半导体泵浦激光原理.docx

实验10 半导体泵浦激光原理【实验目的】：1、 掌握LD泵浦Nd:YVO4 固体激光器的基本概念；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：hv=E2-E1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 E2 上的原子数密度 N2 ，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 e-EkT 。于是，在上、下两个能级上的原子数密度比为N2N1 exp-(E2-E1)/kT式中，k为波尔兹曼常量，T为绝对温度。因为E2 E1 ,所以 N2 N1 。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 E2 ，当一个外来光子所带的能量 hv 正好为某一对能级之差 E2-E1 ，则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级 E2 向低能级 E1 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（Pin）-输出功率（Pout）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 Pth 表示。、利用 Pin Pout 曲线找到 Pth 的方法有三种：a、 双斜法：将 Pin Pout 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 Pin Pout 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 Pth。、Pin Pout 曲线的斜率该斜率为 Pth 以上的 Pin Pout 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/e2 的位置与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 D1/2 。可得，D1/2 =2 ln2 W=1.1774W。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）D1/2=1.7456（2ep）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 zr 的两个不同值 z1 、z2 ，根据光斑尺寸定义，从I 曲线中分别求出w(z1)、w(z2)，利用公式：2=2wz2-w(z1)z2-z1b、 用一个z值（z7zr）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 Iin Pout 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 Iin Pout 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）P0 ；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 Iin Pout 特性曲线如下：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。 Pth 以下的直线方程我们求得为：y=0.173x-0.0137 Pth以上的直线方程我们求得为：y=0.664x-0.167求阈值功率 Pth ：双斜法：0.173x-0.0137=0.664x-0.167，解得 x=0.312，即 Pth 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 Pth =0.312mw。常规法：0.664x-0.167=0，解得 x=0.252，所以阈值功率 Pth =0.252mw。由上可知，室温时激光器的 Iin Pout 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：刀口拉出时，得到的图像如下：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；D1/2=1.7456（2ep）=1.0124mm。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 0，所以无法求出准直距离 zr ,从而无法求出远场发射角。【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激下可以使其迅