实验三 半导体泵浦激光实验.doc

实验三 半导体泵浦激光实验半导体泵浦532nm绿光激光器由于具有波长短，光子能量高，体积小，效率高，可靠性高，寿命长，在水中传输距离远和对人眼敏感等优点，近几年在光谱技术，激光医学，信息存储，彩色打印，水下通讯等领域展示出极为重要的作用，从而成为各国研究的热点。半导体泵浦532nm绿光激光器适用于大学近代物理教学中的非线性光学实验。本实验以808nm半导体激光泵浦Nd3+: YVO4激光器为研究对象，在激光腔内插入倍频晶体KTP，产生532nm倍频光，观察倍频现象、测量倍频效率、相位匹配角等基本参数。一、实验目的1、 掌握光路调整基本方法，观察横模，测量输出红外光与泵浦能量的关系，斜效率和阈值；2、 测量半导体激光器注入电流和功率输出的变化关系，了解激光原理及倍频等激光技术。二、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。爱因斯坦从辐射与原子的相互作用的量子论观点出发提出：在平衡条件下，这种相互作用过程有三种，也就是受激吸收，受激辐射和自发辐射。E2E1E2E1hv21E2E1(a)(b)(c)图1 光与原子相互作用的吸收过程假定一个原子，其基态能量为E1，第一激发态的能量为E2，如图1所示。如果原子开始处于基态，在没有外界光子入射时，原子的能级状态将保持不变。如果有一个能量为的光子入射，则原子就会吸收这个光子而跃迁到第一激发态。原子的跃迁必须符合跃迁选择定则，也就是入射光子的能量等原子的能级间隔时才能被吸收（为叙述的简单起见，这里假定自发辐射是单色的）。激发态的寿命很短，在不受外界影响时，它们会自发地返回到基态并发射出光子。自发辐射与外界作用无关，由于原子的辐射都是自发地，独立地进行的，所以不同原子发射的光子的发射方向和初相位都是随机的，各不相同的，如图2所示。E2E1E2E1(a)(b)(c)图2 光与原子相互作用的自发辐射过程E2E1hv21如果有一个能量为的光子入射，则原子就会在这个光子的激励下产生新的光子，即引起受激辐射，如图3所示，受激辐射发射的光子与外来光子的频率、发射方向、偏振态和初相位完全相同。激光就是受激辐射过程产生的。图3 光与原子相互作用的受激辐射过程(a)(b)E2E1hv21hv21E2E1hv21激光器主要由工作物质、谐振腔以及泵浦源组成。激光工作物质能使粒子数反转从而使得原子布局到激发态上。以四能级工作物质为例，如图4所示，泵浦过程式粒子从基态E1抽运到激发态E3上。E3上的粒子通过无辐射跃迁（粒子经过这个无辐射跃迁过程到达一个低能级，释放的能量转变成热能或者晶格振动能量，但是不辐射光子）迅速转移到亚稳态E2上，E2是激光物质工作的高能级，它的寿命较长，在泵浦持续的过程中，处在E2上的粒子数不断积累，而激光物质工作的低能级E1在激光工作物质发射激光之前的粒子数很少，这样就会在激光工作物质的上能级E2和低能级E1之间形成粒子数反转。图4 四能级系统简单示意图E3E2E1E0激光的产生一般都有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激光下能级。自发辐射产生的光子的发射方向在空间立体角内是均匀分布的，在激光谐振腔中，偏离轴向的光子很快逸出墙外而不会对受激放大有贡献；只有沿轴向的光子部分通过输出反射镜输出，部分被谐振腔的反射镜反射回工作物质而受到放大，受到放大的受激辐射又有部分输出谐振腔，一部分被反射回工作物质而放大，谐振腔就是这样放大受激辐射从而产生激光的。激光的倍频是一种常用的扩展光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而产生频率为的光。为了直接地了解光学激化率的物理意义以及基于电激化强度和光强之间的关系，略去具体的推导过程，引入极化率，微观原子（分子）的极化率，超极化率和来讨论光学倍频的原理。光与物质相互作用时，物质中的原子会因为光电场的作用而产生电偶极矩。单位体积内电偶极矩的矢量和就是电极化强度矢量。电极化强度产生的极化场发射出次级电磁辐射。当外场的光电场强度远小于物质原子内的电场强度时，这种感应的电极化强度是空间位置和时间的函数，它正比于入射的光电场强度的电场值，两者之间的关系为 (1)这里为真空介电常数，为介质的线性电极化率。通常情况下是复数张量。从(1)式出发，结合电磁波在介质中的传播方程 (2)就可以解释介质中存在的吸收、折射和色散等效应。其中是真空磁导率，为介质中的电导率。一般来说的实部对应介质体系的折射和色散，而虚部则与介质的吸收相关。对介质中的电极化强度作傅立叶展开，有 (3)式中对频率的积分遍及所有极化分量所对应的频率，则是频率为的极化强度。同样光电场也可以作傅立叶展开 (4)其中则是频率为的电场强度。这样，对于线性极化率的矢量表达式就可以变换成 (5)在激光没有出现之前，当有几种不同频率的光波同时与透明物质相互作用时，各种频率成分的光都相互独立、线性地反射、折射和散射，不会产生新的频率的光。当外界光电场的强度足够大时（激光满足这个条件），物质对光电场的响应与光电场可能会出现非线性关系，(1)式必须进行修正。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考虑到电场强度所产生的高阶修正项，极化强度可以写成 (6)右边第一项就是线性电极化强度项，而第二项和第三项以及更高阶项就是强光电场所产生的高阶电极化强度，它们就是非线性光学效应的产生的根源。和分别就是二阶和三阶非线性极化率张量，它们以及高阶非线性极化率张量就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说，电场所产生的偶极矩振幅与光电场振幅的关系可以写为 (7)这里要指出的是，在凝聚态材料中，由于外来光电场的作用，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（定域场）与外加电场不同，也就是定域场等于外电场乘以一个定域场修正因子，这个因子与介质的特性有关。所以严格来说，在与等系数的转换关系中必须记及定域场因子。但是为了简单起见，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，且它们的大小依次减小，它们的数量级之比为 (8)其中为原子中的电场强度大小，其数量级约为，当光强很弱也就是E很小时上式中的非线性项和都是小量，因而可以忽略。但是如果光电场强度E很大时，非线性项就不能忽略。当考虑电场的平方项时 (9)这样就出现了直流项和二倍频项，直流项被称为光学整流。当激光以一定角度入射到倍频晶体中时，在晶体中就会产生倍频光，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转换效率为 (10)式中的L为晶体的长度，和分别为入射的基频光与输出的倍频光的光强，为基频光与倍频光的波矢差。在正常色散条件下，倍频光的折射率总是大于基频光的折射率，所以能相位匹配。双折射晶体中o光和e光的折射率不同，且e光的折射率随着它的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光和e光的折射率差来补偿介质对不同波长光的正常色散，从而实现相位匹配。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就是腔内倍频，也就是在激光腔内放入倍频晶体，谐振腔内的功率是输出功率的倍，所以可以产生倍频。这样就需要输出反射镜对基频光100%反射而对倍频光却100%透射，这样就能在腔内倍频并且输出倍频光。从功能上来讲，只要得到与输出经最佳透过率相等的转换效率，就能将基频光全部转换成倍频光输出。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、强的吸收带和针对所需激光跃迁的相当高的量子效率。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，过度金属、稀土金属（镧系和锕系）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在激光产生方面的作用。对Nd而言，CaWO4是YAG晶体商品化之前最常用的基质材料，YAG商品化之后很快就显示出它对于CaWO4的优越性，Nd: YAG激光器具有更低的阈值本实验中所使用的Nd: YVO4晶体在脉冲运转时的阈值相对较低，在出现二极管泵浦方法之后Nd: YVO4晶体才成为重要的固体激光材料，它有两个突出优点，一是受激发射截面大，比Nd: YAG大五倍；二就是对809nm波长具有很宽的吸收带。几毫米长的Nd: YVO4就能获得高增益。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材料就具有很大的优势。实验装置以及仪器图6 半导体泵浦激光器腔内倍频原理图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图7实验装置图元件e的镀膜：5面HR1064nm;HT532nm实验使用808nmLD泵浦激光晶体，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。工作介质时长度为1mm参杂浓度为3at%，轴向切割的Nd:YVO4晶体。在Nd:YVO4晶体内部约95%的泵浦光被吸收，采用类相位匹配的KTP晶体作为倍频晶体，它的通光面同时对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，对1064nm半反。利用650nm半导体激光器作准直光光源。三、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2.5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）阈值逐渐降低泵浦能量（电流），一直到某一临界电流，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。借助激光功率计，找到这个阈值电流。（2）I-P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I-P曲线。I（mA）P(mw)200230260290320350380410440470500（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