半導(dǎo)體泵浦固體激光綜合實(shí)驗(yàn)-實(shí)驗(yàn)講義

1、半導(dǎo)體泵浦固體激光綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)講義前言半導(dǎo)體泵浦固體激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用的主流激光器。應(yīng)用全工業(yè)器件和科研級(jí)晶體設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體泵浦固體激光器綜合實(shí)驗(yàn)具有系統(tǒng)開放、調(diào)整簡(jiǎn)單、知識(shí)全面、可定量測(cè)量參數(shù)等特點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)適合配套激光原理等課程開設(shè)本科生專業(yè)實(shí)驗(yàn)，或高職院校進(jìn)行實(shí)訓(xùn)教學(xué)。目錄1.引言-12.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?13.實(shí)驗(yàn)原理-14.實(shí)驗(yàn)儀器-45.實(shí)驗(yàn)步驟-56.思考題-67.實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)-78.參考文獻(xiàn)1. 引言半導(dǎo)體泵浦固體激光器（Diode-Pumped solid-state Laser，DPL），是以激光二極管（LD）代替閃光燈泵浦固體激光介質(zhì)的固體激光器

2、，具有效率高、體積小、壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，在光通信、激光雷達(dá)、激光醫(yī)學(xué)、激光加工等方面有巨大應(yīng)用前景，是未來固體激光器的發(fā)展方向。本實(shí)驗(yàn)的目的是熟悉半導(dǎo)體泵浦固體激光器的基本原理和調(diào)試技術(shù)，以及其調(diào)Q和倍頻的原理和技術(shù)。2. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康腶.掌握半導(dǎo)體泵浦固體激光器的工作原理和調(diào)試方法；b.掌握固體激光器被動(dòng)調(diào)Q的工作原理，進(jìn)行調(diào)Q脈沖的測(cè)量；c.了解固體激光器倍頻的基本原理。3. 實(shí)驗(yàn)原理a.半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器工作原理：上世紀(jì)80年代起，生長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器（LD）技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展，使得LD的功率和效率有了極大的提高，也極大地促進(jìn)了DPSL技術(shù)的發(fā)展。與閃光燈泵浦的固體激光器相比，DPSL的

3、效率大大提高，體積大大減小。在使用中，由于泵浦源LD的光束發(fā)散角較大，為使其聚焦在增益介質(zhì)上，必須對(duì)泵浦光束進(jìn)行光束變換（耦合）。泵浦耦合方式主要有端面泵浦和側(cè)面泵浦兩種，其中端面泵浦方式適用于中小功率固體激光器，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、空間模式匹配好等優(yōu)點(diǎn)。側(cè)面泵浦方式主要應(yīng)用于大功率激光器。本實(shí)驗(yàn)采用端面泵浦方式。端面泵浦耦合通常有直接耦合和間接耦合兩種方式。b.直接耦合：將半導(dǎo)體激光器的發(fā)光面緊貼增益介質(zhì)，使泵浦光束在尚未發(fā)散開之前便被增益介質(zhì)吸收，泵浦源和增益介質(zhì)之間無光學(xué)系統(tǒng)，這種耦合方式稱為直接耦合方式。直接耦合方式結(jié)構(gòu)緊湊，但是在實(shí)際應(yīng)用中較難實(shí)現(xiàn)，并且容易對(duì)LD造成損傷。c.間接

4、耦合：指先將LD輸出的光束進(jìn)行準(zhǔn)直、整形，再進(jìn)行端面泵浦。常見的方法有：d.組合透鏡系統(tǒng)聚光：用球面透鏡組合或者柱面透鏡組合進(jìn)行耦合。e.自聚焦透鏡耦合：由自聚焦透鏡取代組合透鏡進(jìn)行耦合，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，準(zhǔn)直光斑的大小取決于自聚焦透鏡的數(shù)值孔徑。f.光纖耦合：指用帶尾纖輸出的LD進(jìn)行泵浦耦合。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)靈活。本實(shí)驗(yàn)先用光纖柱透鏡對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行快軸準(zhǔn)直，壓縮發(fā)散角，然后采用組合透鏡對(duì)泵浦光束進(jìn)行整形變換，各透鏡表面均鍍對(duì)泵浦光的增透膜，耦合效率高。本實(shí)驗(yàn)的壓縮和耦合如Error! Reference source not found.所示。圖 1半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器的常用耦合方式1.直接

5、耦合 2.組合透鏡耦合 3.自聚焦透鏡耦合 4.光纖耦合圖 2 本實(shí)驗(yàn)LD光束快軸壓縮耦合泵浦簡(jiǎn)圖g.激光晶體圖 3 Nd:YAG晶體中Nd3+吸收光譜圖激光晶體是影響DPL激光器性能的重要器件。為了獲得高效率的激光輸出，在一定運(yùn)轉(zhuǎn)方式下選擇合適的激光晶體是非常重要的。目前已經(jīng)有上百種晶體作為增益介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)波和脈沖激光運(yùn)轉(zhuǎn)，以釹離子（Nd3+）作為激活粒子的釹激光器是使用最廣泛的激光器。其中，以Nd3+離子部分取代Y3Al5O12晶體中Y3+離子的摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG），由于具有量子效率高、受激輻射截面大、光學(xué)質(zhì)量好、熱導(dǎo)率高、容易生長(zhǎng)等的優(yōu)點(diǎn)，成為目前應(yīng)用最廣泛的LD泵浦的理想激

6、光晶體之一。Nd:YAG晶體的吸收光譜如Error! Reference source not found.所示。從Nd:YAG的吸收光譜圖我們可以看出，Nd:YAG在807.5nm處有一強(qiáng)吸收峰。我們?nèi)绻x擇波長(zhǎng)與之匹配的LD作為泵浦源，就可獲得高的輸出功率和泵浦效率，這時(shí)我們稱實(shí)現(xiàn)了光譜匹配。但是，LD的輸出激光波長(zhǎng)受溫度的影響，溫度變化時(shí)，輸出激光波長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生漂移，輸出功率也會(huì)發(fā)生變化。因此，為了獲得穩(wěn)定的波長(zhǎng)，需采用具備精確控溫的LD電源，并把LD的溫度設(shè)置好，使LD工作時(shí)的波長(zhǎng)與Nd:YAG的吸收峰匹配。另外，在實(shí)際的激光器設(shè)計(jì)中，除了吸收波長(zhǎng)和出射波長(zhǎng)外，選擇激光晶體時(shí)還需要考慮摻雜

7、濃度、上能級(jí)壽命、熱導(dǎo)率、發(fā)射截面、吸收截面、吸收帶寬等多種因素。h.端面泵浦固體激光器的模式匹配技術(shù)圖4是典型的平凹腔型結(jié)構(gòu)圖。激光晶體的一面鍍泵浦光增透和輸出激光全反膜，并作為輸入鏡，鍍輸出激光一定透過率的凹面鏡作為輸出鏡。這種平凹腔容易形成穩(wěn)定的輸出模，同時(shí)具有高的光光轉(zhuǎn)換效率，但在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到模式匹配問題。圖 4 端面泵浦的激光諧振腔形式如Error! Reference source not found.所示，則平凹腔中的g參數(shù)表示為： 根據(jù)腔的穩(wěn)定性條件，時(shí)腔為穩(wěn)定腔。故當(dāng)時(shí)腔穩(wěn)定。同時(shí)容易算出其束腰位置在晶體的輸入平面上，該處的光斑尺寸為：本實(shí)驗(yàn)中，R1為平面，R2=200m

8、m，L=80mm。由此可以算出大小。所以，泵浦光在激光晶體輸入面上的光斑半徑應(yīng)該，這樣可使泵浦光與基模振蕩模式匹配，容易獲得基模輸出。i.半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器的被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)目前常用的調(diào)Q方法有電光調(diào)Q、聲光調(diào)Q和被動(dòng)式可飽和吸收調(diào)Q。本實(shí)驗(yàn)采用的Cr4+:YAG是可飽和吸收調(diào)Q的一種，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，無電磁干擾，可獲得峰值功率大、脈寬小的巨脈沖。Cr4+:YAG被動(dòng)調(diào)Q的工作原理是：當(dāng)Cr4+:YAG被放置在激光諧振腔內(nèi)時(shí)，它的透過率會(huì)隨著腔內(nèi)的光強(qiáng)而改變。在激光振蕩的初始階段，Cr4+:YAG的透過率較低（初始透過率），隨著泵浦作用增益介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)不斷增加，當(dāng)諧振腔增益等于諧振

9、腔損耗時(shí)，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到最大值，此時(shí)可飽和吸收體的透過率仍為初始值。隨著泵浦的進(jìn)一步作用，腔內(nèi)光子數(shù)不斷增加，可飽和吸收體的透過率也逐漸變大，并最終達(dá)到飽和。此時(shí)，Cr4+:YAG的透過率突然增大，光子數(shù)密度迅速增加，激光振蕩形成。腔內(nèi)光子數(shù)密度達(dá)到最大值時(shí)，激光為最大輸出，此后，由于反轉(zhuǎn)粒子的減少，光子數(shù)密度也開始減低，則可飽和吸收體Cr4+:YAG的透過率也開始減低。當(dāng)光子數(shù)密度降到初始值時(shí)，Cr4+:YAG的透過率也恢復(fù)到初始值，調(diào)Q脈沖結(jié)束。j.半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器的倍頻技術(shù)光波電磁場(chǎng)與非磁性透明電介質(zhì)相互作用時(shí)，光波電場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)極化現(xiàn)象。當(dāng)強(qiáng)光激光產(chǎn)生后，由此產(chǎn)生的介質(zhì)極化已不再是

10、與場(chǎng)強(qiáng)呈線性關(guān)系，而是明顯的表現(xiàn)出二次及更高次的非線性效應(yīng)。倍頻現(xiàn)象就是二次非線性效應(yīng)的一種特例。本實(shí)驗(yàn)中的倍頻就是通過倍頻晶體實(shí)現(xiàn)對(duì)Nd:YAG和Nd:YVO4輸出的1064nm紅外激光倍頻成532nm綠光。常用的倍頻晶體有KTP、KDP、LBO、BBO和LN等。其中，KTP晶體在1064nm光附近有高的有效非線性系數(shù)，導(dǎo)熱性良好，非常適合用于YAG激光的倍頻。倍頻技術(shù)通常有腔內(nèi)倍頻和腔外倍頻兩種。腔內(nèi)倍頻是指將倍頻晶體放置在激光諧振腔之內(nèi)，由于腔內(nèi)具有較高的功率密度，因此較適合于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的固體激光器。腔外倍頻方式指將倍頻晶體放置在激光諧振腔之外的倍頻技術(shù)，較適合于脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)的固體激光器。k.

11、角度相位匹配將基頻光以特定的角度和偏振態(tài)入射到倍頻晶體,利用倍頻晶體本身所具有的雙折射效應(yīng)抵消色散效應(yīng)，達(dá)到相位匹配的要求。角度匹配是高效率產(chǎn)生倍頻光的最常用、最主要的方法。KTP晶體屬于負(fù)雙軸晶體，對(duì)它的相位匹配及有效非線性系數(shù)的計(jì)算，已有大量的理論研究，通過KTP的色散方程，人們計(jì)算出其最佳相位匹配角為：q=90°，f=23.3°，對(duì)應(yīng)的有效非線性系數(shù)deff=7.36×10-12V/m。 l摻釹釩酸釔(Nd:YVO4)摻釹釩酸釔（Nd:YVO4）晶體是一種性能優(yōu)良的激光晶體，適于制造激光二極管泵浦特別是中低功率的激光器。與Nd:YAG相比Nd:YVO4對(duì)泵浦

12、光有較高的吸收系數(shù)和更大的受激發(fā)射截面。激光二極管泵浦的Nd:YVO4晶體與LBO,BBO,KTP等高非線性系數(shù)的晶體配合使用，能夠達(dá)到較好的倍頻轉(zhuǎn)換效率，可以制成輸出近紅外、綠色、藍(lán)色到紫外線等類型的全固態(tài)激光器。 與Nd:YAG相比，Nd:YVO4最大的優(yōu)勢(shì)在于更寬的吸收帶寬范圍內(nèi)，具有比Nd:YAG高5倍的吸收效率，而且在808nm左右達(dá)到峰值吸收波長(zhǎng)，完全能夠達(dá)到當(dāng)前高功率激光二極管的標(biāo)準(zhǔn)。這使得我們可以利用更小的晶體來制造體積越來越小的激光器。同時(shí)還意味著激光二極管可以用較小的功率輸出特定的能量，從而延長(zhǎng)了其使用壽命。Nd:YVO4的吸收帶寬可達(dá)Nd:YAG的2.4-6.3倍，這一特

13、性同樣具有巨大的開發(fā)價(jià)值。除了較高的泵浦效率外，在二極管的規(guī)格上提供了更大的選擇空間，這將為激光器生產(chǎn)商節(jié)省更多的制造成本。Nd:YVO4 在1064nm和1342nm處具有較大的受激發(fā)射截面。在a軸方向Nd:YVO41064nm波的受激發(fā)射截面約為Nd:YAG的4倍，而1342nm的受激發(fā)射截面可達(dá)Nd:YAG在1.3um處的18倍，故Nd:YVO4 1342nm激光的連續(xù)輸出效率要大大超過Nd:YAG，這使得Nd:YVO4激光的兩個(gè)波長(zhǎng)都可以更容易保持一個(gè)較強(qiáng)的單線激發(fā)。Nd:YVO4的另一重要特點(diǎn)是它屬單軸晶系，僅發(fā)射線性偏振光，因此可以避免在倍頻轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生雙折射干擾，而Nd:YAG是高

14、勻稱性的正方晶體，無此特性。雖然Nd:YVO4 的熒光壽命比Nd:YAG短2.7倍左右，但是因?yàn)镹d:YVO4具有較高的泵浦量子效率，所以在設(shè)計(jì)理想的光腔中仍然可獲得相當(dāng)高的斜率效率。 4. 實(shí)驗(yàn)儀器圖 5 半導(dǎo)體泵浦固體激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖圖 6調(diào)Q實(shí)驗(yàn)裝置圖 圖 7 倍頻實(shí)驗(yàn)裝置圖5. 實(shí)驗(yàn)步驟5.1 LD安裝及系統(tǒng)準(zhǔn)直a.實(shí)驗(yàn)裝置圖，如圖5所示。b.將LD電源接通。通過上轉(zhuǎn)換片觀察LD出射光近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的光斑。測(cè)量LD經(jīng)快軸壓縮后的閾值電流和輸出特性曲線。c.將耦合系統(tǒng)、激光晶體、輸出鏡、Q開關(guān)、準(zhǔn)直器等各元器件安裝在調(diào)整架和滑塊上；d.將準(zhǔn)直器安裝在導(dǎo)軌上，利用直尺將其調(diào)整成光束水平出射，中

15、心高度50mm，水平并且水平入射在激光晶體中心位置； e.通過調(diào)整架旋鈕微調(diào)耦合系統(tǒng)的傾斜和俯仰，使晶體反射光位于準(zhǔn)直器中心，并且準(zhǔn)直光通過晶體后仍垂直進(jìn)入LD；f.通過調(diào)整架旋鈕微調(diào)Nd:YAG晶體的傾斜和俯仰，重復(fù)上一步的調(diào)節(jié)步驟。g.在準(zhǔn)直器前安裝T1輸出鏡，調(diào)整旋鈕使輸出鏡的反射光點(diǎn)位于準(zhǔn)直器中心。5.2半導(dǎo)體泵浦固體激光器調(diào)Q實(shí)驗(yàn)a.實(shí)驗(yàn)裝置圖，如圖6所示。b.在準(zhǔn)直器前安裝T1輸出鏡，調(diào)整旋鈕使輸出鏡的反射光點(diǎn)位于準(zhǔn)直器中心。根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置圖設(shè)置其與晶體之間的距離。打開LD電源，緩慢調(diào)節(jié)工作電流到1.3A。微調(diào)輸出鏡傾斜和俯仰使系統(tǒng)出光，然后微調(diào)激光晶體、耦合系統(tǒng)，使激光輸出得到最大

16、值；將LD電流調(diào)到最小，然后從小到大漸漸增大LD電流，從激光閾值電流開始，每格0.2A測(cè)量一組固體激光器系統(tǒng)輸出功率。結(jié)合LD的功率-電流關(guān)系，在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上繪出激光輸出功率-泵浦功率曲線；c.更換為T2輸出耦合鏡，重復(fù)b、c的步驟，測(cè)試不同LD電流下的激光輸出功率；d.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線，計(jì)算兩種耦合輸出下的激光斜效率和光光轉(zhuǎn)換效率，并作簡(jiǎn)要分析。5.3.半導(dǎo)體泵浦固體激光器倍頻實(shí)驗(yàn)a.實(shí)驗(yàn)裝置圖，如圖7所示。b.安裝Cr4+:YAG晶體，在準(zhǔn)直器前準(zhǔn)直后放入諧振腔內(nèi)。LD電流調(diào)到1.7A，觀察輸出的平均功率，微調(diào)調(diào)整架，使激光輸出平均功率最大；降低LD電流到零。然后從小到大緩慢增加，測(cè)量1.

17、7A、2.0A、2.3A時(shí)輸出脈沖的平均功率；c.安裝探測(cè)器，取三個(gè)不同的LD工作電流（1.7A、2.0A、2.3A），分別測(cè)量輸出脈沖的脈寬、重頻；d.計(jì)算不同功率下的峰值功率，對(duì)不同功率下的輸出脈沖進(jìn)行對(duì)比，并作簡(jiǎn)要分析。e.將輸出鏡換為短波通輸出鏡，微調(diào)調(diào)整架使其反射光點(diǎn)在準(zhǔn)直器中心。打開LD電源，取工作電流1.7A，微調(diào)輸出鏡、激光晶體、耦合系統(tǒng)的旋鈕，使輸出激光功率最大；f.安裝KTP晶體（或LBO），在準(zhǔn)直器前準(zhǔn)直后放入諧振腔內(nèi)，倍頻晶體盡量靠近激光晶體。調(diào)節(jié)調(diào)整架，使得輸出綠光功率最亮；然后旋轉(zhuǎn)KTP晶體（或LBO），觀察旋轉(zhuǎn)過程中綠光輸出有何變化。6. 思考題a.簡(jiǎn)述調(diào)Q原理。

18、答：調(diào)Q原理指的是，采用某種辦法使諧振腔在泵浦開始時(shí)處于高損耗低Q值狀態(tài)，這時(shí)激光振蕩的閾值很高，粒子密度反轉(zhuǎn)數(shù)即使積累到很高水平也不會(huì)產(chǎn)生振蕩；當(dāng)粒子密度反轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到其峰值時(shí)，突然使諧振腔的Q值增大，將導(dǎo)致激光介質(zhì)增益大大超過閾值，極其快速地產(chǎn)生振蕩。此時(shí)，激光器便可輸出一個(gè)峰值功率高、寬度窄的激光巨脈沖。7. 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)a.半導(dǎo)體激光器（LD）對(duì)環(huán)境有較高要求，因此本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需放置于潔凈實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。實(shí)驗(yàn)完成后，應(yīng)及時(shí)蓋上儀器罩，以免LD沾染灰塵。b.LD對(duì)靜電非常敏感。所以嚴(yán)禁隨意拆裝LD和用手直接觸摸LD外殼。如果確實(shí)需要拆裝，請(qǐng)帶上靜電環(huán)操作，并將拆下的LD兩個(gè)電極立即短接。c.不要自行拆裝LD電源。電源如果出現(xiàn)問題，請(qǐng)與廠家聯(lián)系。同時(shí)，LD電源的控制溫度已經(jīng)