半导体泵浦激光原理实验.doc

WGL-2型半导体泵浦激光原理实验讲义WGL-2 型 半导体泵浦技术原理实验 近代物理实验室一实验仪器1 808nm半导体激光器 500mW2 半导体激光器可调电源 电流0500mA3 Nd3+:YVO4 晶体 Nd:YVO4 晶体YVO4:Nd3+ 晶体 331mm4 KTP倍频晶体 225mm5 输出镜（前腔片） 6 R=50mm6 光功率指示仪 2W200mW 6挡二环境要求该仪器是实验用仪器。为了提高仪器的工作质量和延长仪器的使用寿命，在选择仪器安装场地时应注意以下几点：1. 环境温度 2052. 净化湿度 65%3. 无强振动源、无强电磁场干扰。4. 室内保持清洁、无腐蚀性气体。5. 仪器应放置在坚固的平台上。6. 仪器放置处不可长时间受阳光照射。7. 室内应具稳压电源装置对仪器供电，装有地线，保证仪器接地良好。安装方法WGL- 2型半导体泵浦激光实验装置，系精密仪器。因此仪器安装的场地应满足2.2的要求。工作台必须平稳。系统连线示意图如图（各部分的连线插头均唯一，不会出现插错现象）: 三实验目的及意义半导体泵浦0.53m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、水下通讯、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。半导体泵浦0.53m绿光激光器适用于大学近代物理教学中非线性光学实验。本实验以808nm半导体泵浦Nd：YVO4激光器为研究对象，让学生自己动手，调整激光器光路， 在腔中插入KTP晶体产生532nm倍频激光，观察倍频现象，测量阈值、相位匹配等基本参数。从而对激光技术有一定了解。四 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，它将保持不变，如果一个能量为hv21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。hv21E2E1(a)E2E1(b)E2E1(c)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的、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相同的。phaseE2E1(c)E2E1(a)hv21E2E1(b)光与物质作用的自发辐射过程处于激发态的原子，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。hv21E2E1(a)E2E1(b)hv21hv21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。E1E3E2三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激光。Relax relaxation光学倍频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的多时，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+E3+式中， 均为与物质有关的系数，且逐次减小，它们数量级之比为其中E原子为原子中的电场，其量级为108V/cm，当时上式中的非线性项E2 、E3 等均是小量，可忽略，如果E很大，非线性项就不能忽略。考虑电场的平方项 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：式中L为晶体长度，I、I2分别为入射的基频光、输出的倍频光的光强，k=k-2k2分别为基频光和倍频光的额传播矢量。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，所以相位失配，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。五 实验装置实验装置电源接线图实验使用808nm LD泵浦晶体得到1.064m 近红外激光，再用KTP晶体进行腔内倍频得到0.53m的绿激光，长度为331mm搀杂浓度 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225mm KTP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，谐振腔为平凹型，后腔片受热后弯曲。输出镜（前腔片）用K9玻璃，R为50mm，对808.5，1.064高反，0.53增透。用632.8nm He-Ne激光器作准直光源。六操作步骤激光器光路调整1 将808nmLD固定在二维调节架上，将He-Ne 632.8nm红光通过白屏小孔聚到折射率梯度透镜上。让He-Ne 632.8nm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上，将红光通过晶体并将返回的光点通过小孔。3 将输出镜（前腔片）固定在四维调节架上。调节输出镜使返回的光点通过小孔。对于有一定曲率的输出镜，会有几个光斑，应区分出从球心返回的光斑。4 在Nd:YVO4晶体和输出镜之间插入KTP倍频晶体，接通电源，调节多圈电位器。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。七注意事项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。特别是532nm绿光，切勿用眼睛直视激光器的轴向输出光束，以免视网膜受到永久性的伤害。2 避免用手接触激光器的输出镜，晶体的镀膜面，膜片应防潮，不用的晶体，输出腔片用镜头纸包好，放在干燥器里。3 如果在调整时，发现晶体及输出镜镜面较脏有灰尘时，可用混合液（酒精和乙醚4:1）搽试。4 激光器应注意开关步骤，先检查多圈电位器是否处于最小处，再打开电源开关，逐步调整电位器，使电流逐渐增大，激光器出光。实验完成后，调整电位器，直到电流为零，再关闭电源。图5-1 LaF3和LaOF纳米晶体的X射线衍射谱(a) Dy3+(1.0 mol%)/Eu3+(1.0 mol%):LaF3;