实验报告-半导体泵浦激光原理

1、半导体泵浦激光原理实验 学号： 姓名：曹武 班别：光信二班合作人：程昌、谭宇婷 实验日期：3-14 组别：B11【实验目的】1、 了解与掌握半导体泵浦激光原理及调节光路方法。2、 掌握腔内倍频技术，并了解倍频技术的意义。3、 掌握测量阈值、相位匹配等基本参数的方法。【实验仪器】808nm半导体激光器、半导体激光器可调电源、Nd:YVO4晶体、KTP倍频晶体、输出镜（前腔片）、光功率指示仪【实验原理】光与物质的相互作用可以归结为光与原子的相互作用，有三种过程：吸收、自发辐射和受激辐射。如果一个原子，开始处于基态，在没有外来光子，将保持不变，如果有一个能量为h21的光子接近，则它吸收这个光子，处于

2、激发态E2.在此过程中不是所有光子都能被原子吸收，只有当光子能量正好等于原子能级间距E1-E2时才能被吸收。 激发态寿命很短，在不受外界影响时，它们会自发地返回基态，并放出光子。自发辐射过程与外界作用无关，由于各个原子的辐射都是自发、独立进行的，因而不同原子发出来的光子的发射方向和初相位是不同的。处于激发态的原子，在外的光子的影响下，会从高能态向低能态跃迁，并在两个状态的能量差以辐射光子的形式发出去。只有外来光子的能量正好为激发态与基态的能级差时，才能引起受激辐射，且受激辐射发出的光子与外来光子的频率、发射方向、偏振态和相位完全相同。激光的产生主要依赖受激辐射过程。激光器主要有：工作物质、谐振

3、腔、泵浦源组成。工作物质主要提供粒子数反转。泵浦过程使粒子从基态E1抽运到激发态E3，E3上的粒子通过无辐射跃迁（该过程粒子从高能级跃迁到低能级时能量转变为热能或晶格振动能，但不辐射光子），迅速转移到亚稳态E2。E2是一个寿命较长的能级，这样处于E2的粒子不断累积，E1上的粒子又由于抽运过程而减少，从而实现E2与E1能级间的粒子数反转。激光产生必须有能提供光学正反馈的谐振腔。处于激发态的粒子由于不稳定性而自发辐射到基态，自发辐射产生的光子各个方向都有，偏离轴向的光子很快逸出腔外，只有沿轴向的光子，部分通过输出镜输出，部分被反射回工作物质，在两个反射镜间往返多次被放大，形成受激辐射的光放大即产生

4、激光。光的倍频是一种最常用的扩展波段的非线性光学方法。激光倍频是将频率为的光，通过晶体中的非线性作用，产生频率为2的光。当光与物质相互作用时，物质中的原子会因感应而产生电偶极矩。单位体积内的感应电偶极矩叠加起来，形成电极化强度矢量。电极化强度产生的极化场发射出次级电磁辐射。当外加光场的电场强度比物质原子的内场强小得多时，物质感生的电极化强度与外界电场强度成正比。P=0E在激光没有出现前，当有几种不同频率的光波同时与该物质作用时，各种频率的光都线性独立地反射、折射和散射，满足波的叠加原理，不会产生新的频率。当外界光场的电场强度足够大时（如激光），物质对光场的响应与场强具有非线性关系：P=E+E2

5、+E3+式中，均为与物质有关的系数，且逐次减小。考虑电场的平方项E=E0costP(2)=E2=E02cos2t=E022(1+cos2t)出现直流项和二倍频项cos2t,直流项称为光学整流，当激光以一定角度入射到倍频晶体时，在晶体产生倍频光，产生倍频光的入射角称为匹配角。倍频光的转换效率为倍频光与基频光的光强比，通过非线性光学理论可以得到：=I2IL2Isin2(kl/2)(kl/2)式中L为晶体长度，I、I2分别为入射的基频光、输出的倍频光光强。在正常色散情况下，倍频光的折射率n2总是大于基频光的折射率，所以相位失配，双折射晶体中的o光和e光折射率不同，且e光的折射率随着其传播方向与光轴间

6、夹角的变化而改变，可以利用双折射晶体中o光、e光间的折射率差来补偿介质对不同波长光的正常色散，实现相位匹配。【实验装置】图4 实验装置示意图实验使用808nm LD泵浦晶体得到1.064m近红外激光，再利用KTP晶体进行腔内倍频得到0.53m的绿激光，长度为3x3x1mm掺杂浓度 3at% 轴向切割Nd:YVO4晶体作为工作介质，入射到内部的光约95%被吸收，采用类相位匹配2x2x5mmKTP晶体作为倍频晶体，它的通光面同时对1.064m、0.53m高透，采用端面泵浦以提高空间耦合效率，用等焦距为3mm的梯度折射率透镜收集808LD激光聚焦成0.1m的细光束，使光束束腰在Nd:YVO4晶体内部

7、，谐振腔为平凹型，后腔片受热后弯曲。输出镜用K9玻璃，R为50mm，对808.5，1.604高反，0.53增透。用632.8nmHe-Ne激光器作为准直光源。【操作步骤】1、 将808nmLD固定在二维调节架，将He-Ne 632.nm红光通过白屏小孔聚到折射率梯度透镜上。让He-Ne激光和小孔及808nmLD在同一轴线上。2、 将Nd:YVO4晶体安装在二维调节架，将红光通过晶体并将返回的光点通过小孔。3、 将输出镜固定在四维调节架上。调节输出镜使返回光点通过小孔。对于有一定曲率的输出镜，会有几个光斑，应区分从球心返回的光斑。4、 在Nd:YVO4晶体和输出镜之间插入KTP晶体，接通电源，调

8、节多圈电位器。5、 产生532nm倍频绿激光。调节输出镜，LD调节架，使532nm绿光功率最大。【实验数据记录与分析】表1 光源电流与光功率关系可调光源电流I/mA20406080100120140160180200808nmLD激光光功率P/mW0.040.100.201.957.0313.320.127.535.443.1可调光源电流I/mA220240260280300320340360380400808nmLD激光光功率P/mW49.053.759.063.969.575.482.191.2101.3110.5将数据导入Origin8.5，并拟合为平滑曲线如下：图4 实验测得LD的PI

9、特性曲线由激光原理可知：工作物质一定时，LD输出激光频率与谐振腔长度和激励源强度有关，即输出频率取决于PN结温度和注入电流大小。一般半导体激光器的发光特性如图5所示。可以看出在温度一定时，驱动电流低于阈值电流（门限电流）时，激光器输出功率趋近于零，此即为LD荧光区；只有当驱动电流高于阈值电流时才能产生激光，即为激光区，在这个区域内，输出功率随电流I的增大而迅速呈似线性式增大。图5 半导体LD一般PI特性曲线对比图5，从图4可看出实验测得PI曲线大致符合理论，一定程度说明数据正确性。可容易看出实验所用808nmLD的门限电流大致在70mA左右。在激光区的线性拟合度不是很高，尤其在220mA附近。

10、这是由于光功率计示数不稳定且波动较大，而且外光源（如台灯，走廊灯等）的影响也较大，但是不改变曲线的整体趋势。表2激励源电流与532nm绿色激光光功率关系及转换效率激励电流I/mA300320340360380400降序绿激光功率P1/mW0.2360.2450.3070.3800.4500.530升序绿激光功率P2/mW0.2360.28903070.4300.4800.571绿激光功率平均值P/mW0.2360.2670.3070.4050.4530.551808nmLD激光功率P/mW69.575.482.191.2101.3110.5转换效率0.34%0.35%0.37%0.44%0.4

11、5%0.50%注：=PP100%由上表数据可看出：随激励电流的增大（或者说LD光功率增大），532nm绿激光的转换效率整体上呈增加趋势。经查阅资料，实验所得转换效率远小于一般LD泵浦激光器的转换效率。造成偏低的原因可能有：（1）透镜或出射窗有污渍影响光强输出。（2）KTP晶体损坏（实验过程确有遇到晶体损坏，更换KTP晶体才明显看到绿色激光光功率增强）。（3）光路调节不够准直，主要器件的光轴不在同一条水平线上。（4）激光未能在增益介质膜中多次振荡便出射，光强增益放大不足。（5）光功率计数值显示不稳定，LD激光输出本身也不十分稳定，测量读数会有一定误差。再将升序、降序（对电流而言）测得的功率值以激

12、励电流为横坐标，导入Origin8.5，并拟合为平滑曲线如下图：图6 绿色激光（波长为532nm）的PI特性曲线由上图可以看出，当激励电流一定时，不管是升序还是降序，测得的绿激光光功率最大值相差甚小，但整体来说，升序测得的数据略大于降序测得的数据。因为实际实验中升序降序所取电流值一一对应，而降序过程中由于起始激励电源高，散热慢而导致光路系统（器件）温度会略高于升序时的温度。因为温度的升高会引起某些方向振动模式增益得到加强，某些方向振动模增益得到减弱。推测：1、降序系统温度偏高，绿光532nm激光振动模式增益得到削弱所致；2、电流一定的情况下，随着温度升高，半导体激光器LD的阈值电流增大，导致发

13、光功率降低。【实验总结】本实验大致主要过程步骤为：用波长为808nm的半导体激光光源作为固体增益介质Nd:YVO4晶体的泵浦光源，从而得到波长为1064nm的红外激光，利用He-Ne激光器进行光路准直校准，使激光通过KTP倍频晶体，利用其非线性作用可得波长为532nm的绿色激光，再稍微调整晶体和透镜调节架，使得绿激光光功率为最大值，并测量记录。最为关键和主要的步骤是光路的准直校准，具体步骤如下：1、 将小孔光屏置于轨道上，打开准直He-Ne激光光源。将光屏从靠近He-Ne光源一端向远端移动，直至准直光能全部透过小孔。（物镜、输出镜、KTP晶体等独立非固定器件先不放在光轨上）2、 将物镜放置在离泵浦光源距离为50mm左右的位置（物镜靠LD侧贴膜Nd:YVO4实为增益介质）。打开泵浦光源（实验设置为300mA输出电流），观察光斑是否在物镜正中心，注意中心光斑应为白色或亮黄色，区别于其他的红色反射光点。可调节物镜四维调节架旋钮使最亮光点严格在透镜中心。固定物镜关闭LD光源并再打开准直光源，细调物镜使激光反射点与光阑中心重合。实际实验中反射光点并未能完全与小孔重合。3、 将输出镜放上轨道，打开准直光源进行校准。根据光点随输出镜旋钮扭动方向的移动，判断物镜与输出镜是否严格平