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　　半导体泵浦固体激光器的调Q与光学二倍频杨 光北京大学物理学院 学号:1200011322（日期：2016年4月13日）摘要：本实验利用波长808nm的半导体泵浦源泵浦激光晶体，并与一个输出镜构成谐振腔，从而研究Nd:YVO4和Nd:YAG两种激光晶体的特性(输出的激光波长为1064nm)。包括：泵浦源阈值，电流和输出功率的关系(I-P特性)，被动调Q性质。另外利用Nd:YVO4激光晶体产生的激光，研究二倍频晶体KTP的最大倍频功率和倍频相位匹配角，观察到了可见的绿光和绿光光强随匹配角的变化关键词：泵浦激光，激光晶体，调Q，非线性晶体，二倍频引 言 在激光和非线性光学的发展过程中，新型激光的出现带来新的光学现象和巨大的应用前景。激光的产生需要对激光晶体泵浦从而发生粒子数反转，早期物理学家用氪灯或氙灯来对激光晶体进行泵浦，而近年来被称为第二代的激光器的半导体泵浦固体激光器得到了快速的发展和应用。与传统激光器不同，这种激光器利用了固定波长的半导体激光器对光学晶体进行泵浦，因此体积小，寿命长，结构紧凑，热效应小，效率高，可覆盖波长宽，已成为固体激光器的主要研究和发展方向。 本实验的主要目的是为了学习搭建半导体泵浦固体激光器获得1064nm的红外激光并调Q产生脉冲激光；观察和测量在不同工作模式下的输出激光性质；观测晶体的光学二倍频效应。通过本实验，我了解了半导体泵浦固体激光器和激光调Q的基本原理，掌握了激光的产生和激光参数测量的基本方法，并学习了非线性光学效应实验原理与装置半导体泵浦固体激光器的工作原理固体激光器的增益介质是掺杂有能被泵浦到激发态的原子、离子或分子的玻璃或晶体，通过灯、半导体激光器阵列、或其它激光用光泵浦的方式得到激发。其参与受激辐射的粒子密度远远高于气体工作介质，因此易于获得大能量输出。目前已有上百种晶体作为增益介质实现了固体激光器的运转。以钕离子(Nd3+）作为激活粒子的激光器使用非常广泛，其中Nd:YAG（掺钕钇铝石榴石）为四能级系统，具有量子效率高，受激辐射界面大的优点，其热导率高，光学质量好，是最常用的激光晶体之一，工作波长一般为1064nm；Nd:YVO4（掺钕钒酸钇）是低功率应用最广泛的激光晶体，工作在1064nm，可通过KTP,LBO等非线性光学晶体进行波长转换输出近红外，绿色，蓝色等激光。 半导体激光器(LD)的增益介质是pn结半导体二极管。当电流正向通过二极管时，电子和空穴分别被从n区传输进p区和p区传至n区，在pn结中电子与空穴可能复合并产生相应能量的电磁辐射。当电流大于阈值时，pn结中的辐射场变得很强，经过半导体介质的端面多次反射放大，在其它弛豫过程消除粒子数反转之前就在pn结中发生受激辐射，发射出强烈的激光。由于半导体材料中电子密度高，相应的放大系数大，很短的增益介质就可达到激光阈值。LD的发射阈值低，发射光谱可通过选择半导体材料和温度控制在宽范围内选择和精确调节，是固体激光器极好的泵浦源。 Nd:YAG中Nd3+的吸收光谱在810nm的中心波长附近有多条吸收线，使用AlGaAs/GaAs为材料的LD，通过温度调谐使其工作波长与某强吸收峰精确匹配，就可以实现高效率的泵浦。LD的光束发散角较大，须经过端面或侧面耦合进行光束变换后，再聚焦到固体激光器的增益介质上。激光器的调 Q 原理目前常用的调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，可获得峰值功率大欧洲杯-米乐M6官方网站、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，Cr4+:YAG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欧洲杯-米乐M6官方网站始值时，Cr4+:YAG的透过率也恢复到初始值，调Q脉冲结束。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。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。实验装置实验装置如Fig.1所示，半导体激光器(LD)输出光经过光纤微透镜压缩传输，作为泵浦光。组合透镜会聚泵浦光至激光晶体（Nd:YAG 或 Nd:YVO4）.各透镜表面镀有泵浦光增透膜，耦合效率高。激光晶体的一端镀泵浦光增透和输出激光全反膜 F，作为固体激光器的输入镜。固体激光器的输出镜是镀膜凹面镜 M，对输出激光部分透射,其透过率分别为3%。 因为红外激光不可见，我们用准直激光对光路进行校准：准直光水平入射在 LD 中心，用来调节各光学部件共轴共心。调节方法是，在准直器开关打开的前提下，观察该元件反射光斑的位置（可让光斑成像在一张白纸上）。若反射光斑和准直器的出射光不重合，则反复调节该元件的水平竖直位置，俯仰和水平方向的转角，直至二者重合。Fig 1半导体泵浦固体激光实验装置图。半导体激光器(LD)输出光经过光纤微透镜压缩传输，作为泵浦光。组合透镜会聚泵浦光至激光晶体（Nd:YAG 或 Nd:YVO4）.各透镜表面镀有泵浦光增透膜，耦合效率高。激光晶体的一端镀泵浦光增透和输出激光全反膜 F，作为固体激光器的输入镜。固体激光器的输出镜是镀膜凹面镜 M，对输出激光部分透射,其透过率分别为 3%。实验结果与分析讨论测量泵浦源的阈值和I-P特性不将任何元件插入光路，直接用激光功率计测量半导体固体激光器输出的功率。半导体固体激光器的电源的输出电流从0开始，每0.1A增加一次，一直达到1.8A，每次改变电流后测量输出功率。在功率从零突然开始快速增加的点（即阈值）附近可适当的多取，实验中我们发现半导体固体激光器的阈值是0.37A。记录下光功率和电流的变化特性见Table.1。注意打开泵浦源后要遮挡住准直器，避免损坏，并且后续操作时都是如此。测量不同晶体的功-功转换效率搭建如Fig.1所示的光路，光路按照之前的说明调节。在输出镜后大约8cm处用激光功率计测量输出功率。在测量功率前用红外显示卡让激光成像，观察光斑的形状可以，适当微调输出镜使得激光的光斑为圆形，此时正好对应TEM00模式；另外也可适当微调其他的元件，使得在某给定电流下，输出功率达到最大值。在以上调节的基础上，从阈值开始，每隔0.1A测量一次输出功率，直到电流达到1.8A。我们分别对Nd:YVO4和Nd:YAG两种激光晶体进行测量,数据结果见Table.1。我们可以将加入激光晶体后的效率与激光器的功率电流特性进行对比，从而可以得到各种输入电流下的晶体功率转换效率。我们将激光器功率，加入激光晶体之后的功率随输入电流的变化趋势画在一张图中，如Fig.2。从三条I-P曲线看出，泵浦激光器的阈值在0.4A附近，超过该阈值后输出功率几乎随电流线性变化。实验测得阈值为0.37A。Nd:YVO4的阈值比Nd:YAG小，Nd:YVO4的阈 值为0.42A，Nd:YAG阈值为0.44A。相对于Nd:YAG晶体，Nd:YVO4晶体转换效率高，在同一电流下的输出功率更高。激光器输入电流和功率P/mW(Nd:Y04)P/mW(Nd:YAG)I/AP/mWP/mWefficiencyP/mWefficiency0.1000.0%00.0%0.2000.0%00.0%0.3000.0%00.0%0.4800.0%00.0%0.55523.6%11.8%01%1513.8%01%3921.2%07%6526.5%0.930911135.9%9330.1%1.037114238.3%12333.2%1.143416838.7%15235.0%1.248420241.7%17937.0%1.355523342.0%20536.9%1.461326843.7%23638.5%1.568130144.2%26538.9%1.674033545.3%29339.6%1.780336445.3%31739.5%1.885738745.2%33338.9%Table 1激光器的I-P特性与Nd:YVO4和Nd:YAG激光晶体的功率转换效率表。Fig 2激光器功率，加入激光晶体之后的功率随输入电流的变化趋势图（I-P特性）。从三条I-P曲线看出，泵浦激光器的阈值在0.4A附近，超过该阈值后输出功率几乎随电流线性变化。相对于Nd:YAG晶体，Nd:YVO4晶体转换效率高，在同一电流下的输出功率更高。同样的，我们可以将两种晶体的转换效率放在一张图中进行对比，如Fig.3。Fig 3两种晶体的转换效率随电流的变化趋势。从图中可以看出，Nd:YVO4 晶体的功-功转换效率比Nd:YAG晶体高，并且当电流增大到一定值时，两种晶体的功-功转换效率会趋向于一个定值。对于前者最大的效率可以达到 45%以上，而对于后者最大效率能达到39%以上。从Fig.3中可以看出，Nd:YVO4 晶体的功-功转换效率比Nd:YAG晶体高，并且当电流增大到一定值时，两种晶体的功-功转换效率会趋向于一个定值。对于前者最大的效率可以达到 45%以上，而对于后者最大效率能达到39%以上。二者的转换效率的差别和两种晶体的结构差异有关，Nd:YVO4 晶体属于单轴晶系，输出线偏振光，不会出现双折射现象，而Nd:YAG 则是立方晶体结构。另外，在808nm 附近，Nd:YVO4 晶体的泵浦带宽度约为 Nd:YAG 晶体的五倍（因为它有更高的泵浦吸收率和更大的吸收截面），且 Nd:YVO4 晶体在该波长处的吸收能力正好达到峰值。被动调Q在Fig.1装置的基础上，在输出镜和激光晶体Nd:YAG之间插入调Q晶体，按照和前面完全相同的方法调节光路并使得输出功率达到最大。我们用激光功率计直接测量电流分别为0.2和2.0A时，调Q激光脉冲的平均功率，见Table.2。I/A0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0P/mW0.00.00.50.71.11.43.331.064.580.2Table 2被动调 Q 平均输出功率和电流的关系然后取下激光功率计，在输出镜后放置连有示波器的快速探测器，使得输出的激光正好被探测器的小孔吸收。我们用示波器观察各个电流下调Q脉冲的波形，记录其重复频率和脉宽,如Table.3。I/Af/Hz脉宽/ns1.6 1.55701.8 2.71682.0 3.1868Table 3重复频率和脉宽从表中数据可以看出，调Q激光的平均功率非常低，比未加调Q晶体的情 况相比要小一个数量级。这和调Q激光的工作原理有关。加上调Q晶体后，谐振腔中的光量子数较少时不会有激光输出，只有当光量子数不断积累，谐振腔内的能量达到调 Q 晶体的阈值时，才会在短时间内以脉冲形式发出，而且该过程中还会引入新的损耗来降低功率。因此尽管从单个脉冲来看虽然光强很大，但在一个脉冲周期内的平均功率非常小。并且我们可以发现，随着激光输出功率的增大，脉冲的频率会变高，这是因为在高功率的情况下，调Q晶体可以更快到达突变阈值。脉宽基本不变，因为放出光子的时间是由调Q晶体自身的结构和性质决定的。结论实验中我们测量了半导体泵浦激光器的I‐P特性，发现该激光器工作的电流阈值为0.37A，当电流超过该值时，激光器的输出功率随着电流迅速增加，并且几乎成线性关系。在这个基础上，我们测量了Nd:YVO4和Nd:YAG两种激光晶体在上述激光器泵浦且以TEM00模式输出时的输出功率和泵浦源的输入电流的关系，从而进一步得到了这两种晶体的功‐功转换效率。我们发现功‐功转换效率在阈值电流后迅速增加，然后逐渐趋于平稳值。另外Nd:YVO4的转换效率比Nd:YAG大，前者从透过率为3%的输出镜输出后可达到 45%以上，后者则是39%左右。可见功-功转换效率和晶体结构有很大的关系。然后我们测量了加入调Q晶体后输出的脉冲信号的平均功率，重复频率和半高宽度。 调Q巨脉冲信号的平均功率相比于之前测得的输出功率大概有一个数量级的压低。重复频率随着泵浦功率的升高而增加，半高宽则随着泵浦功率的升高而基本不变。因为实验过程中准直激光不亮了，所以没有做倍频实验。猜想在谐振腔中加入 KTP 倍频晶体，可以观察到绿光，如果转动倍频晶体，总的激光功率会改变且绿色激光的明亮有明显的变化。。致谢感谢北京大学物理学院近代物理实验室对实验的支持，感谢刘开辉老师对实验的辛勤指导。参考文献： [1]吴思诚，王祖铨2005近代物理实验（第三版）（高等教育出版社）.