半導(dǎo)體泵浦激光器實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、半導(dǎo)體泵浦固體激光器的調(diào)Q與光學(xué)二倍頻楊 光 email mobile:（+86）188-1146-4019北京大學(xué)物理學(xué)院 學(xué)號(hào):1200011322（日期：2016年4月13日）摘要：本實(shí)驗(yàn)利用波長(zhǎng)808nm的半導(dǎo)體泵浦源泵浦激光晶體，并與一個(gè)輸出鏡構(gòu)成諧振腔，從而研究Nd:YVO4和Nd:YAG兩種激光晶體的特性(輸出的激光波長(zhǎng)為1064nm)。包括：泵浦源閾值，電流和輸出功率的關(guān)系(I-P特性)，被動(dòng)調(diào)Q性質(zhì)。另外利用Nd:YVO4激光晶體產(chǎn)生的激光，研究二倍頻晶體KTP的最大倍頻功率和倍頻相位匹配角，觀察到了可見(jiàn)的綠光和綠光光強(qiáng)隨匹配角的變化關(guān)鍵詞：泵浦激光

2、，激光晶體，調(diào)Q，非線(xiàn)性晶體，二倍頻 I. 引 言 在激光和非線(xiàn)性光學(xué)的發(fā)展過(guò)程中，新型激光的出現(xiàn)帶來(lái)新的光學(xué)現(xiàn)象和巨大的應(yīng)用前景。激光的產(chǎn)生需要對(duì)激光晶體泵浦從而發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，早期物理學(xué)家用氪燈或氙燈來(lái)對(duì)激光晶體進(jìn)行泵浦，而近年來(lái)被稱(chēng)為第二代的激光器的半導(dǎo)體泵浦固體激光器得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用。與傳統(tǒng)激光器不同，這種激光器利用了固定波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器對(duì)光學(xué)晶體進(jìn)行泵浦，因此體積小，壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)緊湊，熱效應(yīng)小，效率高，可覆蓋波長(zhǎng)寬，已成為固體激光器的主要研究和發(fā)展方向。 本實(shí)驗(yàn)的主要目的是為了學(xué)習(xí)搭建半導(dǎo)體泵浦固體激光器獲得1064nm的紅外激光并調(diào)Q產(chǎn)生脈沖激光；觀察和測(cè)量在不同工作模式下

3、的輸出激光性質(zhì)；觀測(cè)晶體的光學(xué)二倍頻效應(yīng)。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，我了解了半導(dǎo)體泵浦固體激光器和激光調(diào)Q的基本原理，掌握了激光的產(chǎn)生和激光參數(shù)測(cè)量的基本方法，并學(xué)習(xí)了非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)II. 實(shí)驗(yàn)原理與裝置A. 半導(dǎo)體泵浦固體激光器的工作原理固體激光器的增益介質(zhì)是摻雜有能被泵浦到激發(fā)態(tài)的原子、離子或分子的玻璃或晶體，通過(guò)燈、半導(dǎo)體激光器陣列、或其它激光用光泵浦的方式得到激發(fā)。其參與受激輻射的粒子密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氣體工作介質(zhì)，因此易于獲得大能量輸出。目前已有上百種晶體作為增益介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了固體激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)。以釹離子(Nd3+）作為激活粒子的激光器使用非常廣泛，其中Nd:YAG（摻釹釔鋁石榴石）為四能級(jí)系統(tǒng)，具有量子效率

4、高，受激輻射界面大的優(yōu)點(diǎn)，其熱導(dǎo)率高，光學(xué)質(zhì)量好，是最常用的激光晶體之一，工作波長(zhǎng)一般為1064nm；Nd:YVO4（摻釹釩酸釔）是低功率應(yīng)用最廣泛的激光晶體，工作在1064nm，可通過(guò)KTP,LBO等非線(xiàn)性光學(xué)晶體進(jìn)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換輸出近紅外，綠色，藍(lán)色等激光。 半導(dǎo)體激光器(LD)的增益介質(zhì)是pn結(jié)半導(dǎo)體二極管。當(dāng)電流正向通過(guò)二極管時(shí)，電子和空穴分別被從n區(qū)傳輸進(jìn)p區(qū)和p區(qū)傳至n區(qū)，在pn結(jié)中電子與空穴可能復(fù)合并產(chǎn)生相應(yīng)能量的電磁輻射。當(dāng)電流大于閾值時(shí)，pn結(jié)中的輻射場(chǎng)變得很強(qiáng)，經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體介質(zhì)的端面多次反射放大，在其它弛豫過(guò)程消除粒子數(shù)反轉(zhuǎn)之前就在pn結(jié)中發(fā)生受激輻射，發(fā)射出強(qiáng)烈的激光。由于半導(dǎo)

5、體材料中電子密度高，相應(yīng)的放大系數(shù)大，很短的增益介質(zhì)就可達(dá)到激光閾值。LD的發(fā)射閾值低，發(fā)射光譜可通過(guò)選擇半導(dǎo)體材料和溫度控制在寬范圍內(nèi)選擇和精確調(diào)節(jié)，是固體激光器極好的泵浦源。 Nd:YAG中Nd3+的吸收光譜在810nm的中心波長(zhǎng)附近有多條吸收線(xiàn)，使用 AlGaAs/GaAs為材料的LD，通過(guò)溫度調(diào)諧使其工作波長(zhǎng)與某強(qiáng)吸收峰精確匹配，就可以實(shí)現(xiàn)高效率的泵浦。LD的光束發(fā)散角較大，須經(jīng)過(guò)端面或側(cè)面耦合進(jìn)行光束變換后，再聚焦到固體激光器的增益介質(zhì)上。B. 激光器的調(diào) Q 原理目前常用的調(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)

6、簡(jiǎn)單，使用方便，無(wú)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(guò)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(guò)率較低（初始透過(guò)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(guò)率仍為初始值。隨著泵浦的進(jìn)一步作用，Cr4+:YAG腔內(nèi)光子數(shù)不斷增加，可飽和吸收體的透過(guò)率也逐漸變大，并最終達(dá)到飽和。此時(shí)，Cr4+:YAG的透過(guò)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

7、后，由于反轉(zhuǎn)粒子的減少，光子數(shù)密度也開(kāi)始減低，則可飽和吸收體Cr4+:YAG的透過(guò)率也開(kāi)始減低。當(dāng)光子數(shù)密度降到初始值時(shí)，Cr4+:YAG的透過(guò)率也恢復(fù)到初始值，調(diào)Q脈沖結(jié)束。C. 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)極化已不再是與場(chǎng)強(qiáng)呈線(xiàn)性關(guān)系，而是明顯的表現(xiàn)出二次及更高次的非線(xiàn)性效應(yīng)。倍頻現(xiàn)象就是二次非線(xiàn)性效應(yīng)的一種特例。本實(shí)驗(yàn)中的倍頻就是通過(guò)倍頻晶體實(shí)現(xiàn)對(duì)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1064

8、nm光附近有高的有效非線(xiàn)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(fù)雙軸晶體，對(duì)它的相位匹配及有效非線(xiàn)性系數(shù)的計(jì)算，已有大量的理論研究。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。D. 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如Fig.1所示，半導(dǎo)體激光器(LD)輸出光經(jīng)過(guò)光纖微透鏡壓縮傳輸，作為泵浦光。組合透鏡會(huì)聚泵浦光至激光晶體（Nd:YAG 或 Nd:YVO4）.各透鏡表面鍍有泵浦光增透膜，耦合效率高。激光

9、晶體的一端鍍泵浦光增透和輸出激光全反膜 F，作為固體激光器的輸入鏡。固體激光器的輸出鏡是鍍膜凹面鏡 M，對(duì)輸出激光部分透射,其透過(guò)率分別為3%。 因?yàn)榧t外激光不可見(jiàn)，我們用準(zhǔn)直激光對(duì)光路進(jìn)行校準(zhǔn)：準(zhǔn)直光水平入射在 LD 中心，用來(lái)調(diào)節(jié)各光學(xué)部件共軸共心。調(diào)節(jié)方法是，在準(zhǔn)直器開(kāi)關(guān)打開(kāi)的前提下，觀察該元件反射光斑的位置（可讓光斑成像在一張白紙上）。若反射光斑和準(zhǔn)直器的出射光不重合，則反復(fù)調(diào)節(jié)該元件的水平豎直位置，俯仰和水平方向的轉(zhuǎn)角，直至二者重合。Fig 1 半導(dǎo)體泵浦固體激光實(shí)驗(yàn)裝置圖。半導(dǎo)體激光器(LD)輸出光經(jīng)過(guò)光纖微透鏡壓縮傳輸，作為泵浦光。組合透鏡會(huì)聚泵浦光至激光晶體（Nd:YAG 或

10、Nd:YVO4）.各透鏡表面鍍有泵浦光增透膜，耦合效率高。激光晶體的一端鍍泵浦光增透和輸出激光全反膜 F，作為固體激光器的輸入鏡。固體激光器的輸出鏡是鍍膜凹面鏡 M，對(duì)輸出激光部分透射,其透過(guò)率分別為 3%。III. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析討論A. 測(cè)量泵浦源的閾值和I-P特性不將任何元件插入光路，直接用激光功率計(jì)測(cè)量半導(dǎo)體固體激光器輸出的功率。半導(dǎo)體固體激光器的電源的輸出電流從0開(kāi)始，每0.1A增加一次，一直達(dá)到1.8A，每次改變電流后測(cè)量輸出功率。在功率從零突然開(kāi)始快速增加的點(diǎn)（即閾值）附近可適當(dāng)?shù)亩嗳?，?shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體固體激光器的閾值是0.37A。記錄下光功率和電流的變化特性見(jiàn)Table.1

11、。注意打開(kāi)泵浦源后要遮擋住準(zhǔn)直器，避免損壞，并且后續(xù)操作時(shí)都是如此。B. 測(cè)量不同晶體的功-功轉(zhuǎn)換效率搭建如Fig.1所示的光路，光路按照之前的說(shuō)明調(diào)節(jié)。在輸出鏡后大約8cm處用激光功率計(jì)測(cè)量輸出功率。在測(cè)量功率前用紅外顯示卡讓激光成像，觀察光斑的形狀可以，適當(dāng)微調(diào)輸出鏡使得激光的光斑為圓形，此時(shí)正好對(duì)應(yīng)TEM00模式；另外也可適當(dāng)微調(diào)其他的元件，使得在某給定電流下，輸出功率達(dá)到最大值。在以上調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，從閾值開(kāi)始，每隔0.1A測(cè)量一次輸出功率，直到電流達(dá)到1.8A。我們分別對(duì)Nd:YVO4和Nd:YAG兩種激光晶體進(jìn)行測(cè)量,數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)Table.1。我們可以將加入激光晶體后的效率與激光器的

12、功率電流特性進(jìn)行對(duì)比，從而可以得到各種輸入電流下的晶體功率轉(zhuǎn)換效率。我們將激光器功率，加入激光晶體之后的功率隨輸入電流的變化趨勢(shì)畫(huà)在一張圖中，如Fig.2。從三條I-P曲線(xiàn)看出，泵浦激光器的閾值在0.4A附近，超過(guò)該閾值后輸出功率幾乎隨電流線(xiàn)性變化。實(shí)驗(yàn)測(cè)得閾值為0.37A。Nd:YVO4的閾值比Nd:YAG小，Nd:YVO4的閾 值為0.42A，Nd:YAG閾值為0.44A。相對(duì)于Nd:YAG晶體，Nd:YVO4晶體轉(zhuǎn)換效率高，在同一電流下的輸出功率更高。激光器輸入電流和功率P/mW(Nd:Y04)P/mW(Nd:YAG)I/AP/mWP/mWefficiencyP/mWefficiency

13、0.1000.0%00.0%0.2000.0%00.0%0.3000.0%00.0%0.4800.0%00.0%0.55523.6%11.8%0.61092321.1%1513.8%0.71844826.1%3921.2%0.82458032.7%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%29

14、339.6%1.780336445.3%31739.5%1.885738745.2%33338.9%Table 1 激光器的I-P特性與Nd:YVO4和Nd:YAG激光晶體的功率轉(zhuǎn)換效率表。Fig 2 激光器功率，加入激光晶體之后的功率隨輸入電流的變化趨勢(shì)圖（I-P特性）。從三條I-P曲線(xiàn)看出，泵浦激光器的閾值在0.4A附近，超過(guò)該閾值后輸出功率幾乎隨電流線(xiàn)性變化。相對(duì)于Nd:YAG晶體，Nd:YVO4晶體轉(zhuǎn)換效率高，在同一電流下的輸出功率更高。同樣的，我們可以將兩種晶體的轉(zhuǎn)換效率放在一張圖中進(jìn)行對(duì)比，如Fig.3。Fig 3 兩種晶體的轉(zhuǎn)換效率隨電流的變化趨勢(shì)。從圖中可以看出，Nd:YVO4

15、 晶體的功-功轉(zhuǎn)換效率比Nd:YAG晶體高，并且當(dāng)電流增大到一定值時(shí)，兩種晶體的功-功轉(zhuǎn)換效率會(huì)趨向于一個(gè)定值。對(duì)于前者最大的效率可以達(dá)到 45%以上，而對(duì)于后者最大效率能達(dá)到39%以上。從Fig.3中可以看出，Nd:YVO4 晶體的功-功轉(zhuǎn)換效率比Nd:YAG晶體高，并且當(dāng)電流增大到一定值時(shí)，兩種晶體的功-功轉(zhuǎn)換效率會(huì)趨向于一個(gè)定值。對(duì)于前者最大的效率可以達(dá)到 45%以上，而對(duì)于后者最大效率能達(dá)到39%以上。二者的轉(zhuǎn)換效率的差別和兩種晶體的結(jié)構(gòu)差異有關(guān)，Nd:YVO4 晶體屬于單軸晶系，輸出線(xiàn)偏振光，不會(huì)出現(xiàn)雙折射現(xiàn)象，而Nd:YAG 則是立方晶體結(jié)構(gòu)。另外，在808nm 附近，Nd:YVO

16、4 晶體的泵浦帶寬度約為 Nd:YAG 晶體的五倍（因?yàn)樗懈叩谋闷治章屎透蟮奈战孛妫?，?Nd:YVO4 晶體在該波長(zhǎng)處的吸收能力正好達(dá)到峰值。C. 被動(dòng)調(diào)Q在Fig.1裝置的基礎(chǔ)上，在輸出鏡和激光晶體Nd:YAG之間插入調(diào)Q晶體，按照和前面完全相同的方法調(diào)節(jié)光路并使得輸出功率達(dá)到最大。我們用激光功率計(jì)直接測(cè)量電流分別為0.2和2.0A時(shí)，調(diào)Q激光脈沖的平均功率，見(jiàn)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 被動(dòng)調(diào) Q 平均輸出功率和電流的關(guān)系然后取下激光功

17、率計(jì)，在輸出鏡后放置連有示波器的快速探測(cè)器，使得輸出的激光正好被探測(cè)器的小孔吸收。我們用示波器觀察各個(gè)電流下調(diào)Q脈沖的波形，記錄其重復(fù)頻率和脈寬,如Table.3。I/Af/Hz脈寬/ns1.6 1.55701.8 2.71682.0 3.1868Table 3 重復(fù)頻率和脈寬從表中數(shù)據(jù)可以看出，調(diào)Q激光的平均功率非常低，比未加調(diào)Q晶體的情 況相比要小一個(gè)數(shù)量級(jí)。這和調(diào)Q激光的工作原理有關(guān)。加上調(diào)Q晶體后，諧振腔中的光量子數(shù)較少時(shí)不會(huì)有激光輸出，只有當(dāng)光量子數(shù)不斷積累，諧振腔內(nèi)的能量達(dá)到調(diào) Q 晶體的閾值時(shí)，才會(huì)在短時(shí)間內(nèi)以脈沖形式發(fā)出，而且該過(guò)程中還會(huì)引入新的損耗來(lái)降低功率。因此盡管從單個(gè)脈

18、沖來(lái)看雖然光強(qiáng)很大，但在一個(gè)脈沖周期內(nèi)的平均功率非常小。并且我們可以發(fā)現(xiàn)，隨著激光輸出功率的增大，脈沖的頻率會(huì)變高，這是因?yàn)樵诟吖β实那闆r下，調(diào)Q晶體可以更快到達(dá)突變閾值。脈寬基本不變，因?yàn)榉懦龉庾拥臅r(shí)間是由調(diào)Q晶體自身的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)決定的。IV. 結(jié)論實(shí)驗(yàn)中我們測(cè)量了半導(dǎo)體泵浦激光器的IP特性，發(fā)現(xiàn)該激光器工作的電流閾值為0.37A，當(dāng)電流超過(guò)該值時(shí)，激光器的輸出功率隨著電流迅速增加，并且?guī)缀醭删€(xiàn)性關(guān)系。在這個(gè)基礎(chǔ)上，我們測(cè)量了Nd:YVO4和Nd:YAG兩種激光晶體在上述激光器泵浦且以TEM00模式輸出時(shí)的輸出功率和泵浦源的輸入電流的關(guān)系，從而進(jìn)一步得到了這兩種晶體的功功轉(zhuǎn)換效率。我們發(fā)現(xiàn)功功轉(zhuǎn)換效率在閾值電流后迅速增加，然后逐漸趨于平穩(wěn)值。另外Nd:YVO4的轉(zhuǎn)換效率比 Nd:YAG 大，前者從透過(guò)率為3%的輸出鏡輸出后可達(dá)到 45%以上，后者則是39%左右。可見(jiàn)功-功轉(zhuǎn)換效率和晶體結(jié)構(gòu)有