XGL-2(A)型半导体泵浦激光原理

1、2012XGL-2(A)型半导体泵浦原理王文广U200910198苏海瑞U200910218应物0903班王文广王文广2012/1/1Sunday应物0903班王文广U200910198 /19XGL-2(A)型半导体泵浦原理实验一、LD泵浦Nd：YV04固体激光器的基本概念与主要参数测量一、实验目的1、掌握LD泵浦Nd：YV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二、实验原理1、普通光源的发光：受激吸收和自发辐射物质收到外来能量的作用时，原子屮的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子受激。处在高能级的电子寿命很短,在没有外界作用

2、下会自发地向低能级跃迁，跃迁时将产生光辐射。辐射光了能量为hv=2-耳，即自发辐射(a)自发辐射e2E2(b)受激吸收2、受激辐射和光的放大原子开始处于高能级，当一个外来光子所带能量刚好为某一(C)受激发射对能级之差，则这原子可以再此外来光子的诱发下从高能级向低能级跃迁，此时入射一个光了，就会射出两个完全相同的光了，这意味着原子光信号被放大，这种在受激过程中产生并被放大的光，就是激光3、粒子数反转一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且能引起受激吸收，所以只有当高能级的原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收而占优势。为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键就是使发光原子处在高能

3、级的数目比处在低能级的多，即粒子数反转4、泵浦功率(Pin)输出功率(Pout)特性曲线LD作为固体激光器的泵浦光源，其输出功率作为固体激光器的泵浦功率Pin,而固体激光器的输出功率为Pout,其曲线为Pin-Pout曲线。图3所示。随泵浦功率增加，激光器首先是渐渐地增加自发辐射，直至超过阈值，发生受激辐射。最感兴趣的参数是开始发生受激辐射线可以找到Pth,其作法有三种：第一是双斜法，它是将Pin-Pout曲线中两条直线延长线交点所对应的功率作为激光器的阈值功率Pth（如图4a所示）；第二种作法是，输出光功率延长线与功率轴的交点作为激光器的Pth（如图4b所示），这是一种比较常规的作法；第三种

4、方法是在P.n-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,这种作法的测量精度较高，如图4c所示。5、Pin-Pout曲线的斜率（）表示这种能力的直接量值是Pth以上的Pin-Pout曲线的斜率用APout/APino在Pth以上的Pin-Pout曲线的斜率表示波长为808nm的泵浦功率有多少一种光光转PinPout曲线法求P换效率。实验内容和步骤1、连上电线，保证旋纽位置对应的电流为最小。2、打开激光电源将仪器预热10-30分钟。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（LD的电流正比于其功率）的功率。5、绘制激光器的

5、hn-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Ln-Pout曲线的斜率。五、数据记录与处理收据记录Pin0.060.10.15Pout667Pin0.360.370.38Pout303236Pin0.430.440.45Pout626771Pin0.70.750.8Pout2072543070.20.250.30.3591423300.390.40.410.42424852580.50.550.60.65911051431780.850.90.951386475692833用单斜法处理求得几=0.59双斜法求得必=0.61实验二、LD泵浦Nd:YVO4固

6、体激光器光斑尺寸的测量一、实验目的1、了解基模激光光束的传播特性及其横截面光强的高斯分布特性2、掌握刀口法逐点测量法测量光斑尺寸的原理方法3、掌握激光基模判断方法及其数据拟合方法实验理:在许多应用激光的场合都希望激光光斑的光强分布是均匀的，但是实际的光强分布是不均匀的.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.1、光强分布和光斑大小：激光在谐振腔内振荡的过程中.在光束横截面上的光强形成各种不同形式的稳定分布.在光束横截面上的这种稳定分布，称为激光束的横向模式.简称横模。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

7、取x轴和y轴，用符号TEMnmo来表示各种横向模式.这里均为正整敷，分别表示在x轴和y轴方向上光强为零的那些零点的序数，称为模式序数。基横模是光斑中间没有光强为零的光斑，称为TEMoo模；而TEM10模则表示在x方向上有一个光强为零的光斑；TEMoi模表示在y方向上有一个光强为零的光斑；以此类推，模式序数gn越大.光斑图形中光强为零的数目就越多。基横模的光强分布不均匀性最小是显而易见的.激光束基横模的光强分布是高斯分布，在垂直于z轴的xy平面上的光强分布l（x,y）为2（亍+于）或者其中Po为光束的总功率，Io为光束截面上的中央最大光强，W称为光斑半径，它定义为光强衰减到中央最大光强的l/e2

8、的位置与z轴之间的距离，称为半宽度。衡量光斑大小也常用半极大全宽度（FWHM）,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,它与W的关系由式或式可得:D“2=J21n2W=1.1774W2、刀口法测量原理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人光束时，设刀口挡住了xWa的所有点。未被刀口挡住而通过的光功率P用余误差函数表示为：XXP=jJ/(x,y)dxdy=如果先用刀口把光束全部挡住，然后把刀口缓慢拉出时，未被刀口挡住而通过的光功率可用相应的误差函数表示。将式(1)、

9、(2)和式(4)归cr=exp(-Po一化后有：/(兀刃Po其中b二w/2是数理统计中的标准偏差.根据式(6)和式作出的归一化高斯分布和相对功率与刀口位置关系曲线如图1所示图1(a)归一化高斯分布；(b)相对功率与刀口位置关系可以证明，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ep=0.6745o.所以从由实验得到的相对功率与刀口位置的关系曲线就可确定ep的值。算出o值后就可计算P/P。的理论值，进行曲线拟台.如果拟合得好，就证明基横摸光强是高斯分布.用ep的值可计算光斑大小:W=1.4826(2ep)Di/2=1.7456(2ep)三、实验内容及步骤1、调好光路，

10、使LD泵浦KTP倍频Nd:YVO4固体激光器稳定输出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、测量此时激光的输出功率（此时激光全部打入功率计）Poo4、缓慢旋转螺旋测微器，推进刀口，每0.04mm（也可取最小精度0.02mm）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P-x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数据记录与处理刻度XPout刻度XPout刻度XPout刻度XPout1.40.0322.20.11830.43.8

11、0.811.440.0352.240.1253.040.4153.840.8251.480.0372.280.1363.080.4313.880.841.520.0382.320.153.120.453.920.861.560.0412.360.1673.160.4653.960.871.60.0442.40.1863.20.48411.640.0482.440.23.240.54.041.0251.680.052.480.2153.280.5214.081.0391.720.542.520.2333.320.5544.121.0391.760.0582.560.253.360.5831.80

12、.062.60.2653.40.611.840.0642.640.283.440.6331.880.072.680.2993.480.6531.920.0742.720.3133.520.6741.960.0792.760.3293.566920.0852.80.343.60.712.040.092.840.353.640.742.080.0962.880.363.680.762.120.1032.920.373.720.7752.160.1112.960.383.760.8说明：由于刀片拉出的过程和推入的过程数据相差不大，为了让数据处理更简捷一点，我们只取了一半。应物0903班王文广U200

13、910198 /19Pout-0.6-0.30.0-相对功率为4%时,xl=1.58mm相对功率为96%时，x2=3.98mm2ep为x2-xl=2.4mmw=3.56mm实验三、LD泵浦Nd:YVO4体激光器远场发散角的测量D=4.19mm一、实验目的1、加深对高斯光束及激光传播特性的理解。2、掌握激光光斑尺寸的两点测量方法。3、掌握激光远场发散角的测量方法。二、实验原理相对一般光源，激光束具有方向性好的特点.也就是说，光能量在空间的分布高度集中在光的传播方向上但是它仍有一定的发散度,同时光强分布有着特殊结构.如由球面镜构成谐振腔产生的激光束，既不是均匀的平面波.也不是均匀的球面波.在它的横

14、截面上，光强是以高斯函数型分布的、故称作高斯光束此种激光束有广泛的实际应用.同时它也是研究其他分布类型激光束的基础.光波是光振动在空间的传播.根据波动方程.一束沿某一方向(设为z)传播的高斯光朿，其电矢量E的空间变化表示为：E(兀y=刍e羊丿e科i-k(:+Z)+0w”R其中等式右边，乘点前的那部分表示E的振幅，乘点后的部分为E的相位.Ao/w(z)为z轴上(x=y=0)各点的电矢量振幅A(0,0,z);w叫z点的光斑尺寸，它表小电矢量振幅下降到中心值(中心点(OOz)的振幅)的1/e、或光强下降到中心光强的IQ时，所对应的点(x“z)到中心点的距离.光斑尺寸的表达式为：w()=Wofl+C)

15、212其中，W。是Z=0点的光斑尺寸，称作光斑的“腰粗”，它是高斯光束的特征参量，由激光器结构决定例如平凹腔的Wo为：wo=(RL-li/4其中入为激光波长，L为激光器谐振腔腔长，R为凹面镜的曲率半径.R是z处波阵面的曲率半径：R(z)=zi+()*是与Z有关的相位因子：i/(Z)=arctg一-只要wo给定,就可以求出R,w(z),巾。以上至式共同描述激光朿的物理图象，现在分段分析光束传播的特点(参看图1)jj双凹腔图1曲率半径相同的双凹腔基横模TEMoo剖面图(l)z=0处波阵面：从式中看出，忸)=“，所以z=0处的波阵面是一个平面.振幅:*,0)=也exp土Wo(6)为高斯函数型，设P=

16、(xJy2)叱表示点(x,y)到中心的距离,在P=0(即光斑中心)处，A(0,0)=Ao/w0,振幅最大，在P二Wo处，A(wo,O)=A(O,O)/e,振幅下降到屮心值的1/e,P继续增大时，振幅将继续下降逐渐趋于0.所以振幅的变化是屮心最大，沿半径向外逐渐减小.没有清晰的边缘总的说来，在z=0处，尽管波阵面是个平面，但面光强的分布是不均匀的，所以它不同于平行光束的平面波。(2)z=ZoO处波阵面：从(1)式相位部分看出，它虽比均匀球面波多了一个相位因子V(Zo),但帜Zo)是个常数，不影响波阵面的形状，所以它的波阵面仍是一个球面.曲率半径为R(z).从式中还可看到，波阵面的曲率半径R(z)

17、是随z而变化的，R(z)总大于zo,即不同z处的球面波的中心都不在原点，但随z的增加逐渐趋于原点.振幅：与z二0处具有相同的变化规律.仍是中心最大.由中心向外以高斯函数形式逐渐减小.所以它不同于点光源发射的球面波.z二z0O处一样，都是高斯球面波.不同的是.R(zo)是沿z传播的会聚球面波，R(zo)0是沿z传播的发散球面波.它们以z=0平面为对称分布.总的说来.光斑尺寸W是随Z的增加而增加的，成为两条对称曲线.在z=0处最细.故形象地称作光束的“腰”，它位于双凹腔的中心.对于平凹腔激光器.它相当于双凹腔的一半、不难看出腰应位于平面镜的中心.平凹腔情况见图2.激光光斑尺寸测量原理:本实验采用刀

18、口法来测量激光光斑尺寸，当利用一刀口垂直于光朿传播方向，比如X方向移动，将遮盖部分光朿，这将导致通过的激光功率刀片与光斑相对位置当刀口处于X=3位置时，透过的激光功率与总功率(Po)之比为:八“)=J(2/龙)丄fexp(-22/w2)dx同理，当刀口处于x=3时，透过的激光功率与总功率(Po)之比为:=1-0.94=0.06由P(3)/Po=O94,P(3)/Po=OO6可知,刀口沿x方向移动分别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23值。激光光束远场发散角测量原理:我们将(2)式变换一下形式，得：w：(砂：/A)2正是双曲线方程.它表明光斑尺寸的轨迹

19、是一组以Z=0为原点的双曲线，见图1.我们用全发散角2e表征它的发散程度，定义：2。三=空+沙)“dz加町现在分析2e在整个传播光路中的变化情况.显然.在2=0处，20=0.当z增大，20增加.在z=0-z=zr这段范围内.全发散角变化较慢.我们称乙为准直距离：Zr=在ZZr,全发散角变化加快.当Z8,2。变为常数.我们将此处的全发散角称为远场发散角，有：26=2砂0不难看出，远场发散角实际就是以光斑尺寸为轨迹的两条双曲线的渐近线间的夹角，见图3离斯光東振幅的横向分布图2平凹腔屮基模TEMoo的剖面图应物0903班王文广U200910198图3高斯光朿远场发散角实验中，我们如何测量远场发散角呢

20、？由于不可能在无穷远处测量，故(9)式只是理论上的计算式，不能作为测量公式，而需用近似测量来代替.可以证明，当z7z时.2B(z)/2B(8)99%,即当z值大于7倍Zr时所测得的全发散角.可和理论上的远场发散角相比，误差仅在1%以内.那么z值带来的实验误差已不是影响实验结果的主要因素了，这就为我们提供了实验上测远场发散角所应选取的Z值范围.可采用以下两种近似计算：一种方法是，选取ZZr的两个不同值Z1，Z2,根据光斑尺寸定义，从IP曲线中分别求出w(zx),w(z2),利用公式：心一3另一种方法是，由于z足够大时，全发散角为定值，好像是从源点发出的一条直线，所以实验上还可用一个Z值(Z7Zr)及与其对应的W(z),通过公式：20=2呱?)来计算实验内容和步骤1、调好光路，使得532nm的激光稳定输出。16/19应物0903班王文广U200910198 /192、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