半导体泵浦激光原理

实验 10 半导体泵浦激光原理 【实验目的】： 1、 掌握 LD 泵浦 Nd:YV 固体激光器的基本概念；4 2、 掌握连续激光器阈值概念及测量方法； 3、 掌握连续激光器斜率效率及测量方法。 【实验原理】： 1、 普通光源的发光受激吸收和自发辐射 普通常见光源的发光是由于物质在受到外来能量作用时，原子中的电子就会吸收 外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发过程是“受激吸收”过程。 自发辐射：在没有外界作用下，原子中的电子自发的由高能级向低能级跃迁，跃 迁时将产生光辐射，此即为自发辐射。辐射光子能量为： =21 原子的自发辐射过程完全是一个随机过程，所辐射的光之间完全没有联系。 波尔兹曼分布规律：在通常的热平衡条件下，处于高能级 上的原子数密度 2 2 ，远比处于低能级的原子数密度低。处于能级 E 的原子数密度 N 的大小随能级 E 的增 加而指数减小，即 N 。于是，在上、下两个能级上的原子数密度比为 exp-( )/kT 21 21 式中，k 为波尔兹曼常量，T 为绝对温度。因为 ,所以 。2 1 2 1 普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。一般来说，这种光源所 辐射光的能量是不强的，能量分散。 2、 受激辐射和光的放大 亚稳态能级：在原子中可能存在这样一些能级，一旦电子从高能态向低能态跃迁 时只能发生在 l（角动量量子数）量子数相差 1 的两个状态之间，这就是一种选择规 则，被激发到这种能级上时，由于不满足跃迁的选择规则，可使它在这种能级上的寿 命很长，不易发生自发跃迁到低能级上。 受激辐射：处在亚稳态能级上电子，在外加光的诱发和刺激下可以使其迅速跃迁 到低能级上，并放出光子。受激辐射理论是激光的基础。 受激辐射过程大致如下：原子开始处在高能级 ，当一个外来光子所带的能量 2 hv 正好为某一对能级之差 - ，则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级 21 2 向低能级 跃迁。原子所发出的光子与诱发光子全同，不仅频率（能量）相同，而且1 发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子，就会出射两 个完全相同的光子。这意味着原来光信号被放大，这种在受激过程中产生并被放大的 光，就是激光。 3、 粒子数反转 为使光源发射激光，关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，此即为 粒子数反转。 【实验内容】： 一、 LD 泵浦 Nd：YVO4 固体激光器的基本概念与主要参数测量 LD 泵浦 Nd：YVO4 固体激光器具有以下特点： 、光谱匹配性好； 、体积小，结构简单，装调方便，使用寿命长； 、具有倍频特性。 LD 泵浦 Nd：YVO4 固体激光器的相关参数和曲线： 、泵浦功率（ ）-输出功率（ ）特性曲线 如下图： 随泵浦功率增加，激光器首先渐渐增加自发辐射，直至超过阈值，发生受激辐射。 开始发生受激辐射时的泵浦功率值，为阈值功率，用 表示。 、利用 曲线找到 的方法有三种： a、 双斜法：将 曲线中两条直线延长线交点所对应的功率作为阈值功 率； b、常规法：输出光功率延长线与功率轴的交点作为激光器的阈值功率； c、导数法：在 曲线中，将输出功率对泵浦功率求二阶导数，求导数 波峰所对应的功率值为 。 、 曲线的斜率 该斜率为 以上的 曲线的斜率，表示波长为 808nm 的泵浦功率有 多少转换成 1064nm 固体激光器的输出功率。 二、 LD 泵浦 Nd：YVO4 固体激光器光斑尺寸的测量 在各种不同光强分布形式中，基横模的光强分布不均匀性最小，因此需要激光器 工作在基横模状态。激光基横模的光强分布是高斯分布，能够方便地测量光斑的大小。 取激光器的轴向为直角坐标系的 z 轴，以谐振腔的中心为原点，并在与主轴 z 垂 直的平面上取 x 轴和 y 轴。 衡量光斑大小可以用光斑半径，它定义为光强衰减到中央最大光强的 1/ 的位置2 与 z 轴之间的距离，称为半宽度，记为 W；也可用半极大全宽度，它定义为光强衰减 到中央最大光强的一半的位置与 z 轴之间距离的 2 倍，称为半功率直径，记为 。1/2 可得， = W=1.1774W。1/22 2 用刀口法可以测定光斑的大小和验证光斑的光强分布是高斯分布。实验中使刀口 平行于 y 轴，沿垂直于 x 轴方向移动。当刀口缓慢推入光束时，设刀口挡住了 x a 的所有点。最后，归一化的高斯分布和相对功率与刀口位置关系曲线如下图所示： 相对功率为 0.25 和 0.75 的点分别位于高斯分布曲线极大值两侧，其距离为 ep=0.6745。由实验得到的相对功率与刀口位置的关系曲线可确定 ep 的值。用 ep 的值可计算出光斑大小： W = 1.4826（2ep ） =1.7456（2ep）1/2 三、 LD 泵浦 Nd：YVO4 固体激光器远场发散角的测量 激光光能量在空间的分布高度集中在光的传播方向上，但它仍有一定的发散度。 总的来说，光斑尺寸 w(z)是随 z 的增加而增加的，成为两条对称曲线，在 z=0 处最细。 由上述可知，本实验用刀口法测量激光光斑尺寸。当利用一刀口垂直于光束传播 方向，将遮盖部分光束，这将导致通过的激光功率下降。测出激光透过功率为 94%和 6%二值所对应的刀口相对位置，即可测得光束腰斑直径 2 值。 远场发散角：以光斑尺寸为轨迹的两条双曲线的渐近线间的夹角。如图所示： 测量远场发散角的方法有两种： a、 选取 z 的两个不同值 、 ，根据光斑尺寸定义，从 I 曲线中 1 2 分别求出 w( )、w( )，利用公式：1 2 2=2 w(2)w(1)21 b、 用一个 z 值（z7 ）及与其对应的 w(z)，通过公式： 2=2w(z)/z 来计算。 【实验装置】： 一、LD 泵浦 Nd：YVO4 固体激光器的基本概念与主要参数测量 功率可调 808nm 激光二极管、Nd ：YVO4 固体激光器一套、光功率指示仪（功率计） 二、LD 泵浦 Nd：YVO4 固体激光器光斑尺寸的测量 激光器（工作波长为 532nm 的基横模固体激光器）、装有移动精度 0.02mm 的螺旋测 微器的刀口、光电探测器、功率计 三、LD 泵浦 Nd：YVO4 固体激光器远场发散角的测量 实验装置同二。 【实验步骤】： 一、LD 泵浦 Nd：YVO4 固体激光器的基本概念与主要参数测量 1、连上电线，保证旋钮位置对应的电流为最小； 2、打开激光光源； 3、调节电流旋钮，逐步增大电流，同时检测激光功率计的读数； 4、记录不同电流下的功率； 5、绘制激光器的 特性曲线； 6、用两种以上方法确定激光器的阈值功率； 7、计算室温时激光器的 曲线的斜率。 二、LD 泵浦 Nd：YVO4 固体激光器光斑尺寸的测量 1、调好光路，使激光器稳定输出 532nm 的绿光； 2、将刀口位于激光光斑边缘位置，并将功率计置于刀口后面来测量未被刀口挡住的激 光光功率； 3、测量此时的激光的输出功率（此时激光全部打入功率计） ；0 4、缓慢旋转螺旋测微器，推进刀口，每 0.04mm 测一对应的激光功率 P，记录下来； 5、重复 4，直到光斑全部被刀片挡住，即功率计显示为零，由此建立 Px 曲线； 6 再将刀口拉回，重新测量一组 Px 数据； 7、数据拟合及处理得出光斑尺寸及基横模的判断结果。 三、LD 泵浦 Nd：YVO4 固体激光器远场发散角的测量 1、调好光路，使得 532nm 的激光稳定输出； 2、以输出镜为原点，在光路方向上利用刀口法分别测量距离原点为 0.2m，0.4m，0.6m ，0.8m，1.0m 处的光斑尺寸； 3、计算每一处的光斑尺寸，利用两种方法处理数据求出远场发散角。 【实验数据及处理】： 一、LD 泵浦 Nd：YVO4 固体激光器的基本概念与主要参数测量 （实验数据见 Excel 上。） 由 Excel 作出的激光器的 特性曲线如下： 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 略去某些误差较大的点，我们所得到的图形与理论图形相近。 以下的直线方程我们求得为：y=0.173x-0.0137 以上的直线方程我们求得为： y=0.664x-0.167 求阈值功率 ： 双斜法：0.173x-0.0137=0.664x-0.167，解得 x=0.312，即 所对应的阈值电流为 0.312，因 LD 的电流正比于其功率，所以我们可以认为阈值功率 =0.312mw。 常规法：0.664x-0.167=0，解得 x=0.252，所以阈值功率 =0.252mw。 由上可知，室温时激光器的 曲线的斜率为 k=0.664 。所以波长为 808nm 的泵浦功率有 66.4%的转换成 1064nm 固体激光器的输出功率。 二、LD 泵浦 Nd：YVO4 固体激光器光斑尺寸的测量 （实验数据见 Excel 上。） 刀口推入时，得到的图像如下： 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 Series 1 刀口拉出时，得到的图像如下： 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 Series 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 Series 1 对两图像进行适当组合，数据拟合，可得，ep=0.29mm。所以，光斑大小为： W=1.4826（2ep）=0.8599mm； =1.7456（2ep）=1.0124mm。1/2 由所得出的图像可知，激光基横模的光强分布是高斯分布。 三、LD 泵浦 Nd：YVO4 固体激光器远场发散角的测量 （实验数据见 Excel 上。） 计算光斑尺寸： 距离原点为 0.2m 时，有 ep=0.29mm，W=1.4826（2ep）=0.8599mm ； 距离原点为 0.4m 时，有 ep=0.42mm，W=1.4826（2ep）=1.2454mm ； 距离原点为 0.6m 时，有 ep=0.57mm，W=1.4826（2ep）=1.6902mm ； 距离原点为 0.8m 时，有 ep=0.58mm，W=1.4826（2ep）=1.7198mm ； 距离原点为 1.0m 时，有 ep=1.08mm，W=1.4826（2ep）=3.2024mm 。 其中，距离原点为 1.0m 处的数据可能有误。 由于我们没有记录下 z=0 点时的光斑尺寸（它是高斯光束的特征参量），无法确 定 ，所以无法求出准直距离 ,从而无法求出远场发射角。0 【问题思考】： 1、 LD 泵浦 Nd：YVO4 固体激光器受激发射的条件是什么？ 答：受激发射是指处在亚稳态能级上电子，在外加光的诱发和刺