激光实验-半导体泵浦讲义(必做).doc

半导体泵浦全固体激光器【实验目的】半导体泵浦0.532m绿光激光器由于其具有波长短，光子能量高，在水中传输距离远和人眼敏感等优点。效率高、寿命长、体积小、可靠性好。近几年在光谱技术、激光医学、信息存储、彩色打印、水下通信、激光技术等科学研究及国民经济的许多领域中展示出极为重要的应用，成为各国研究的重点。本实验以808nm半导体泵浦Nd3+：YVO4激光器为研究对象，产生1064nm激光，在腔中插入KTP倍频晶体产生532nm倍频光，观察倍频现象、测量相位匹配角等基本参数。从而对激光原理及倍频等激光技术有一定了解。【实验原理】1、激光原理激光是一种高亮度的定向能束，单色性好，发散角很小，具有优异的相干性，所以被广泛应用。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，它将保持不变，如果一个能量为h21的光子接近，则它吸收这个光子，处于激发态E2。在此过程中不是所有的光子都能被原子吸收，只有当光子的能量正好等于原子的能级间隔E1-E2时才能被吸收。 图1 光与物质作用的吸收过程激发态寿命很短，在不受外界影响时，它们会自发地返回到基态，并发出光子。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的，独立进行的，因而不同原子发出的光子的发射方向和初相位是不相同的。 图2 光与物质作用的自发辐射过程处于激发态的原子，在外来光子的影响下，会从高能态向低能态跃迁，并两个状态间的能量差以辐射光子的形式发射出去。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。 图3 光与物质作用的受激辐射过程激光器主要有：工作物质、谐振腔、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上的粒子不断积累，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。图4 三能级系统示意图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，部分被发射回工作物质，在两个反射间往返多次被放大，形成受激辐射的光放大即产生激光。2、光学倍频原理：光的倍频是一种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。在这里，为了使同学更直接地了解光学极化率的物理意义以及其与电极化强度和光场强度之间的关系，我们略去具体的推导过程及变换，简洁地引入光学极化率 (n)以及微观原子（分子）极化率，超极化率、，来讨论倍频效应的实现过程。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极辐射。当外场的光电场强度比物质原子的内场强小的多时，这种感应的电极化强度是空间位置和时间的函数P（r,t）,它正比于入射的光电场强度的值E（r,t）,其关系式为 (1)其中，0式真空介电常数， (1)是介质的线性光学极化率。通常情况， (1)是复数张量，如对双折射介质而言，他的各个对角元并不相等。从（1）式出发，配合电磁波在介质中传播的波动方程 （2） 人们可以解释介质中存在的吸收、折射和色散等效应。其中0是真空磁导率，为介质的电导率。一般来讲，（1）的实部对应介质体系的折射和色散，而虚部说明介质的吸收。一般而言，介质中的电极化强度P(r,t)可以按频率作傅立叶变换，有 （3）其中积分遍及所有极化成分的频率P(r,)则是频率成分对应的极化强度振幅。同样光电场相应的表达式为 （4）其中E（r,）既是频率成分对应的光电场振幅。则对于线性极化的矢量表达式为 （5）在激光没有出现之前，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。当外界光电场的强度足够大时（即激光），物质对光场的响应与光电场具有非线性关系，表达式（1）已经不能用于说明这时介质中所产生的极化强度与光电场强度的关系，而必须进行修正。光电场所感应的电极化强度与入射光电场强度的关系式中必须计及光电场强度的高幂次项，即： （6）右边第一项即是线性电极化强度项，而第二项和第三项以至更高幂次项，即是非线性光学效应的基本根源。分别为二阶及三阶非线性极化率张量，它们以及高阶非线性极化率张量是表征光与物质相互作用的基本参数。对于单个分子或原子来讲，电场所产生的偶极矩振幅与光电场振幅的关系可写为 （7）这里，要指出，在凝聚态材料中，由于外光电场的作用介质内部会产生极化，这种极化的结果会使得原子、分子实际受到的电场强度会不同于外加的光电场强度，即有一个定域场修正因子f,它与介质的特性有关。所以严格讲，在与等系数的转换关系中必须计及定域场因子，但为简单起见，在这里讨论和处理非线性极化率时，先暂不考虑定域场修正问题。（7）式中,均由介质决定，且逐次减小，它们的数量级之比为 （8）其中E原子为原子中的电场，其量级为108V/cm，当E很小时，上式中的非线性项E2、E3等均是小量，可以忽略，如果E很大时，非线性项就不能忽略。当考虑电场的平方项时 （9）则出现了直流项和二倍频项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，在晶体后产生倍频光，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证明： （10）式中L为晶体长度，、2分别为入射的基频光与输出的倍频光的光强，分别为基频光和倍频光的波矢。在正常色散的情况下，倍频光的折射率n2总是大于基频光的折射率，所以相位匹配。双折射晶体中o光和e光的折射率不同，且e光的折射率随着其传播方向与光轴间夹角的变化而改变，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。3、腔内倍频：由于连续泵浦激光器不能提供高转换效率所需要的高功率密度因此，解决该问题的有效方法是腔内倍频，即在激光谐振腔中放入非线性晶体，该腔内的功率约比输出功率大(1+R）/(1-R)倍.将透射率为T的输出镜换成一个对基波100%反射而对二次谐波却100%透射的输出镜,就能使二次谐波耦合输出谐振腔。从功能上讲，二次谐波晶体类似于一般激光器的透射镜，起到耦合输出镜的作用。在一般的激光器中,透射镜耦合输出激光的功率，而激光器内的非线性晶体就耦合输出两千倍于激光频率的功率。因为利用了激光腔内功率密度高的优点，所以只需得到与输出镜最佳透过率相等的转换效率，就能将基波输出全部转换成谐波输出。4、工作物质的选择：激光器的工作物质必须具有尖锐的荧光线、强吸收带和针对所需荧光跃迁得相当高的量子效应。一般来说，掺杂少量元素的固体通常具有这些特点，跃迁就发生在这些少量元素内部未填满的壳层之间。在此意义上，过渡金属、稀土（镧）系和錒系都是人们所感兴趣的。在探索固体激光材料的过程中，人们较早地认识到了三价钕离子特别有利于激光作用的特性。对d而言，CaWO4是YAG成为商品之前最常用的基质材料，YAG被发现后，很快就显现出相对其优越性，Nd：YAG激光器具有很低的阈值。在本实验中所使用的Nd：YVO4晶体在脉冲运转时的阈值相对较低。然而，对这种晶体的早期研究，受到了几种生长问题的困扰，最终放弃了将YVO4作为基质的努力。在出现二极管泵浦以后，Nd：YVO4才成为重要的固体激光材料，它有两个突出特点，分别是：受激发射截面大，比Nd：YAG的大五倍；对809nm波长存在很宽的吸收带。Nd：YVO4作为一种重要的激光材料，其潜力在1966年就已经被认可，然而，该晶体在生长中存在散射中心和吸收色心等缺陷，事实证明，它不可能作为闪光灯泵浦所需尺寸的高质量晶体，是阻碍其继续发展的主要障碍。几毫米长的Nd:YVO4能获得高增益，对二极管泵浦辐射也有很强的吸收，如果消除晶体大尺寸的限制，并进一步改进晶体的生长过程，就可以获得光学质量很好的晶体。钒酸钇是自然双折射晶体，激光输出沿着特殊的方向成线性偏振。偏振输出有一个优点，即避免了多余的热致双折射。在这种单轴晶体中，泵浦吸收就是最强的。在方向上，Nd:YVO4的吸收系数大约是Nd:YAG的4倍。在Nd:YVO4中，斯塔克分裂较少，多次跃迁较多，因此，在809nm左右的泵浦波长时，Nd:YVO4的吸收谱比Nd:YAG的宽，且没有那么尖。图示除了这种材料相对Nd:YAG较宽、较光滑的吸收分布。从图中可以看出，由于Nd:YVO4的泵浦带较宽，所以其激光性能更能适应二极管的温度变化。如果将这种带宽限制在这样的波段，即其中至少75%的泵浦辐射被5mm厚的晶体吸收。端面泵浦结构可以最好地利用Nd:YVO4的性能。对于输出为5W的连续端面泵浦激光器，Nd:YVO4是一种重要的材料，在系统中，吸收系数和增益都很高的Nd:YVO4材料就是具有很大的优势。图5 二极管泵浦Nd:YVO4和Nd:YAG激光器的输出功率同二极管温度、波长之间的函数关系【实验装置及仪器】 图6 实验原理图a：激光二极管 b：耦合透镜 c:Nd3+:YVO4 d:KTP晶体 e:输出镜 f：扩束镜 g：功率计谐振腔内光学元件各表面镀膜情况：元件c的镀膜：面HR1064nm、532nm;HT808nm 2面HT1064nm、532nm元件d的镀膜：3面HT1064nm、532nm 4面HT1064nm、532nm元件e的镀膜：5面HR1064nm;HT532nm 图7 实验装置图实验使用808nmLD泵浦晶体得到1064nm的近红外激光，再用KTP晶体进行腔内倍频得到532nm的绿光，长度为1mm参杂浓度为3at%,轴向切割Nd:YVO4晶体做工作介质，入射到内部光约95%被吸收，采用类相位匹配的KTP晶体作为倍频晶体，他的通光面同时对1064nm和532nm高透，采用端面泵浦以提高空间耦合效率，用等焦距为5mm的梯度折射率透镜收集808nmLD激光聚焦成0.1m的细光束，使光束束腰在Nd:YVO4晶体内部，谐振腔为平凹型，后腔片受热后弯曲。前腔片用K9玻璃，R为50mm，对808.5nm高反，1064nm半反。用650nm半导体激光器作准直光光源。【实验内容及要求】1、全固体激光器的装调（1）分别调整光具座的四个底角螺丝，使光具座处于水平状态（2）定光轴、调准直光打开650nm准直光光源F，将小孔光阑贴近F，使准直光通过小孔光阑的中心。将小孔光阑远离F，调整F的俯仰，使准直光一直通过小孔光阑的中心。调整A的俯仰，使准直光通过工作物质中心。（3）依次将A、B、C放上，使其反射像都通过小孔光阑的中心，这时A、B、C光学器件中心同轴，并垂直光轴，以上完成粗调。（4）适当调小电流，然后打开808nm泵浦电源，泵浦后Nd:YVO4,晶体产生1064nm的红外光，经KTP晶体倍频，输出532nm绿光。当绿光通过小孔光阑中心时，关闭并撤去准直光源，同时撤去小孔光阑，用功率计接收输出光束，微调A、B、C使功率最高，即完成光路调整。2、观察横模（1）在输出镜与小孔光阑之间放置倍扩束镜（使小孔光阑上的激光光斑扩大，便于观察模式）（2）调整输出镜的俯仰，观察横模的变化。（3）记录TEM00,EM01,TEM10,TEM02,TEM20及高阶横模的图像。 TEM00TEM20TEM40高阶横模3、测量激光器的参数（1）阈值利用上面的探测仪器，不断地降低泵浦能量，一直到某一临界能量，高于这个泵浦能量激光器出光。这个临界能量就为该器件的阈值能量。（2）曲线绘制先将功率调零。然后将波长选择532nm档，量程选择为20mw档，调出基模，并将泵浦电流调至最大，逐步减小泵浦电流，记录泵浦电流和所对应的输出功率，绘制曲线。I（mA）P(mw)参考图（3）相位匹配角在同一输入能量下，在匹配角附近某一角度范围内，测量不同角度下的倍频光的能量，做出角度与倍频光的功率的关系图，从图中找出功率最大输出的相位角，即为最佳匹配角。 ( 0 )P(mw) 参考图【实验报告及要求】1、据实验原理及内容要求，拟定出实验步骤，仪器调整方法及过程。2、实验现象及数据、图表、报告结果并作必要的分析。【思考题】1、匹配角对倍频效率有影响么？2、为什么采用内腔式倍频？3、电流由小变到最大，达到一个峰值，稳定一段时间后，功率自动上升。说明原因。4、灯泵与LD泵浦的区别。【注意事项】1、实验中激光器输出的光能量高，功率密度大，应避免直射到眼睛。2、输出镜与工作物质之间距离小于30mm。3、KTP与Nd:YVO4靠近。4、不能直接照射准直光源。【思考题参考答案】1、匹配角对倍频效率有影响么？ 答； 匹配角对倍频效率有很大的影响，本套系统采用了尺寸为，类相位匹配的KTP晶体作为腔内倍频晶体。要想得到高效率的转换，就要求晶体的倍频光的折射率等于晶体基频光的折射率，我们知道由于光的频率不同，在正常情况下，两个不同频率的光在相同晶体中的折射率是不一样的，就无法满足我们要的条件