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1、半导体泵浦固体激光器倍频与调半导体泵浦固体激光器倍频与调 Q 实验实验 一 前言 半导体泵浦固体激光器 Diode Pumped solid state Laser DPL 是以激光二极管 LD 代替闪光灯泵浦固体激光介质的固体激光器 具有效率高 体积小 寿命长等一系列优点 在光通信 激光雷达 激光医学 激光加工等方面有巨大应用前景 是未来固体激光器的发 展方向 本实验的目的是熟悉半导体泵浦固体激光器的基本原理和调试技术 以及其调 Q 和倍频的原理和技术 二 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 掌握固体激光器被动调的工作 Q 原理 进行调 Q 脉冲的测量 3 了解固
2、体激光器倍频的基本原理 三 实验原理与装置 1 半导体激光泵浦固体激光器工作原理 上世纪 80 年代起 半导体激光器 LD 生长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
3、面泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两种方式 a 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 b 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 1 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 2 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 3 光纤耦合 指用带尾纤输出的 LD 进行泵浦耦合 优点是结
4、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 和耦合如图 2 所示 LD 激光晶体 LD激光晶体组合透镜 激光晶体自聚焦透镜LDLD 光纤激光晶体 1 2 3 4 图 1 半导体激光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4 光纤耦合 Nd YAGLD耦合系统电源 TEC和 散热片 快轴准直 光纤微透镜 图 2本实验 LD 光束快轴压缩耦合泵浦简图 2 激光晶体 图 3Nd YAG 晶体中 Nd 3 吸收光谱图 激光晶体是影响 DPL 激
5、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
6、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
7、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 f L R 0 泵浦光激光输出 激光晶体 输出镜 图 4 端面泵浦的激光谐振腔形式 对于平凹腔 根据腔的稳定性条件 易知当 L R2时腔稳定 同时容易判断出其束腰位 置在晶体的输入平面上 并可求出该处的光斑尺寸 0 所以 泵浦光在激光晶体输入面上的 光斑半径应该 0 这样可使泵浦光与基模振荡模式匹配 容易获得基模输出 4 半导体激光泵浦固体激光器的被动调 Q 技术 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
8、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
9、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 5 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
10、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 23 3 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
11、于脉冲运转的固体激光器 6 实验装置图 1 半导体泵浦固体激光器实验 Nd YAG耦合系统输出镜准直器 15mm 80mm 探测器 LD电源 TEC和 散热片 20mm 图 5半导体泵浦固体激光器实验装置图 2 半导体泵浦固体激光器调 Q 实验 示波器 Nd YAG耦合系统输出镜准直器 15mm 80mm 示波器 探测器Cr4 YAGLD电源 TEC和 散热片 20mm 图 6 调 Q 实验装置图 3 半导体泵浦固体激光器倍频实验 Nd YAG输出镜准直器 80mm KTP LD耦合系统电源 TEC和 散热片 20mm 15mm 图 7 倍频实验装置图 四 实验内容与要求 1 LD 安装及系统
12、准直 a 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 b 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 c 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 d 通过调整架旋钮微调 Nd YAG 晶体的倾斜和俯仰 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 e 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 a 在准直器前安装 T1 输出镜 调整旋钮
13、使输出镜的反射光点位于准直器中心 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 b 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 LD 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 c 更换为 T2 输出耦合镜 重复以上 b c 的步骤 测试不同 LD 电流下的激光输出功率 d 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 a 安装 Cr4
14、 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 b 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 c 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 d 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 a 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 b 安装 KTP 晶体 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 观察旋转过程中绿光输出有何变化 五 实验结果与思考 1 什么是半导体泵浦固体激光器中的光谱匹配和模式匹配 2 可饱和吸收调 Q 中的激光脉宽 重复频率随泵浦功率如何变化 为什么 3 把倍频晶体放在激光谐振腔内对提高倍频效率有何好处
