半导体泵浦固体激光器的调q与光学二倍频调q与二倍频-冯曦林-1600012460

1、半导体泵浦固体激光器的调 Q 与光学二倍频 冯曦林*物理学院 学号:1600012460 激光与非线性光学的诞生和发展,对于光学领域有着十分重要的意义.它们不仅对基础光学的理论有着推动作用,同时还有着巨大的应用前景.本实验中,以半导体激光二极管(LD)作为泵浦光源,在特定光路下,通过激励调Q 晶体从而输出激光脉冲(即调Q 光),并通过激励倍频晶体输出二倍频激光. 关键词：激光，非线性光学，调 Q，二倍频. 引 言在激光问世之前,人们基本上研究的是弱光在介质中的传播,而此种条件下光与物质的相互作用大多满足线性关系.而随着入射光电场的增强,非线性效应逐渐体现,并产生了有别于传统线性光学的许多现象.

2、非线性光学作为一个崭新的分支,有着广阔的发展前景和极高的应用价值,如通过二倍频、三倍频、和频、参量震荡等技术手段获得新的光波,广泛应用于科学研究、军事、工业、农业、医学等领域.除此之外非线性光学的应用还有本实验中所涉及的产生调Q 光,以及光学整流、受激拉曼辐射、自聚焦等效应.本实验中首先运用了Nd: YAG 和 Nd: YVO4两种晶体进行受激辐射,得到 1064mm 激光,再利用Cr4+: YAG晶体进行调 Q(本实验采用被动式饱和吸收调 Q),最后将调 Q 晶体换为 KTP 双轴晶体进行调二倍频. *1600012460；186019738951. 实 验图 1.实验光

3、路示意图.LD 泵浦光源产生 808nm 红外激光,通过透镜聚焦后射入激光晶体(Nd: YAG或Nd: YVO4),经过受激辐射产生 1064nm 红外激光.红外激光经过调 Q 晶体或倍频晶体分别将产生调 Q 脉冲光和 532nm 绿激光.输出腔镜根据调 Q 或倍频应选择不同的腔镜.光探测器为一光功率计,准直激光为一弱红色激光,利用准直激光及其反射光调节光路共轴. 测量 I-P 曲线从0到2.20A逐渐增大激励电流,每隔0.1A用及光功率计测量LD激光功率,得出激光功率-激励电流(即 )关系曲线.同时得出LD的阈值电流. . 调节光路准直打开准直激光对准泵浦光源,使红点恰好射在泵浦二极管灯泡处

4、.依次放入耦合透镜、激光晶体(先插入Nd: YVO4).每次放入元件时调节其支架角度使所有反射光斑对准准直光源,且将激光晶体放在耦合透镜后光斑最小处. . 测量激光输出功率-泵浦功率曲线先固定I=1.7A,插入T=3%输出透镜,微调各个元件,使输出透镜外侧红外显示卡上的光点最小,即TEM00模.将红外探测器对准光斑,继续微调各个元件使功率达到最大值,记下此时功率并计算功-功转换效率.然后将阈值电流降为0,并从阈值电流开始增大激励电流,测出输出功率-激励电流的关系,再根据 关系曲线绘制出激光输出功率-泵浦功率关系曲线. 将Nd: YVO4晶体换为Nd: YAG,重复上述实验,并进行对比. . 调

5、 Q将电流调至0并插入Nd: YAG晶体,并在输出镜和激光晶体间插入Cr4+: YAG晶体(即调Q晶体),将电流稳定在1.7A,用红外探测纸观测并使之产生调Q光.再将激2光功率计放在光斑处,微调各个元件使输出功率(即平均功率)达到最大.改变激励电流,分别测量1.5A、1.7A、2.0A下的脉冲光平均功率,再将快速探测器放在输出镜后端,分别在不同激励电流下在数字示波器上观察波形,测量脉冲频率、脉冲展宽(半高宽)并分析泵浦功率与脉冲频率、脉宽的关系. . 调二倍频激光晶体仍然使用Nd: YAG,将调Q晶体换为KTP晶体,同时将输出透镜换为“短波通”透镜(1064mm高反,532mm高透).同时输出

6、端放入激光功率计,将电流调至1.7A，转动透镜使输出光功率达到最大,记录最大功率.将激励电流从2.2A每隔0.1A降至绿光完全消失,测出不同电流下的倍频输出功率,绘制 曲线. . 实验结果及分析讨论. 曲线其中, = 808, 0.4表 1 数据0 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 I/A/ 0 0.01 0.10 0.27 8.45 70.6 133.5 199.2 I/A0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 / 261 331 390 451 519 588 657 722 I/A1.60 1.70 1.80 1

7、.90 2.00 2.10 2.20 / 787 842 910 971 1039 1106 1176 3 图 2. LD 半导体激光器输出功率与激励电流 I 关系图可以看出,在阈值之上,输出功率与激励电流大致呈线性关系. . 激光输出功率-泵浦功率曲线I = 1.70A时,对应 = 842,测得最大输出功率: (4) = 369, (4) = 43.8% () = 349, () = 41.4% 表 2 两种激光晶体的输出功率与激励电流及泵浦光功率的关系0 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.80 1.00 I/A/ 0 0.10 0.27 8.45 70.60 133.5

8、 261 390 0 0 0 0 15 42 98 158 (4)/mw(4) 0 0 0 0.212 0.315 0.375 0.405 0 0 0 0 7 34 93 151 ()/mw() 0 0 0 0.099 0.255 0.356 0.387 4 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 I/A/ 519 657 787 910 1039 223 284 353 396 456 (4)/mw0.430 0.432 0.448 0.435 0.439 (4)214 274 320 361 386 ()/mw()0.412 0.417 0.407 0.397 0.372 图 3

9、. Nd: YAG与Nd: YVO4晶体输出激光功率与泵浦激光功率的关系曲线5 图 4. 两种激光晶体输出效率与泵浦激光功率关系曲线可以看出当泵浦功率达到一定值时才可使激光晶体受激辐射产生激光,且功-功转化效率随泵浦功率先快速增大,达到最大值后又略微减小.且Nd: YVO4的转化效率整体略大于Nd: YAG. . 调 Q 数据使用Nd: YAG晶体作为激光晶体,用快速探测器将波形显示在示波器上,如下图所示 6 图 5.激励电流为 1.70A 时的示波器上的脉冲波形图图 6. 激励电流为 1.70A 时用于测量脉冲周期(频率)的波形图 7表 3 不同激励电流(即泵浦功率)下调Q 光的各项数据 1

10、.50 1.70 2.00 I/A722 842 1039 / 52 73 84 频率/kHz4.00 5.32 5.78 半高宽/ns94.00 94.00 94.00 信号峰值/V2.30 2.30 2.30 可以看出,当泵浦功率增大时,脉冲平均功率增大,脉冲重复频率也增大,但脉冲的展宽及峰值几乎不变,即脉冲形状不变,由此推测脉冲形状(在高于阈值条件下)取决于调 Q 晶体材料本身的性质. . 二倍频数据其中,以 1.70A 激励电流调节出的二倍频最大输出功率为 18mw,但在后续测量过程率有波动. 表4 二倍频输出功率与泵浦功率及激励电流的关系 0.50 0.60 0.70 0.80 0.

11、90 1.00 1.10 1.20 I/A/ 70.6 133.5 199.2 261 331 390 451 519 0.32 0.9 1.6 2.3 3.1 3.7 4.6 5.7 / 1.30 1.40 1.50 1.60 1.70 1.80 1.90 2.00 I/A/ 588 657 722 787 842 910 971 1039 7.1 8.9 10.5 12.0 13.4 15.2 17.9 20.5 / 8I/A2.10 2.20 / 1106 1176 23.2 26.3 / 图 7. 二倍频输出功率与泵浦功率经多项式(二次)拟合后的结果从作图可以看出,二倍频激光输出的功率

12、 与泵浦激光功率 大致呈二次函数关系,即与的平方成正比,且相关系数2 = 0.9988,符合得相当好.由于在激光与物质的非线性相互作用中,极化偶极矩的二级非线性项形成二倍频,且二级非线性项与电场平方成正比.又因为输出的1064nm 激光与泵浦光功率大致成线性关系,而激光功率又与电场平方成正比,因此二倍频激光功率与输入激光电场四次方成正比(若二阶项远大于其它项),输入激光功率与电场平方成正比,因此二倍频激光功率与泵浦激光功率平方成正比.但当泵浦功率较小时,由于二阶非线性效应不明显,且激光功率计对绿光的敏感度没有红外线波段高,同时输出的绿激光中可能还含有红外成分,因此与理论值存在偏差,即截距并不为 0. 9. 结论 1.实验中 泵 浦 激 光 输 出 功 率 与 激 励 电 流 在 阈 值 之 上 呈 线 性 关系,Nd: YAG 和 Nd: YVO4对泵浦光受激辐射的功功的转化效率随入射功率先增大后减小,在激励电流约为 1.7