激光二极管抽运声光调Q高重复频率532nm激光器讲解
第32卷第4期
2005年4月
中国激光
C H IN ESE J OU RNAL O F L ASERS
Vol. 32, No. 4
April , 2005
文章编号:025827025(2005 0420461205
激光二极管抽运声光调Q 高重复频率532nm 激光器
冯立春, 霍玉晶, 何淑芳, 杨成伟
(清华大学电子工程系, 北京100084
摘要实现了重复频率高达105kHz 的紧凑的全固态声光(A -O 调Q 532nm 腔内倍频激光器。激光器使用
Nd ∶Y VO 4作为激光晶体, Ⅱ类匹配的KTP 为倍频晶体, 声光器件材料为熔融石英, 由自制的声光驱动器驱动, 其最大
射频输出功率为7. 5W , 重复频率1Hz ～105k Hz 可调。使用1W 的激光二极管(LD 抽运,50k Hz 重复频率下, 得到平均功率达224mW 的532nm 脉冲激光稳定平
均输出, 总光光转换效率高达22. 4%。低重复频率下, 可以实现脉宽为17. 2ns , 峰值功率为470W , 单脉冲能量为8. 1μJ 的稳定运转。给出了平均功率与重复频率关系的一般公式, 并提出即使是在四能级系统中, 有效储能时间也并不等于上能级寿命, 关键词激光技术; 固体激光器; 激光二极管抽运; 储能时间; Q; 中图分类号
TN248. 1文献标识码 A
Q 2switched 532nm
Laser with High R epetition R ate
FEN G Li -chun , HUO Yu -jing , H E Shu -fang , YAN G Cheng -wei
(Department of Elect ronic Engineering , Tsinghua Universit y , B ei j ing 100084, China
Abstract A compact , all solid -state and high repetition rate as up to 105k Hz acousto 2optic (A 2O Q 2switched intracavity frequency 2doubled 532nm laser is demonstrated. A Nd ∶YVO 4crystal is used as active media and a type 2ⅡKTP (KTiPO 4 as f requency doubler , The Q switcher is made by f used silica and driven by a driver whose maximal rf output power is 7. 5W and repetition rate is variable f rom 1Hz to 105k Hz , which is made by our own. 224mW of 532nm average power at a repetition rate of 50k Hz was generated with a 1W laser diode (LD as pump source , and a high optical -to -optical conversion efficiency of 22. 4%was obtained. Under low repetition rate , steady operation is achieved with pulse width of 17. 2ns , peak power of 470W and single pulse energy of 8. 1μJ. A general formula of average 2power as a function of pulse repetition rate is presented which has good agreement with the experiment results. Analysis and experimental verification showed that , even in four 2level system , the effective storage time is not equal to the upper state lifetime.
K ey w ords laser technique ; solid 2state laser ; laser diode pumped ; storage time ; acousto 2optics Q 2switched ; intracavity second harmonic generation ; high repetition 2rate
1引言
声光(A -O 调Q 脉冲激光器已被广泛应用于激光测距、大气监测、激光雷达、光电对抗、激光加工和医疗等领域。相对闪光灯抽运激光器而言, 激光二极管(LD 抽运的固体激光器因其高效、紧凑、使用寿命长, 且易获得高质量光束等特点而更具有优势。Nd ∶YVO 4晶体在较宽的抽运波长范围内都有
收稿日期:2004202209; 收到修改稿日期:2004206223基金项目:国家863计划(2001AA311060 资助项目。
很好的吸收, 在激光发射波长上有很大的受激发射截面, 而且具有线偏振发射的特性, 使其在激光二极
管抽运腔内倍频激光器中得到广泛的应用[1～3]。
近年来, 使用Nd ∶YA G [4,5]和Nd ∶YVO 4[6]的声光调Q 腔内倍频绿光激光器都达到了较高的水平, 被动调Q 绿光激光器也有报道[7]。中国科学院物理所实现了大功率激光二极管抽运的Nd ∶YVO 42KTP 声
, 男, 清华大学电子工程系博士研究生, 主要从事固体激光技术及器件的研究。作者简介:冯立春(1974—E 2mail :fenglc97@mails.tsinghua. edu. cn
462中国激光
32卷
光调Q 绿光激光器[8], 取得了高功率的绿光激光输出; 研究了激光器在脉冲重复频率1～30k Hz 范围内的性能, 得到倍频脉冲的峰值功率在重复频率为10k Hz 时达到最大值的实验结果, 在低重复频率时峰值
用Agilent 54611A 型示波器测量激光脉冲的宽度和重复频率, 用物科光电L P 23A 型功率计测量平均
输出功率。
功率降低。文献[7]认为在低重复频率时峰值功率下降的原因是由于自发辐射引起的上能级集居数降低, 但并未对此解释给出理论证明和实验验证。本文研究了激光二极管端面抽运的Nd ∶YVO 42KTP 腔内倍频声光调Q 激光器, 在1～100k Hz 的宽重复频率范围内, 平均功率、脉冲宽度和峰值功率与重复频率的关系, 与文献[7]的结果进行了比较, 并对实验结果进行了分析。
3实验结果及分析
3. 1实验结果
首先研究了激光平均输出功率与脉冲重复频率的关系, 测量结果如图2所示。在脉冲重复频率为
50k Hz 时, 得到最大平均输出功率210. 4
mW 。
2实验装置
实验装置如图1所示。, 腔镜M 11808nm 光高透, 和532nm 光高反; Nd ∶YVO 4KTP 晶体和声光Q 开关
两端面镀对1064nm 和532nm 光的增透膜; 输出反射镜M 2镀对1064nm 高反和对532nm 高透的介质膜。抽运源为功率1W 的激光二极管, 其输出光经过焦距为3mm 的非球面透镜聚焦到Nd ∶YVO 4晶体上。Nd ∶YVO 4和KTP 晶体尺寸分别为3mm ×3mm ×1mm 和3mm ×3mm ×5mm 。激光二极管、激光晶体
图2532nm 激光输出平均功率随脉冲重复频率的变化
Fig. 2Average output power of 532nm laser as a function
of the Q 2switched pulse repetition rate
与倍频晶体固化为一个整体, 对其使用半导体制冷器进行整体控温。声光介质采用熔融石英, 声光作用长度为2cm , 换能器工作频率为70M Hz 。声光Q 开关驱动器为本实验室自制, 射频最大输出功率可达7. 5W , 重复频率在1Hz ～105k Hz 可调。此驱动器
脉冲宽度与重复频率的关系如图3所示。重复
频率1Hz 到1k Hz 时, 激光脉冲宽度基本不变, 为17. 2ns 左右, 当重复频率为100k Hz 时, 脉冲宽度为33ns 。实验中, 激光器在高重复频率下的输出比较
大大提高了声光器件的衍射效率, 提高了激光器的性能。激光器整体尺寸为10cm ×5cm ×3cm , 结构非常紧凑。
使用PIN 光电二极管接收532nm 激光脉冲,
稳定, 输出为基横模, 光斑直径为0. 16mm , 发散角为3mrad , 光束质量因子M 2=
1. 42。
图4为示波器得到的532nm 激光脉冲波形。图5为50k Hz 重复频率下,532nm 输出的平均功
图1声光调Q 532nm 激光器实验装置示意图
Fig. 1Schematic of the experimental setup for the A 2O
Q 2switched 532nm laser
图3532nm 激光脉冲宽度随重复频率的变化
Fig. 3Pulse width of 532nm laser as a f unction of the
Q 2switched pulse repetition rate
4期冯立春等:激光二极管抽运声光调Q 高重复频率532nm 激光器463
率与抽运功率的关系。在50k Hz 重复频率下, 532nm 阈值抽运功率为200mW , 在1W 的抽运功
其中n 2为激光上能级集居数, Δn 为反转集居数, σ和N l 分别为工作物质中激光的受激发射截面和腔
内激光的光子数密度, v 为工作物质中的光速, τf 为上能级自发辐射寿命, n
0为基态能级集居数, W 03为受激吸收跃迁几率。
率下,532nm 输出功率为224mW , 从激光二极管输出的808nm 抽运光到532nm 绿光的总光光转换效率为22. 4%, 高转换效率很大程度上得益于系统中的非球面耦合聚焦系统的优异性能
。
图4532nm 调Q 脉冲波形Fig. 4Pulse
shape of 532nm Q 2图6单脉冲能量与脉冲间隔时间的关系
Fig. 6Energy per pulse as a f unction of time between
adjacent pulses
假设在腔内Q 开关关闭即进行储能时, 没有激光产生, 并引入参量τp 来表征抽运速度, 则可以得到
=-d t
τf
+
τp
n 2+
τp
, (3
图5532nm 平均输出功率与抽运功率的关系
Fig. 5532nm average output power as a function of LD
power (50k Hz repetition rate
σσ其中, τp =1/W 03=1/(p v p N p , p 和N p 分别为工
作物质对抽运光的受激吸收截面和腔内抽运光的光子数密度, v p 为工作物质中抽运光的光速。
-1
引入参量τ, 假设eff , 并令τeff =(1/τf +1/τp 储能开始时刻即t =0时, 激光上能级集居数近似为0, 则得到上能级集居数随储能时间t 变化的解析式
3. 2实验结果分析
为
n 2
=
由于脉冲间隔时间为重复频率的倒数, 利用得到的平均功率与重复频率关系的数据, 就可以得到
单脉冲能量与相邻激光脉冲间隔时间的关系, 如图6所示。结果显示, 当脉冲间隔时间较小时, 单脉冲能量随间隔时间增加增长较快, 间隔时间大于0. 1ms 时, 单脉
冲能量随脉冲间隔的增长就变得缓慢, 呈现饱和趋势。对于基频光脉冲能量随间隔时间的变化规律, 可以从下列推导得到。设四能级系统中由低到高各个能级集居数分别为n 0, n 1, n 2和n 3, 并假设n 1=0, n 3=0, 则有
(1 n 0+n 1+n 2+n 3=n , 四能级系统激光上能级集居数的速率方程形式为:
Δn -+n 0W 03, (2 =-σv N l ?
τd t f
?n 1-exp -τ
τeff p +τf
τ, (4
因为前面已经假设激光下能级集居数n 1为0, 故反
转集居数Δn 等于n 2, 而基频光脉冲能量与Δn 直接相关, 假设基频光脉冲输出能量接近增益介质中的总有效储能[9], 则基频光单脉冲能量的形式为
E =E 0g 1-exp -
τ
, (5
E 0为最大单脉冲能量。有文章认为(5 式中的τ就
[10～12]是自发辐射寿命τ, 而此处并非如此, 这里τ为f
τ<τ前面定义的τ参eff , 且由τeff 的定义可以得出:f 。
量τ被定义为有效储能时间[13], 有效储能时间被认
为与抽运条件和激光器设计都有关系, 而非由工作物质单独决定[14]。有效储能时间可以表明储能过程进行的快慢
, 对于调Q 激光器的设计和性能估算而
464中国激光32卷
言,
它是一个很有用的参量。
考虑到随脉冲间隔时间的减少, 基频光单脉冲
能量降低和脉冲宽度增加会带来的倍频效率降低的影响, 倍频光单脉冲能量可以表示为
(6 E s =E s0g 1-exp -.
τ由于在实际的四能级系统中, 激光下能级粒子数不为零, 所以从储能开始到实现集居数反转需要一段时间, 引入参量τ从图6可以看出, 实验结果e 。
与(6 式吻合得较好。其中对应的τ值为23μs , 而Nd ∶YVO 4上能级寿命约为100μs , 二者明显相差较大, 从而从实验上表明对于四能级系统的Nd ∶YVO 4声光调Q 激光器而言, τ<τf 。
由(6 式, 并考虑调Q 运转的实际过程, 可以得到倍频调Q 关系公式
(7 P Avg f ,
f 式中τ影响τ00的因素包括:Q开关开启时间的长短与其占Q 开关重复时间的占空比、储能开始时的集居数反转情况和倍频转换效率的变化。由(7 式计算得到
的调Q 激光器平均功率随重复频率的变化曲线如图2中的实线所示, 可以看到, 理
论计算值与实验结果吻合得很好, 其中τ0和E 0由对实验数据的拟合得到, 分别为
3μs 和7. 8μJ 。利用图6, 就可以解释图2所呈现的实验现象:低重复频率时, 脉冲的间隔周期相对较长, 受储能饱和的影响, 在重复频率变化时, 基频光单脉冲能量变化不大, 因而倍频光单脉冲能量也变化不大, 所以平均功率随重复频率近似于正比增加; 高重复频率时, 基频与倍频单脉冲能量随重复频率增加而快速下降, 综合作用的结果是平均功率随重复频率增加而稍有下降。
脉冲建立时间即脉冲前沿随重复频率的变化规律可以表示为[9]
(8 T b =K 0/(N i -N th , 其中T b 为脉冲前沿, N i 为初始反转集居数, N th 为阈
值反转集居数, K 0为系数。由(4 式可知, N i 随重复频率增加而减小, 结合(8 式即可知脉冲前沿随重复频率的增加而变宽, 而整个脉冲的宽度也随之变宽。物理过程可以解释为:随脉冲重复频率的增加, 每周期内储能减少, 单程增益降低, 脉冲从产生到形成需要在腔内往返更多的次数, 从而基频光脉冲变宽, 倍频光脉冲也随之变宽。而文献[7]得到“脉冲宽度基本不
变”的结论, 可能是因其激光器脉冲重复频率范围不
够宽(最大重复频率为30k Hz 所致。
腔内峰值功率与初始反转集居数的关系可以描述为[9]
P p =
τc
, (9
其中r =N i /N th , τ可以看出, 峰c 为腔内光子寿命。
值功率是N i 的增函数, 而由于N i 是随重复频率的增加而下降的, 可以推出峰值功率也随重复频率的增加而下降。
图7为根据实验中平均功率和脉冲宽度的数据计算得到的峰值功率随重复频率变化的曲线。在重复频率1k 时, 峰值功率约为W ; 峰值功率随:由于, ; 两者综合作用的结果。而文献[8]的结果中, 脉冲峰值功率随重复频率先增加再减小
, 在重复频率10k Hz 时出现最大值。文献[8]对此现象解释为, 当调Q 的间隔周期大于晶体上能级寿命时, 上能级粒子由于自发辐射而减少, 从而基频光和倍频光脉冲能量也随之减小。而由(4 式可知, 反转集居数随脉冲间隔时间的增加是增加的。图7的实验结果同样表明,532nm 输出的峰值功率随重复频率增加是单调下降的。
图7脉冲峰值功率随重复频率的变化
Fig. 7Peak power of 532nm pulse as a function of the
Q 2switched pulse repetition rate
4结论
实现了紧凑的声光调Q 532nm 腔内倍频激光器, 激光器尺寸为10cm ×
5cm ×3cm 。使用1W 的激光二极管连续抽运, 在50k Hz 重复频率时, 得到
224mW 的平均输出功率, 光光转换效率为
4期冯立春等:激光二极管抽运声光调Q 高重复频率532nm
激光器465
22. 4%。研究了1～100k Hz 重复频率范围内, 激光
器平均功率、脉冲宽度和峰值功率与重复频率的关系, 结果显示脉冲峰值功率随重复频率增加是单调下降的, 并给出了相应的解释。提出了单脉冲能量和平均功率随重复频率变化的一般公式, 依据此公式进行的计算与实验结果吻合得较好。同时提出并实验验证了, 即使在四能级系统中, 表征储能速度的有效储能时间也并不等于上能级寿命。
参考
文
献
1Du Chenlin , Liu J unhai , Wang Zhengping et al. . LD 2pumped
acousto 2optic Q 2switched Nd ∶YVO 4laser wit h high repetition rates and short pulse widt h [J].Chinese J . Lasers , 2002, A29(6 :489～491杜晨林, 刘均海, 王正平等. LD 抽运声光调Q 高重复频率短脉
宽Nd ∶YVO 4激光器[J].中国激光, 2002, A29(6 :489～4912Zhang Hengli , Hou Wei , Xu Zuyan et al. . Diode pumped repetition rate Q 2switched Nd ∶YVO 4laser [Chinese J . L asers , 2000, ( :张恒利, 侯, 4光调Q 1342[J]., , (1 :11～153Y ang Chengwei , Y in X iaodong et al. . Experimental
study on LD pumped Nd :YVO 4laser passively Q -switched by Cr 4+:YA
G[J].Chinese J. Lasers , 2004, 31(1 :1～4杨成伟, 霍玉晶, 尹晓东等. 激光二极管抽运Cr 4+:YA G 被动
调Q Nd :YVO 4激光器的实验研究[J ].中国激光, 2004, 31(1 :1～44Susumu K onno , Shuichi Fujikawa , K oji Yasui. Highly efficient
682W green 2beam generation by use of an intracavity frequency 2doubled diode side 2pumped Q 2switched Nd ∶YA G rod laser [J].
( A p pl. Opt. , 1998, 3727:6401～6404
5Eric C. Honea , Christopher A. Ebbers , Raymond J. Beach et
al. . Analysis of an intracavity 2doubled diode 2pumped Q 2
switched Nd ∶YA G laser producing more t han 100W of power at 0. 532μm [J].Opt. Lett. , 1998, 23(15 :1203～12056Yung 2fu Chen. High 2power diode
2pumped Q 2switched
intracavity frequency -doubled Nd ∶YVO 4laser wit h a sandwich 2type resonator [J].Opt. Lett. , 1999, 24(15 :1032～10347J unying Wang , Quan Zheng , Qinghua Xue et al. . Diode 2pumped , Cr ∶YA G passively Q 2switched and mode 2locked
Nd ∶YVO 4/KTP green laser [J].Chin. Opt. Lett. , 2003, 1(10 :604～6058Li Jian , Lu Xing 2qiang , Hou Wei et al. . High 2power diode 2pumped high 2repetitive acousto
2optic Q 2switched intracavity frequency 2doubled Nd ∶YVO 4/KTP green laser [J].Chinese J . L asers , 2000, A27(12 :1063～1066李健, 卢兴强, 侯玮等. 大
功率LD 抽运Nd ∶YVO 4/KTP
声光调Q 绿光激光器[J ].中国激光, 2000, A27(12 :1063～10669John J. Degnan. Theory of t he coupled Q 2switched
laser [J ].I E E E J . Quant , 1989, 25(2 :～220, CA :University
11R. Lesh. High repetition 2rate Q 2
and intracavity doubled diode 2pumped Nd ∶YA G laser
( [J].I E E E J . Quant um Elect ron. , 1992, 284:1018～1020
12Wang Shiyu , Guo Zhen , Wen Jianguo el al. . CW diode laser
pumped Q 2switched high repetition rate Nd ∶YA G laser [J ].Acta Optica S inica , 2000, 20(11 :1467～1472王石语, 过振, 文建国等. 连续激光二极管抽运的调Q 高重
复频率Nd ∶YA G 激光器研究[J].光学学报, 2000, 20(11 :1467～1472
13Tracy S. Kubo , Thomas J. Kane. Diode 2pumped laser at five
eye 2safe wavelengt hs [J].I E E E J . Quant um Elect ron. , 1992, 28(4 :1033～104014 C. D. Nabors. Q 2switched operation of quasi 2t hree 2level lasers
[J].I E E E J . Quant um Elect ron. , 1994, 30(12 :2896～2901
激光二极管的特性
激光二极管的特性 1、伏安特性 半导体激光器是半导体二极管，具有单向导电性，其伏安特性与二极管相同。反向电阻大于正向电阻，可以通过用万用表测正反向电阻确定半导体激光二极管的极性及检查它的PN结好坏。但在测量时必须用1k以下的档，用大量程档时，激光器二极管的电流太大，容易烧坏。 2、P—I特性 激光二极管的出射光功率P与注入电流I的关系曲线称为P-I 曲线。 注入电流小于阈值电流I th时，激光器的输 出功率P很小，为自发辐射的荧光，荧光的输 出功率随注入电流的增加而缓慢增加。 注入电流大于Ith时，输出功率P随注入 电流的增加而急剧增加，这时P—I曲线基本上 是线性的。当I再增大时，P—I曲线开始弯曲呈非线性，这是由于随着注入电流的增大，使结温上升，导致P增加的速度减慢。 判断阈值电流的方法：在P—I特性曲线中，激光输出段曲线的向下延长线与电流轴的交点为激光二极管的阈值电流。 3、光谱特性
激光二极管的发射光谱由两个因素决定：谐振腔的参数，有源介质的增益曲线。 腔长L确定纵模间隔，宽W和高H决定横模性质。如果W和H 足够小，将只有单横模TEM00存在。 多模激光二极管在其中心波长附近呈现出多个峰值的光谱输出。单纵模激光器只有一个峰值。 工作在阈值以上的1mm腔长的增益导引LD的典型发射光谱 激光二极管是单模或多模还与泵浦电流有关。折射率导引LD，在泵浦电流较小、输出光功率较小时为多模输出；在电流较大、输出光功率较大时则变为单模输出。而增益导引LD，即使在高电流工作
下仍为多模。 折射率导引激光器光谱随光功率的变化发射光谱随注入电流而变化。I
脉冲激光与连续激光的区别
连续激光顾名思义 激光输出时间上时连续的 脉冲激光的输出是不连续的 商用的最短能到几飞秒的量级吧 所以脉冲激光常用于测量超快的物理过程。 但是连续激光也有好处 经过稳频 可以得到很窄的线宽 能用于激光测距 精细光谱。 两者峰值功率差很多 连续激光中比较好的半导体激光器能做到百W量级 而脉冲激光现在飞秒的能做到TW的量级 脉宽越短 热作用效应越少 精细加工 中都是用脉冲激光较多。 峰值功率=单脉冲能量/脉冲宽度 平均功率=单脉冲能量*重复频率 激光的脉宽是对脉冲激光器或准连续的激光器而言的 简单说可以理解为每次发射的一个激 光脉冲的作用时间或一个激光脉冲的持续时间。重复频率是每秒中激光器发射的脉冲数 如10Hz就是指一秒钟发射10个激光脉冲。但是每个激光脉冲的脉宽就因不同激光器而不同 是纳秒级的还是微妙级的还是毫秒级的。 就像上面朋友说的 有如下关系 峰值功率=单脉冲能量/脉冲宽度 平均功率=单脉冲能量*重复频率。 激光线宽是表征激光单色性的 线宽越窄 激光单色性越好 什么是连续激光和脉冲激光,区别在哪？ 发表日期：2016-06-21 文章编辑：廖浏览次数: 503 激光（英语： Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，缩写为LASER，或laser），港澳地区称“激光”、“雷射”，台湾地区称“雷射”、“镭射，是指通过受激辐射而产生，放大的光，即受激辐射的光放大。特点是单色性极好，发散度极小，亮度（功率）可以达到很高。产生激光需要“激发来源”，“增益介质”，“共振结构”这三个要素。 脉冲 就是隔一段相同的时间发出的波（电波/光波等等）等机械形式。 激光脉冲 指的是脉冲工作方式的激光器发出的一个光脉冲，简单的说，好比手电筒的工作一样，一直合上按钮就是连续工作，合上开关立刻又关掉就是发出了一个“光脉冲”。用脉冲方式工作有它的必要性，比如发送信号、减少热的产生等。激光脉冲能做到特别短，譬如“皮秒”级别，就是说脉冲的时间为皮秒这个数量级，而1皮秒等于一万亿分之一秒(10E-12秒) 连续激光 激光泵浦源持续提供能量，长时间地产生激光输出，从而得到连续激光。连续激光的输出功率一般都比较低，适合于要求激光连续工作（如激光通信、激光手术等）的场合脉冲激光
激光二极管抽运声光调Q高重复频率532nm激光器讲解
第32卷第4期 2005年4月 中国激光 C H IN ESE J OU RNAL O F L ASERS Vol. 32, No. 4 April , 2005 文章编号:025827025(2005 0420461205 激光二极管抽运声光调Q 高重复频率532nm 激光器 冯立春, 霍玉晶, 何淑芳, 杨成伟 (清华大学电子工程系, 北京100084 摘要实现了重复频率高达105kHz 的紧凑的全固态声光(A -O 调Q 532nm 腔内倍频激光器。激光器使用 Nd ∶Y VO 4作为激光晶体, Ⅱ类匹配的KTP 为倍频晶体, 声光器件材料为熔融石英, 由自制的声光驱动器驱动, 其最大 射频输出功率为7. 5W , 重复频率1Hz ～105k Hz 可调。使用1W 的激光二极管(LD 抽运,50k Hz 重复频率下, 得到平均功率达224mW 的532nm 脉冲激光稳定平
均输出, 总光光转换效率高达22. 4%。低重复频率下, 可以实现脉宽为17. 2ns , 峰值功率为470W , 单脉冲能量为8. 1μJ 的稳定运转。给出了平均功率与重复频率关系的一般公式, 并提出即使是在四能级系统中, 有效储能时间也并不等于上能级寿命, 关键词激光技术; 固体激光器; 激光二极管抽运; 储能时间; Q; 中图分类号 TN248. 1文献标识码 A Q 2switched 532nm Laser with High R epetition R ate FEN G Li -chun , HUO Yu -jing , H E Shu -fang , YAN G Cheng -wei (Department of Elect ronic Engineering , Tsinghua Universit y , B ei j ing 100084, China Abstract A compact , all solid -state and high repetition rate as up to 105k Hz acousto 2optic (A 2O Q 2switched intracavity frequency 2doubled 532nm laser is demonstrated. A Nd ∶YVO 4crystal is used as active media and a type 2ⅡKTP (KTiPO 4 as f requency doubler , The Q switcher is made by f used silica and driven by a driver whose maximal rf output power is 7. 5W and repetition rate is variable f rom 1Hz to 105k Hz , which is made by our own. 224mW of 532nm average power at a repetition rate of 50k Hz was generated with a 1W laser diode (LD as pump source , and a high optical -to -optical conversion efficiency of 22. 4%was obtained. Under low repetition rate , steady operation is achieved with pulse width of 17. 2ns , peak power of 470W and single pulse energy of 8. 1μJ. A general formula of average 2power as a function of pulse repetition rate is presented which has good agreement with the experiment results. Analysis and experimental verification showed that , even in four 2level system , the effective storage time is not equal to the upper state lifetime.
半导体激光器输出特性的影响因素
半导体激光器输出特性的影响因素 半导体激光器是一类非常重要的激光器，在光通信、光存储等很多领域都有广泛的应用。下面我将探讨半导体激光器的波长、光谱、光功率、激光束的空间分布等四个方面的输出特性，并分析影响这些输出特性的主要因素。 1． 波长 半导体激光器的发射波长是由导带的电子跃迁到价带时所释放出的能量决定的，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)。 hf=Eg f(Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长 且c=3×108m/s ，h=6.628×10?34J ·s ，leV=1.60×10?19J 得 决定半导体激光器输出光波长的主要因素是半导体材料和温度。 不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg ，因而有不同的发射波长λ：GaAlAs-GaAs 材料适用于0.85μm 波段，InGaAsP-InP 材料适用于1.3~1.55μm 波段。 温度的升高会使半导体的禁带宽度变小，导致波长变大。 2． 光功率 半导体激光器的输出光功率 其中I 为激光器的驱动电流，P th 为激光器的阈值功率；I th 为激光器的阈值电流；ηd 为外微分量子效率；hf 为光子能量；e 为电子电荷。 hf 、e 为常数，Pth 很小可忽略。由此可知，输出光功率主要取决于驱动电流I 、阈值电流I th 以及外微分量子效率ηd 。驱动电流是可随意调节的，因此这里主要讨论后两者。除此之外，温度也是影响光功率的重要因素。 1）阈值电流 半导体激光器的输出光功率通常用P-I 曲线表示。当外加正向电流达到某一数值时，输出光功率急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流称为阈值电流，用I th 表示。当激励电流II th 时，有源区不仅有粒子数反转，而且达到了谐振条件，受激辐射为主，输出功率急剧增加，发出的是激光，此时P-I 曲线是线性变化的。对于激光器来说，要求阈值电流越小越好。 阈值电流主要与下列影响因素有关： a) 晶体的掺杂浓度越大，阈值电流越小。 b) 谐振腔的损耗越小，阈值电流越小。 c) 与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结小得多。 d) 温度越高，阈值电流越大。 2）外微分量子效率 ) (th d th I I e hf P P -+=ηλ c =f
高脉冲重复频率调QTHoGdVO4激光器_英文_
I第17卷增刊强激光与粒子束Vol.17,No.S0 2005年4月H IGH POWER LASER AND PARTICLE BEAM S A pr.,2005 Article ID:1001-4322(2005)S0-0029-04 Q-switched Tm,Ho:GdVO4laser with high pulse repetition frequency* YA O Bao-quan,JU You-lun,WAN G Yue-zhu,H E Wan-jun (N ational K e y L aborator y of Tuna ble L ase r Te chnolog y,H ar bin In stitute of Te chnolog y,H ar bin150001,China) Abstract:CW and Q-sw itched operat ion o f T m,Ho:G dV O4laser is r epo rted in this paper.T he T m,H o: GdV O4cry stal is coo led by liquid nitro gen and end-pumped by a laser diode of793nm.O utput pow er of4.0W and optica-l to-o ptica l efficiency of26%is achiev ed at CW mo de.With aco usto-optically Q-sw itched operatio n, an av erag e po wer3.9W o f at a pulse-r epetit ion rate of10kHz with pulse dur atio n of50ns is o bt ained.T he pulse w idth is t unable f rom23ns to50ns by chang ing r f(r adio fr equency)o ff-time of AO Q-sw itch.At a pulse- repetition rate of10kH z,0.39mJ o f pulse energ y,and7.8kW o f peak pow er w ere measur ed Key words:Dio de laser;End-pum p;AO Q-swit ch;T m,H o:GdV O4 C LC number:T N248Document code:A T he int erest in al-l solid-state laser operat ing in the ey e-safe spectral r egion near2L m is well acknow ledg ed for medica l and r e-mo te-sensing applications[1,2].Since the first demonstrat ion o f rar e-earth laser o per ation in YA G obtained at cry og enic temper a-tur e,co nsider able pro gr ess has been made.A t present,ro om-temperature,diode-pumped2L m laser(co nt inuous and Q-sw itched)[3]is integr ated in systems fo r g round-based or airbor ne lidar measurements.A dditio nal applications for w hich shor t du-r atio n o ptica l pulses at2L m ar e r equired include altimetr y,topog raphical,and nonlinea r o pt ical studies.T m,Ho codoped lasers are co nducive to operatio n in Q-sw itched mode due to their10ms fluorescence lifet ime com par ed to230L s in neo dy mium doped Y AG. Ho wever,in many ho sts studied to date upco nv ersio n there is a deleter ious influence,manifest ing as an effect ive lifet ime r educ-t ion,w ith concomitant r eduction of the energ y stor age capacity and loss of co nv ersion efficiency[4]. T he abso rption cro ss sectio n of thulium in GdV O4is co nsider ably stro ng er and br oader(770~820nm)than that in YA G and YL F,and the spectrum shifts closer to the emissio n wav elength of co mmercially av ailable A lG aA s laser diodes.In this exper-i ment,a794nm laser dio de was used as the pumping so ur ce.P rev ious r esults w ith Y L F cr ystals in prev ious ex periments have show n fracture w hen subjected t o pump densities gr eater than5kW/cm2.GdV O4host has g ood therma-l mechanical pro per ty and can ex per ience pum p densit y g reater than12kW/cm2,w hich is co nfirmed by o ur experiment,allow ing to scale up holmium laser averag e pow er by end-pum ping fabr ication without the requirement o f diffusion bo nded composit e r od.T he Boltzmann co upling l-i fetime of thulium3F4and ho lmium5I7in GdVO4host is3ms,that is shor ter than9ms fo r T m:H o:YA G and15ms f or T m:Ho: YL F.Sho rt lifetime and larg e emissio n cross sectio n are ver y favor able fo r the Q-swit ched short pulse g ener ation operated at repe-t itio n r ate up to10kH z. Wo rk by M o rr is et al[5]demonst rated the generation o f co ntinuous w ave4.6mW o utput at2.048L m w ith135mW abso rbed pump po wer in T m:Ho:GdV O4.T he slope efficiency of10%in T m:GdVO4laser pumped by a laser dio de w as achiev ed by M ikhailo v et al[6].W yss also demo nstr ated1.4W r adiat ion at1.95L m w ith32W laser dio de pumping[7].Higher peak pow er pulse w ith sho rter pulse w idth and stable pulse t rain was o btained fro m T m,H o:GdV O4laser in our ex periment. 1Experimental setup The T m,H o:GdVO4cr ystal is end-pumped by fiber-coupled laser diode arrays w hich deliver m ax imum 14.8W content w ithin fiber co re of0.4m m and numerical value of0.3.The pumping lig ht is temperatur e tuned to794nm for o ptimal absor ption and uniform therm al distr ibution in T m,H o:GdVO4cry stal,and refocused into crystalw ith beam diam eter of approx im ately0.6mm for optim um ov er lap betw een the pump beam and the laser beam.T he input mirr or w as a plane m ir ror w ith an antireflection coating at794nm on the incident *Received date:2004-11-22;Revised date:2005-03-30 Fou ndation item:Su pported by th e Scientific Res earch Foundation of H arbin In stitute of T ech nolog(HIT200214) Biography:Yao Baoquan(1970)),male,Ph.D,as sociate profes sor,en gaged in solid state laser and n on linear frequency conversion;E-mail:bqyao@https://www.360docs.net/doc/3413928226.html,。
半导体激光器pi特性测试实验
太原理工大学现代科技学院 课程实验报告 专业班级 学号 姓名 指导教师
实验名称 半导体激光器P-I 特性测试实验 同组人 专业班级 学号 姓名 成绩 一、 实验目的 1. 学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理 2. 了解半导体激光器平均输出光功率与注入驱动电流的关系 3. 掌握半导体激光器P （平均发送光功率）-I （注入电流）曲线的测试方法 二、 实验仪器 1. ZY12OFCom13BG 型光纤通信原理实验箱 1台 2. 光功率计 1台 3. FC/PC-FC/PC 单模光跳线 1根 4. 万用表 1台 5. 连接导线 20根 三、 实验原理 半导体激光二极管（LD ）或简称半导体激光器，它通过受激辐射发光，（处于高能级E 2的电子在光场的感应下发射一个和感应光子一模一样的光子，而跃迁到低能级E 1，这个过程称为光的受激辐射。所谓一模一样，是指发射光子和感应光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，它和感应光子是相干的。）是一种阈值器件。由于受激辐射与自发辐射的本质不同，导致了半导体激光器不仅能产生高功率（≥10mW ）辐射，而且输出光发散角窄（垂直发散角为30～50°，水平发散角为0～30°），与单模光纤的耦合效率高（约30％～50％），辐射光谱线窄（Δλ＝0.1～1.0nm ），适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速信号（>20GHz ）直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。 P-I 特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阈值电流I th 尽可能小，I th 对应P 值小，而且没有扭折点的半导体激光器，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，消光比（测试方法见实验四）大， ……………………………………装………………………………………订…………………………………………线………………………………………
激光二极管抽运声光调Q高重复频率532nm激光器
文章编号:025827025(2005)0420461205 激光二极管抽运声光调Q 高重复频率532nm 激光器 冯立春,霍玉晶,何淑芳,杨成伟 (清华大学电子工程系,北京100084) 摘要 实现了重复频率高达105kHz 的紧凑的全固态声光(A -O )调Q 532nm 腔内倍频激光器。激光器使用 Nd ∶Y VO 4作为激光晶体,Ⅱ类匹配的KTP 为倍频晶体,声光器件材料为熔融石英,由自制的声光驱动器驱动,其最大 射频输出功率为7.5W ,重复频率1Hz ～105k Hz 可调。使用1W 的激光二极管(LD )抽运,50k Hz 重复频率下,得到平均功率达224mW 的532nm 脉冲激光稳定平均输出,总光光转换效率高达22.4%。低重复频率下,可以实现脉宽为17.2ns ,峰值功率为470W ,单脉冲能量为8.1μJ 的稳定运转。给出了平均功率与重复频率关系的一般公式,并提出即使是在四能级系统中,有效储能时间也并不等于上能级寿命,理论计算结果与实验结果吻合得很好。关键词 激光技术;固体激光器;激光二极管抽运;储能时间;声光调Q;内腔倍频;高重复频率中图分类号 TN248.1 文献标识码 A LD 2pumped Acousto 2optically Q 2switched 532nm Laser with High R epetition R ate FEN G Li -chun ,HUO Yu -jing ,H E Shu -fang ,YAN G Cheng -wei (Department of Elect ronic Engineering ,Tsinghua Universit y ,B ei j ing 100084,China ) Abstract A compact ,all solid -state and high repetition rate as up to 105k Hz acousto 2optic (A 2O )Q 2switched intracavity frequency 2doubled 532nm laser is demonstrated.A Nd ∶YVO 4crystal is used as active media and a type 2ⅡKTP (KTiPO 4)as f requency doubler ,The Q switcher is made by f used silica and driven by a driver whose maximal rf output power is 7.5W and repetition rate is variable f rom 1Hz to 105k Hz ,which is made by our own.224mW of 532nm average power at a repetition rate of 50k Hz was generated with a 1W laser diode (LD )as pump source ,and a high optical -to -optical conversion efficiency of 22.4%was obtained.Under low repetition rate ,steady operation is achieved with pulse width of 17.2ns ,peak power of 470W and single pulse energy of 8.1μJ.A general formula of average 2power as a function of pulse repetition rate is presented which has good agreement with the experiment results.Analysis and experimental verification showed that ,even in four 2level system ,the effective storage time is not equal to the upper state lifetime. K ey w ords laser technique ;solid 2state laser ;laser diode pumped ;storage time ;acousto 2optics Q 2switched ;intracavity second harmonic generation ;high repetition 2rate 收稿日期:2004202209;收到修改稿日期:2004206223 基金项目:国家863计划(2001AA311060)资助项目。 作者简介:冯立春(1974—),男,清华大学电子工程系博士研究生,主要从事固体激光技术及器件的研究。E 2mail :fenglc97@https://www.360docs.net/doc/3413928226.html, 1 引 言 声光(A -O )调Q 脉冲激光器已被广泛应用于激光测距、大气监测、激光雷达、光电对抗、激光加工和医疗等领域。相对闪光灯抽运激光器而言,激光二极管(LD )抽运的固体激光器因其高效、紧凑、使用寿命长,且易获得高质量光束等特点而更具有优势。Nd ∶YVO 4晶体在较宽的抽运波长范围内都有 很好的吸收,在激光发射波长上有很大的受激发射截面,而且具有线偏振发射的特性,使其在激光二极 管抽运腔内倍频激光器中得到广泛的应用[1～3]。 近年来,使用Nd ∶YA G [4,5]和Nd ∶YVO 4[6]的声光调Q 腔内倍频绿光激光器都达到了较高的水平,被动调Q 绿光激光器也有报道[7]。中国科学院物理所实现了大功率激光二极管抽运的Nd ∶YVO 42KTP 声 第32卷 第4期2005年4月 中 国 激 光 C H IN ESE J OU RNAL O F L ASERS Vol.32,No.4 April ,2005
高功率高重复频率全固态激光器热透镜效应补偿与分析_马惠军 (1)
第17卷 第4期 强激光与粒子束Vol.17,No.S0 2005年4月H IGH POWER L ASER AND PAR TICL E B EAMS Apr.,2005 文章编号: 100124322(2005)S020175205 高功率高重复频率全固态激光器 热透镜效应补偿与分析3 马惠军, 孟俊清, 李小莉, 朱小磊, 陆雨田 (中国科学院上海光学精密机械研究所,上海201800) 摘 要: 将k Hz 高功率固体激光器增益介质当作厚透镜处理,建立了热透镜效应分析的理论模型,使用 矩阵的方法对等效热透镜腔进行分析。对增益介质抽运均匀性进行了改善,通过分析模拟计算结果,设计了混 合非稳腔结构,选择了最佳凸面镜曲率半径对热透镜效应进行补偿。试验结果表明,补偿效果明显,k Hz 高功 率全固态激光器的光束发散角优于1.3mrad 。 关键词: 高功率固体激光器; 厚透镜; 热透镜效应补偿 中图分类号: TN 248.1 文献标识码: A 大功率高亮度的固体激光器是当前全固态激光器研究的前沿课题。无论从军事应用还是从工业应用来看,不仅要求固体激光器具有大的激光输出功率,同时,还要求输出激光具有好的光束质量。在大功率高重复率固体激光器运转时不可避免的会出现热透镜效应,热透镜效应已经成为国内外研究二极管抽运高功率固体激光器的一个热点。对热透镜补偿的方法通常是系统中加入补偿透镜、进行动态补偿和对工作物质端面进行处理进行补偿,这些方法在小功率、低重复率的、对工作环境要求不高的固体激光器上取得了明显的效果。本文针对k Hz 高功率固体激光器热透镜效应进行建模分析,跟以往研究工作不同的是本研究工作在对增益介质抽运均匀性进行改善的基础上,将热透镜当作厚透镜进行处理,设计了混合非稳腔结构,并在此腔型条件下对热透镜效应进行模拟计算,选择了最佳曲率半径对热透镜效应进行补偿。试验结果表明,补偿结果明显,基本达到了为实验设计提供理论依据的目的。 1 理论模型 固体激光器中激光棒的热透镜效应是十分复杂的,它不仅具有随机变化的热扰特征,而且还具有明显的热畸变特征和热应力引起的双聚焦现象。 1.1 厚透镜等效 Fig.1 Schematic of t hick lens 图1 厚透镜示意图 以往分析激光棒的热透镜效应时,常将激光棒简化为薄透 镜。跟以往分析方法不同,我们将激光棒当作厚透镜进行处理。 图1为厚透镜的等效图。其中:n 1为空气折射率;n 2为工作物 质的折射率;R 1,R 2为厚透镜的曲率半径;l 为厚透镜的等效长 度;h 1,h 2为等效厚透镜的主平面位置。 我们从几何光学中光线传播的程函(Eikonal )方程出发,使 用矩阵的方法,讨论在傍轴光线近似下光线的传播问题,得到透 镜变换矩阵以及主平面的位置和焦距大小[1]。 1.2 等效热透镜腔参数 对应的透镜腔可以得到腔内单程变换矩阵,光腔G 参数、 输出镜M 1处高斯光束光斑半径、镜M 1,M 2相邻的光腰大小ω1,ω2和光腰位置L 1,L 2(以镜M 1或M 2为参考),以及当镜M 1为输出耦合镜,激光远场发散角θ1。 激光材料一方面吸收了抽运辐射而发热,另一方面散热又要求对其表面进行冷却,这两者使激光材料内部3收稿日期:2004211222; 修订日期:2005201220基金项目:国家863计划项目资助课题 作者简介:马惠军(1975—),女,现为中国科学院上海光学精密机械研究所硕士研究生,主要从事高功率、高重复率全固态激光器的研究; 上海8002211信箱;E 2mail :zhoumashiqq @https://www.360docs.net/doc/3413928226.html, 。
激光二极管双端抽运声光调Q高重复频率Nd_GdVO4激光器_讲解
文章编号 :0258 7025(2007 04 0461 04激光二极管双端抽运声光调 Q 高重复频率 Nd GdVO 4激光器 李旭东 , 于欣 , 于俊华 , 陈德应 (哈尔滨工业大学光电子技术研究所 , 黑龙江哈尔滨 150080 摘要激光二极管 (L D 抽运的固体激光器 (DP SSL 的调 Q 器件是获得高重复频率、高峰值功率的有效手段之一 , 随着激光雷达、激光加工业的发展 , 要求调Q 器件向着更高重复频率的方向发展。 N d G dV O 4以其优异的物理和激光特性 , 使得它在激光二极管端面抽运固体激光器的声光 (A O 调 Q 器件中 , 即使在很高的调制重复频率下 , 仍可获得窄脉宽、高峰值功率的脉冲激光输出。理论分析了影响脉冲激光的输出能量和脉宽大小的决定因素 , 研究了脉宽、平均输出功率及峰值功率随调 Q 重复频率的变化关系。利用双激光二极管双端抽运 N d GdV O 4晶体棒 , 实现了声光调 Q 高重复频率窄脉宽 1063nm 激光输出。在晶体入射端面总抽运功率约 43W 条件下 , 当重复频率 f =10kH z 时 , 获得脉宽 t =10. 2ns, 单脉冲能量 E =0. 95mJ, 峰值功率 P M =93. 1kW 的输出 ; 在重复频率 f =100kHz 时 , 获得 t =28. 1ns, E =0. 10mJ, P M =3. 6kW 的结果。 关键词激光技术 ; N d GdV O 4激光器 ; 声光调 Q; 激光二极管双端抽运 ; 高重复频率中图分类号 T N 248. 1 文献标识码 A Laser Diode Double End Pumped Acousto Optically Q Switched Nd GdVO 4Laser with High Repetition Rate LI Xu dong, YU Xin, YU Jun hua, CHEN De ying (I nstitute of O p to Electr onics T echnolog y , H arbin I nstitute of T echnology , H ar bin, H eilongj iang, 150080, China Abstract Laser dio de (LD pumped Q sw itched solid state laser s (SSLs can achiev e hig h repetitio n r ates and hig h peak po wer. With the dev elo pment of lidar and laser machining, dio de pumped SSL s (DP SSL s w ith hig
半导体激光器输出特性的影响因素
半导体激光器输出特性的影响因素
半导体激光器输出特性的影响因素 半导体激光器是一类非常重要的激光器，在光通信、光存储等很多领域都有广泛的应用。下面我将探讨半导体激光器的波长、光谱、光功率、激光束的空间分布等四个方面的输出特性，并分析影响这些输出特性的主要因素。 1． 波长 半导体激光器的发射波长是由导带的电子跃迁到价带时所释放出的能量决定的，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)。 hf = Eg f (Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长 且c=3×108m/s ， h=6.628×10?34 J ·s ，leV=1.60×10?19 J 得 决定半导体激光器输出光波长的主要因素是半导体材料和温度。 λ c =f ) ( )(24.1m eV Eg μλ=
不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg ，因而有不同的发射波长λ：GaAlAs-GaAs 材料适用于0.85 μm 波段， InGaAsP-InP 材料适用于 1.3~1.55 μm 波段。 温度的升高会使半导体的禁带宽度变小，导致波长变大。 2． 光功率 半导体激光器的输出光功率 其中I 为激光器的驱动电流，P th 为激光器的阈值 功率；I th 为激光器的阈值电流；ηd 为外微分量 子效率；hf 为光子能量；e 为电子电荷。 hf 、e 为常数，Pth 很小可忽略。由此可知，输出光功率主要取决于驱动电流I 、阈值电流I th 以及外微分量子效率ηd 。驱动电流是可随意调节 的，因此这里主要讨论后两者。除此之外，温度也是影响光功率的重要因素。 1）阈值电流 半导体激光器的输出光功率通常用P-I 曲线 ) (th d th I I e hf P P -+=η
激光二极管的特性
激光二极管的特性 激光二极管的特性 1、伏安特性 半导体激光器是半导体二极管，具有单向导电性，其伏安特性与二极管相同。反向电阻大于正向电阻，可以通过用万用表测正反向电阻确定半导体激光二极管的极性及检查它的PN结好坏。但在测量时必须用1k以下的档，用大量程档时，激光器二极管的电流太大，容易烧坏。 2、P—I特性 激光二极管的出射光功率P与注入电流I的关系曲线称为P-I曲线。 注入电流小于阈值电流Ith时，激光器的输出功率P很小，为自发辐射的荧光，荧光的输出功率随注入电流的增加而缓慢增加。 注入电流大于Ith时，输出功率P随注入电流的增加而急剧增加，这时P—I曲线基本上 是线性的。当I再增大时，P—I曲线开始弯曲呈非线性，这是由于随着注入电流的增大，使结温上升，导致P增加的速度减慢。 判断阈值电流的方法：在P—I特性曲线中，激光输出段曲线的向下延长线与电流轴的交点为激光二极管的阈值电流。 3、光谱特性 激光二极管的发射光谱由两个因素决定：谐振腔的参数，有源介质的增益曲线。 腔长L确定纵模间隔，宽W和高H决定横模性质。如果W和H 足够小，将只有单横模TEM00存在。 多模激光二极管在其中心波长附近呈现出多个峰值的光谱输出。单纵模激光器只有一个峰值。 工作在阈值以上的1mm腔长的增益导引LD的典型发射光谱 激光二极管是单模或多模还与泵浦电流有关。折射率导引LD，在泵浦电流较小、输
出光功率较小时为多模输出；在电流较大、输出光功率较大时则变为单模输出。而增益导引LD，即使在高电流工作 下仍为多模。 折射率导引激光器光谱随光功率的变化 发射光谱随注入电流而变化。IIt 发射激光，光谱突然变窄。因此，从激光二极管发射光谱图上可以确定阈值电流。当注入电流低于阈值电流时光谱很宽，当注入电流达到阈值电流时，光谱突然变窄，出现明显的峰值，此时的电流就是阈值电流。 IIt 激光辐射 4、温度特性 半导体激光器的阈值电流随温度的升高而增加，变化关系可表示为： T/T0) Ith(T)?Aexp(式中T0是衡量阈值电流Ith对温度变化敏感程度的参数——叫特征温度，取决于器件的材料和结构等因素，T0值越大，表示Ith对温度变化越不敏感，器件的温度特性越好。A是常数。 因Ith随温度升高而增大，因此P—I特性曲线也随温度变化。随着温度升高，在注入电流不变的情况下，输出光功率会变小。这就是为什么LD工作一段时间后输出功率会下降。 阈值—温度特性与其结构有关，一般说，异质结构比同质结的温度特性好。 温度变化还将引起激光器输出光谱的改变，出现跳模（mode hop）现象。原因：温度改变，使腔的参数（折射率， 腔长）发生较大变化，引起激发模式发生变化。在模式跳跃之前，因折射率和腔长随温度升高而有少量增加，致使波长随温度升高而缓慢增大（下图a）。如要避免跳模，必须增大模式间隔（下图b）。 对于多模增益导引半导体激光器，波长随温度的变化是由于带隙随温度变化而产生的，温度变化主要影响光增益曲线而不是腔的参数，因此变化曲线是连续的(下图c)。 半导体激光器必须加制冷器，进行温度控制。
激光器种类及其特点调研
激光器种类及特点调研 *激光器基本结构：工作物质、泵浦源和光学谐振腔 工作物质：激光器核心，是激光器产生光的受激辐射放大作用的源泉 泵浦源：为在工作物质中实现粒子数反转分布提供所需能源 光学谐振腔：为激光振荡的建立提供正反馈，同时谐振腔的参数影响输出激光束的质量 *激光器的分类及输出特性 1、按工作物质分 1)气体激光器 激励方式：一般采用气体放电激励，还可以采用电子束激励、热激励、化学反应激励等，使得发生不同能量状态之间跃迁从而产生激光 波长范围：真空紫外——远红外波段 特点：激光谱线上万条，具有输出光束质量高（方向性级单色性好）、连续输出功率大（如CO2激光器）等输出特性、器件结构简单，造价低廉 2）固体激光器 固体工作物质通常是在基质材料，如晶体或玻璃中掺入少量的金属离子（激活离子），激光跃迁发生在激活离子的不同工作能级之间 波长范围：可见光——近红外波段 特点：激光谱线数数千条，具有输出能量大、运转方式多样等特点，器件结构紧凑、牢靠耐用、易于与光纤耦合进行光纤传输 3）液体激光器 波长范围：紫外——近红外波段（300nm—1.3μm） 特点：激光波长连续可调谐，但稳定性比较差 4）半导体激光器 波长范围：近红外波段（920nm—1.65μm），其中1.3μm与1.55μm为光纤传输的两个窗口 特点：能量转换效率高、易于进行高速电流调制、超小型化、结构简单、使用寿命长 5）化学激光器 6）自由电子激光器 工作物质是通过电子加速器加速的高能电子，将相对论电子束的动能转变为激光辐射能 特点：具有非常高的能量转换效率、输出激光波长连续可调谐 7）X射线激光器 8）光纤激光器 工作物质：以掺入某些激活离子的光纤，或者利用光纤自身的非线性光学效应制成的激光器 分类：晶体光纤激光器、稀土类掺杂光纤激光器、塑料光纤激光器和非线性光学效