骤。 在准直器前安装T1输出镜，调整旋钮使输出镜的反射光点位于准直器中心。 ２．半导体泵浦固体激光器实验 实验装置图 ≈20mm≈15mm≈80mm电源TEC和LD散热片耦合系统Nd:YAG输出镜探测器准直器 图 5 半导体泵浦固体激光器实验装置图 在准直器前安装T1输出镜，调整旋钮使输出镜的反射光点位于准直器中心。根据实验装置图设置其与晶体之间的距离。打开LD电源，缓慢调节工作电流到1.3A。微调输出镜倾斜和俯仰使系统出光，然后微调激光晶体、耦合系统，使激光输出得到最大值； 将LD电流调到最小，然后从小到大渐渐增大LD电流，从激光阈值电流开始，每格0.2A测量一组固体激光器系统输出功率。结合LD的功率-电流关系，在实验报告上绘出激光输出功率-泵浦功率曲线； 1． 更换为T2输出耦合镜，重复3.b、3.c的步骤，测试不同LD电流下的激光输出功率； 2． 根据实验数据和曲线，计算两种耦合输出下的激光斜效率和光光转换效率，并作简要分析。 ３．半导体泵浦固体激光器调Q实验 实验装置图 ≈20mm≈15mm≈80mm 示波器示波器电源TEC和LD散热片耦合系统Nd:YAGCr4+:YAG输出镜探测器准直器 图 6调Q实验装置图 安装Cr4+:YAG晶体，在准直器前准直后放入谐振腔内。LD电流调到1.7A，观察输出的平均功率，微调调整架，使激光输出平均功率最大； 降低LD电流到零。然后从小到大缓慢增加，测量1.7A、2.0A、2.3A时输出脉冲的平均功率； 安装探测器，取三个不同的LD工作电流（1.7A、2.0A、2.3A），分别测量输出脉冲的脉宽、重频；计算不同功率下的峰值功率，对不同功率下的输出脉冲进行对比，并作简要分析。 ４．半导体泵浦固体激光器倍频实验 实验装置图 ≈20mm≈15mm≈80mm电源TEC和LD散热片耦合系统Nd:YAGKTP输出镜准直器 图 7 倍频实验装置图 将输出镜换为短波通输出镜，微调调整架使其反射光点在准直器中心。打开LD电源，取工作电流1.7A，微调输出镜、激光晶体、耦合系统的旋钮，使输出激光功率最大； 安装KTP晶体（或LBO），在准直器前准直后放入谐振腔内，倍频晶体尽量靠近激光晶体。调节调整架，使得输出绿光功率最亮；然后旋转KTP晶体（或LBO），观察旋转过程中绿光输出有何变化； 四、注意事项 1. 半导体激光器（LD）对环境有较高要求，因此本实验系统需放置于洁净实验室内。实验完成后，应及时盖上仪器罩，以免LD沾染灰尘。 2. LD对静电非常敏感。所以严禁随意拆装LD和用手直接触摸LD外壳。如果确实需要拆装，请带上静电环操作，并将拆下的LD两个电极立即短接。 3. 不要自行拆装LD电源。电源如果出现问题，请与产家联系。同时，LD电源的控制温度已经设定，对应于LD的最佳泵浦波长，请不要自行更改。 4. LD、耦合系统、激光晶体，两两滑块之间距离大约为32mm、8mm，经调整好以后最好不要随意变动，以免影响实验使用。 5. 准直好光路后需用遮挡物（如功率计或硬纸片）挡住准直器，避免准直器被输出的红外激光打坏。 6. 实验过程避免双眼直视激光光路。人眼不要与光路处与同一高度，最好能带上激光防护镜操作。 五、实验数据 半导体： 1064nm 六、实验结果