專業(yè)實驗 實驗二 半導(dǎo)體泵浦固體激光器綜合實驗

電話(8610)82782668傳真(8610))82782669版權(quán)所有不得翻印近代光學(xué)信息處理和光通訊系列實驗義半導(dǎo)體泵浦固體激光器綜合實驗半導(dǎo)體泵浦固體激光器綜合實驗實驗講義大恒新紀元科技股份有限公司版權(quán)所有不得翻印半導(dǎo)體泵浦固體激光器綜合實驗一、前言半導(dǎo)體泵浦固體激光器（Diode-Pumpedsolid-stateLaser，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，具有效率高、體積小、壽命長等一系列優(yōu)點，在光通信、激光雷達、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。本實驗的目的是熟悉半導(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)。二、實驗?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調(diào)Q的工作原理，進行調(diào)Q脈沖的測量；c）了解固體激光器倍頻的基本原理。三、實驗原理與裝置d）半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器工作原理：上世紀80年代起，生長半導(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，必須對泵浦光束進行光束變換（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)簡單、空間模式匹配好等優(yōu)點。側(cè)面泵浦方式主要應(yīng)用于大功率激光器。本實驗采用端面泵浦方式。端面泵浦耦合通常有直接耦合和間接耦合兩種方式。e）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，但是在實際應(yīng)用中較難實現(xiàn)，并且容易對LD造成損傷。f）間接耦合：指先將LD輸出的光束進行準直、整形，再進行端面泵浦。常見的方法有：g）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行耦合。h）自聚焦透鏡耦合：由自聚焦透鏡取代組合透鏡進行耦合，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，準直光斑的大小取決于自聚焦透鏡的數(shù)值孔徑。i）光纖耦合：指用帶尾纖輸出的LD進行泵浦耦合。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)靈活。本實驗先用光纖柱透鏡對半導(dǎo)體激光器進行快軸準直，壓縮發(fā)散角，然后采用組合透鏡對泵浦光束進行整形變換，各透鏡表面均鍍對泵浦光的增透膜，耦合效率高。本實驗的壓縮光電研究所和耦合如圖2所示。光電研究所LD激光晶體1.LD自聚焦透鏡激光晶體3.4.LD激光晶體1.LD自聚焦透鏡激光晶體3.4.圖1半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器的常用耦合方式1.直接耦合2.組合透鏡耦合3.自聚焦透鏡耦合4.光纖耦合快軸準直電源TEC和散熱片耦合系統(tǒng)Nd:YAG快軸準直電源TEC和散熱片耦合系統(tǒng)Nd:YAG圖2本實驗LD光束快軸壓縮耦合泵浦簡圖j)激光晶體怎、？QI)UO-HKMSUOSEJOSW怎、？QI)UO-HKMSUOSEJOSW圖3Nd: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)實現(xiàn)了連續(xù)波和脈沖激光運轉(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、容易生長等的優(yōu)點，成為目前應(yīng)用最廣泛的LD泵浦的理想激光晶體之一。Nd:YAG晶體的吸收光譜如圖3所示。從Nd:YAG的吸收光譜圖我們可以看出，Nd:YAG在807.5nm處有一強吸收峰。我們?nèi)绻x擇波長與之匹配的LD作為泵浦源，就可獲得高的輸出功率和泵浦效率，這時我們稱實現(xiàn)了光譜匹配。但是，LD的輸出激光波長受溫度的影響，溫度變化時，輸出激光波長會產(chǎn)生漂移，輸出功率也會發(fā)生變化。因此，為了獲得穩(wěn)定的波長，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工作時的波長與Nd:YAG的吸收峰匹配。另外，在實際的激光器設(shè)計中，除了吸收波長和出射波長外，選擇激光晶體時還需要考慮摻雜濃度、上能級壽命、熱導(dǎo)率、發(fā)射截面、吸收截面、吸收帶寬等多種因素。k)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，同時具有高的光光轉(zhuǎn)換效率，但在設(shè)計時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圖4端面泵浦的激光諧振腔形式激光輸出如圖4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，0<gg<1時腔為穩(wěn)定腔。故當L<R時腔穩(wěn)定。122同時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:'[l（R-L）g人本實驗中，R］為平面，R2=200mm，L=80mm。由此可以算出④0大小。所以，泵浦光在激光晶體輸入面上的光斑半徑應(yīng)該＜w，這樣可使泵浦光與基模振蕩0模式匹配，在容易獲得基模輸出。半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器的被動調(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和被動式可飽和吸收調(diào)Q。本實驗采用的Cr4+：YAG是可飽和吸收調(diào)Q的一種，它結(jié)構(gòu)簡單，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被動調(diào)Q的工作原理是：當Cr4+:YAG被放置在激光諧振腔內(nèi)時，它的透過率會隨著腔內(nèi)的光強而改變。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，當諧振腔增益等于諧振腔損耗時，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達到最大值，此時可飽和吸收體的透過率仍為初始值。隨著泵浦的進一步作用，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，并最終達到飽和。此時，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)密度達到最大值時，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。當光子數(shù)密度降到初始值時，Cr4+:YAG的透過率也恢復(fù)到初始值，調(diào)Q脈沖結(jié)束。m)半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器的倍頻技術(shù)光波電磁場與非磁性透明電介質(zhì)相互作用時，光波電場會出現(xiàn)極化現(xiàn)象。當強光激光產(chǎn)生后，由此產(chǎn)生的介質(zhì)極化已不再是與場強呈線性關(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。本實驗中的倍頻就是通過倍頻晶體實現(xiàn)對Nd:YAG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。KTP晶體屬于負雙軸晶體，對它的相位匹配及有效非線性系數(shù)的計算，已有大量的理論研究，通過KTP的色散方程，人們計算出其最佳相位匹配角為：0=90°，卜23.3°，對應(yīng)的有效非線性系數(shù)def=7.36x10-12V/m。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)，較適合于脈沖運轉(zhuǎn)的固體激光器。四、實驗內(nèi)容與要求n）LD安裝及系統(tǒng)準直o）將LD電源接通。通過上轉(zhuǎn)換片觀察LD出射光近場和遠場的光斑。測量LD經(jīng)快軸壓縮后的閾值電流和輸出特性曲線。p）將耦合系統(tǒng)、激光晶體、輸出鏡、Q開關(guān)、準直器等各元器件安裝在調(diào)整架和滑塊上；q）將準直器安裝在導(dǎo)軌上，利用直尺將其調(diào)整成光束水平出射，中心高度50mm，水平并且水平入射在激光晶體中心位置；r）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直器中心，并且準直光通過晶體后仍垂直進入LD；s）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。t）在準直器前安裝T1輸出鏡，調(diào)整旋鈕使輸出鏡的反射光點位于準直器中心。u）半導(dǎo)體泵浦固體激光器實驗v）實驗裝置圖圖5半導(dǎo)體泵浦固體激光器實驗裝置圖w）在準直器前安裝T1輸出鏡，調(diào)整旋鈕使輸出鏡的反射光點位于準直器中心。根據(jù)實驗裝置圖設(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值；x）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，在實驗報告上繪出激光輸出功率-泵浦功率曲線；y）更換為T2輸出耦合鏡，重復(fù)3.b、3.c的步驟，測試不同LD電流下的激光輸出功率；z）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和曲線，計算兩種耦合輸出下的激光斜效率和光光轉(zhuǎn)換效率，并作簡要分析。aa）半導(dǎo)體泵浦固體激光器調(diào)Q實驗bb）實驗裝置圖

TEC和散熱片耦合系統(tǒng)Nd:YAGCr4+YAG輸出鏡探測器準直器電源TEC和散熱片耦合系統(tǒng)Nd:YAGCr4+YAG輸出鏡探測器準直器dd）安裝Cr4±YAG晶體，在準直器前準直后放入諧振腔內(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；ee）降低LD電流到零。然后從小到大緩慢增加，測量1.7A、2.0A、2.3A時輸出脈沖的平均功率；ff）安裝探測器，取三個不同的LD工作電流（1.7A、2.0A、2.3A），分別測量輸出脈沖的脈寬、重頻；gg）計算不同功率下的峰值功率，對不同功率下的輸出脈沖進行對比，并作簡要分析。ii）實驗裝置圖電源TEC和LD耦合系統(tǒng)ii）實驗裝置圖電源TEC和LD耦合系統(tǒng)Nd:YAGKTP輸出鏡準直器散熱片kk）將輸出鏡換為短波通輸出鏡，微調(diào)調(diào)整架使其反射光點在準直器中心。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；ll）安裝KTP晶體（或LBO），在準直器前準直后放入諧振腔內(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；五、實驗結(jié)果與思考什么是半導(dǎo)體泵浦固體激光器中的光譜匹配和模式匹配？可飽和吸收調(diào)Q中的激光脈寬、重復(fù)頻率隨泵浦功率如何變化？為什么？把倍頻晶體放在激光諧振腔內(nèi)對提高倍頻效率有何好處？半導(dǎo)體泵浦固體激光器注意事項半導(dǎo)體激光器(LD)對環(huán)境有較高要求，因此本實驗系統(tǒng)需放置于潔凈實驗室內(nèi)。實驗完成后，應(yīng)及時蓋上儀器罩，以免LD沾染灰塵。LD對靜電非常敏感。所以嚴禁隨意拆裝LD和用手直接觸摸LD外殼。如果確實需要拆裝，請帶上靜電環(huán)操作，并將拆下的LD兩個電極立即短接。不要自行拆裝LD電源。電源如果出現(xiàn)問題，請與產(chǎn)家聯(lián)系。同時，LD電源的控制溫度已經(jīng)設(shè)定，對應(yīng)于LD的最佳泵浦波長，請不要自行更改。LD、耦合系統(tǒng)、激光晶體，兩兩滑塊之間距離大約為32mm、8mm，經(jīng)調(diào)整好以后最好不要隨意變動，以免影響實驗使用。準直好光路后需用遮擋物(如功率計或硬紙片)擋住準直器，避免準直器被輸出的紅外激光打壞。實驗過程避免雙眼直視激光光路。人眼不要與光路處與同一高度，最好能帶上激光防護鏡操作。典型實驗結(jié)果(參考)：T1=5%,T2=10%LD電流(A)快軸壓縮后功率(W)T1輸出(W)T2輸出(W)調(diào)Q輸出(mW)脈寬(ns)重頻(kHz)0.50.0770.70.2300.0680.0460.9