半导体泵浦激光原理实验

1、半导体泵浦激光原理实验理工学院 光信息2班 贺扬 合作人：余传祥【实验目的】1、 了解与掌握半导体泵浦激光原理及调节光路方法。2、 掌握腔内倍频技术，并了解倍频技术的意义。3、 掌握测量阈值、相位匹配等基本参数的方法。【实验仪器】808nm半导体激光器、半导体激光器可调电源、Nd:YVO4晶体、KTP倍频晶体、输出镜（前腔片）、光功率指示仪【实验原理】激光的产生主要依赖受激辐射过程。处于激发态的原子，在外的光子的影响下，从高能态向低能态跃迁，并在两个状态的能量差以辐射光子的形式发出去。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

2、向、偏振态和相位完全相同。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，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的粒子不断累积，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。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，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。激光倍频是将频率为的光，通过晶体中的非线性作

3、用，产生频率为2的光。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。当E很大时，电场的平方项不能忽略。E=E0costP(2)=E2=E02cos2t=E022(1+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：=I2IL2Isin2(kl/2)(kl/2)式中L为晶体长度，I、I2分别为入射的基频光、输出的倍频光光强。在正常色散情况下，倍频光的折射率n2总是大于基

4、频光的折射率，所以相位失配，双折射晶体中的o光和e光折射率不同，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。【实验装置】图2 实验装置示意图实验使用808nm LD泵浦晶体得到1.064m近红外激光，再利用KTP晶体进行腔内倍频得到0.53m的绿激光，长度为3x3x1mm掺杂浓度 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2x2x5mmKTP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

5、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。输出镜用K9玻璃，R为50mm，对808.5，1.604高反，0.53增透。用632.8nmHe-Ne激光器作为准直光源。【操作步骤】1、 将808nmLD固定在二维调节架，将He-Ne 632.nm红光通过白屏小孔聚到折射率梯度透镜上。让He-Ne激光和小孔及808nmLD在同一轴线上。2、 将Nd:YVO4晶体安装在二维调节架，将红光通过晶体并将返回的光点通过小孔。3、 将输出镜固定在四维调节架上。调节输出镜使返回光点通过小孔。对于有一定曲率的输出镜，会有

6、几个光斑，应区分从球心返回的光斑。4、 在Nd:YVO4晶体和输出镜之间插入KTP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。【实验数据及处理】1. 808nmLD源电流与光功率关系： 表1. . 808nmLD源电流与光功率I/mA01020304050607080P/mw00000000.21.3I/mA90100110120130140150160170P/mw3.56.49.312.61619.322.927.331.1I/mA180190200210220230240250260P/mw35.539.543.347

7、.15154.157.259.762I/mA270280290300310320330340350P/mw64.166.668.270.472.574.777.179.482.1 图3.808nmLD源电流与光功率曲线根据激光原理，驱动电流低于阈值电流时，输出功率趋于0，只有当驱动电流高于阈值电流时，激光器可产生激光。观察得，此激光器的阈值电流大概在70mA处。在做此部分实验时，一切正常，很顺利。应该和808LD源与接受器相离很近有关，相对与下一个实验，光的损耗很小（几乎全被接受器接受到）。2.激励源电流与532nm绿光激光光功率关系： 表2激励源电流与532nm绿光激光光功率I/mA0102

8、0304050607080P/mw000000000I/mA90100110120130140150160170P/mw0000.0010.0060.0090.0120.0130.017I/mA180190200210220230240250260P/mw0.0180.0250.0280.0350.0410.050.060.0750.1I/mA270280290300310320330340350P/mw0.1040.110.1230.1210.1270.1360.1410.1410.141图4激励源电流与532nm绿光激光光功率曲线 表3激励源电流与532nm绿光激光光功率转化率I/mA01

9、020304050607080转化效率000000000I/mA90100110120130140150160170转化效率0007.94E-050.0.0.0.0.I/mA180190200210220230240250260转化效率0.0.0.0.0.0.0.0.0.I/mA270280290300310320330340350转化效率0.0.0.0.0.0.0.0.0. 图5. 激励源电流与532nm绿光激光光功率转化率曲线由图3可得，随着电流增大，转化效率整体呈上升趋势。此次实验所得转换效率远小于一般LD泵浦激光器的转换效率。造成偏低的原因可能有：（1）光路调节不准直，主要器件的光轴不

10、在同一条水平线上。（2）光功率计示数上下波动，读数时会有误差。（3）透镜或出射窗有污渍影响光强输出。此部分实验分为两个部分：1用上一组同学调好的仪器测量激励源电流与532nm绿光激光光功率；2自己重新搭建仪器。实验过程中遇到的问题：1.当I=0时，P为0.017*10-3mw。 分析原因：1.在测量前未调0. 2. 实验室内日光灯的影响，因为当关闭日光灯后，示数明显减小。 由于0.017*10-3很小，当打到2mw档时，可忽略不计。2.在第一次测量时，150mA180mA，280mA300mA.有不正常变化（经查资料得，正常应为线性）,第二次测量亦然。第三次150mA180mA处恢复正常。 分析原因：1在示数未稳定时，但是前两次测量等了一段时间，但示数仍上下波动。 2，280mA300mA，可能和温度有关。由激光原理可知：工作物质一定时，LD输出激光频率与谐振腔长度和激励源强度有关，即输出频率取决于PN结温度和注入电流大小。3.重新组装调整完仪器后，出现绿光，但功率很小，后来黄老师过来进行调整，重新准直后绿光再未出现。分析原因：1.由于此次实验仪