实验二 连续半导体泵浦激光器温度特性实验
实验二连续半导体泵浦激光器温度特性实验 实验原理
1、掺钕钇铝石榴石
掺钕钇铝石榴石的化学式为Y
3Al
5
O
12
，是由一定比例的Y
2
O
3
、Nd
2
O
3
和A1
2
O
3
熔
化结晶生成的，其中基质材料——钇铝石榴石中的Y3+离子由Nd3+所取代，而形成了淡紫色的Nd3+:YAG晶体。
Nd:YAG除了非常优越的光谱和激光特性外，其基质材料的晶格因其非常有吸引力的物理、化学和机械特性而受到关注。从最低的温度直到熔点，YAG的结构都很稳定，还没有报道过它在固相中的形变。
纯Y
3Al
5
O
12
是无色、光学各向同性的晶体，它有石榴石一般的立方结构特征。
在Nd:YAG中，大约1%的Y3+被Nd3+替代。
下表列出了YAG的一些重要物理特性，以及光学和激光参量。
表2-1 Nd:YAG的物理和光学特性
自发辐射荧光寿命230μs
1.06μm时的光子能量hν=1.86?10-19J
折射率 1.82(在1.0μm时)
散射损耗0.002cm-1
表2-2 Nd:YAG的热性能
Nd3+：YAG的激光特性主要取决于钕离子的特性。Nd3+的外层电子组态为4f35s25p6，其中末满壳层4f上有3个电子，属于内层电子。其光谱特性由Nd3+的
能级结构决定，如图2-1所示。常温下，钕离子都处于4I
9/2能级，故4I
9/2
为基态(E
)。
4G
7/2+2G
9/2
，4G
5/2
+2G
7/2
，4F
7/2
+ 4S
3/2
，4F
5／2
+ 4H
9/2
，4F
3/2
为吸收能级E
3
，4F
3／2
为亚稳态能级
E 2，4I
13/2
，4I
11/2
为激光下能级E
1
。由于4I
13/2
和4I
11/2
距4I
9/2
较远，在常温下钕离子
数接近于零，故为Nd3+四能级系统。对激光辐射有贡献的主要吸收带有五条。其中心波长和所对应的能级跃迁分别为：
-0.53μm(4I
9/2→4G
7/2
+ 2G
9/2
)
-O.58μm (4I
9/2→4G
5/2
+ 2G
7/2
)
-0.75μm (4I
9/2→4F
7/2
+ 4S
3/2
)
-0.8lμm (4I
9/2→4F
5/2
+ 4H
9/2
)
-0.87μm(4I
9/2→4F
3/2
)
各吸收带带宽为30nm，其中以0.75μm和0.81μm为中心的两个吸收带最强，如图2-2所示。
图2-1 Nd3+:YAG晶体的能级结构
图2-2 Nd:YAG在300K温度时的吸收光谱
在室温下Nd3+:YAG有三条荧光谱线，中心波长和对应的能级跃迁及荧光分支比(每条谱线强度与总荧光强度之比)为
-0.914μm (4I
3/2→4I
9/2
) 25%
-1.06μm (4F
3/2→4I
11/2
) 60%
-1.35μm (4F
3/2→4I
13/2
) 14％
其中最强的是1.06μm 的荧光谱线。4I
3/2→4I
9/2
跃迁属三能级系统，阈值高，只
能在低温下才能实现激光振荡。4I
11/2和4I
13/2
跃迁为四能级系统，阈值低，易实现
激光振荡。由于1.06μm谱线的荧光强度比1.35μm谱线的荧光强度强约4倍，1.06μm谱线首先起振，从而抑制了1.35μm谱线。所以Nd3+:YAG激光器通常只产生1.06μm 的激光振荡。只有采取选频措施，如选用对1.35μm 高反射，对1.06μm低反射的镜片组成谐振腔的反射镜，则可抑制1.06μm谱线的激光振荡，实观1.35μm的激光振荡。
室温下，Nd3+:YAG受热的影响，晶格振动使1.06μm 荧光谱线均匀展宽，室
温下约为6.5cm-1，精细结构如图2-3所示。其中4F
3/2分裂成两个子能级，4I
11/2
分
裂成六个子能级，共产生八条荧光谱线。在室温下以1.064μm的荧光最强，低
温(77K)时1.061μm振荡最强。1.064μm谱线对应于图中第5条谱线。根据玻耳兹曼分布律，上能级(11502 cm-1)上的粒子数占4F
3/2
总粒子数的40%，下能级
(2111cm-1)的粒子数占4I
11/2
总粒子数20%。粒子在下能级的寿命约为30ns。对于连续激光和长脉冲激光，可认为下能级粒子数为零。对调Q等短脉冲激光运转，由于脉宽仅为ns量级，在激光脉冲形成过程中下能级粒子来不及跃迁至基态，不能认为下能级粒子数为零。
Nd3+:YAG晶体的量子效率大于99.5%，荧光寿命为230μs。在1.064μm谱线处，受激辐射截面为88×10-20cm2，比红宝石和钕玻璃高。Nd3+:YAG的激光特性受温度变化小，实验表明，当温度从4.2K升高至300K时，吸收光谱的峰值波长移动小于lnm，在室温附近，1.06μm处的荧光线宽、荧光寿命和量子效率随温度升高不发生显著变化。
图2-3 300K时，1.06μm区域内YAG中Nd3+的荧光光谱
半导体泵浦阵列的中心波长为808nm，因此存在最佳循环冷却温度，使得激光晶体的吸收效率最佳。
2. 激光二极管泵浦系统
虽然闪光灯的辐射效率高达70%，氪弧灯也在40%以上，但它们的宽带辐射谱中仅有一小部分被激活粒子所吸收，其余部分大多以热的形式散逸，有害的紫外辐射还会使工作物质劣化。最有吸引力的惰性气体放电灯的替代方案是激光二极管(LD以下简称二极管)。可选择二极管激光发射波长落在激活离子的主吸收线上(图2-4)，这样使激励效率大为提高，热效应显著降低。二极管还有器件结构紧凑、寿命长的优点。连续工作二极管寿命超过4
10h，脉冲工作在109次以上，而闪光灯分别为200h和106次。二极管泵浦的全固态器件体积小、重量轻、效率高、工作性能稳定，已成为固体激光器的一个重要发展方向。
图2-4 在Nd:YAG泵浦带0.81μm附近GaAlAs二极管和其他泵浦源的发射谱在设计二极管泵浦系统时，应按应用目的选择二极管参数，如发射波长、工作方式(连续、准连续、脉冲)、输出功率(能量)，以及二极管的构型。目前，用作泵浦源的二极管的发射波长已从770-990nm(GaAlAs)向红外900-1000nm(InGaAs)和可见光630-680nm(AlGaInP)扩展，多种固体激光工作物质都可用二极管泵浦。通常有长为100μm或200μm小的二极管线阵、lcm长的阵列条(Array Bar)和二维面阵，或称叠层组件(stack)可供选择。短的二极管阵列特别适于端面泵浦，阵列条常用于侧面泵浦板条或棒状固体激光器。对高功率固体激光器，必须将1cm的阵列条叠成模块，以减小电子学驱动器、冷却系统和机械结构的复杂性。二极管阵列的叠层现已可用手工或半自动方式完成，用这种工序可生产出1cm2的大面积阵列。当前，二极管价格居高不下是阻碍二极管泵浦固体激光器获得广泛应用的主要原因，但随着二极管市场需求量的持续增加和
大规模自动化生产线的建立，二极管价格会很快降低。
二极管阵列的光谱特性，包括中心波长、发射线宽和波长随温度的漂移，在用于泵浦固体激光器时是很重要的。
二极管激光波长与材料中电子和空穴复合时的带隙有关。对二元化合物，如GaAs，带隙仅有一个值，对三元化合物，如GaAlAs，与Ga和Al的相对浓度有关，发射波长可在一定范围内取值。Nd3+在0.807μm附近有强的吸收，这正是
Ga
0.91Al
0.09
As此二极管激活区的发射波长。调节Al浓度可改变发射波长与主吸收
线匹配。一般而言，Al浓度变化1%使波长改变1nm。
二极管阵列组分的变化和温度梯度导致了较宽的发射谱。单个阵列条或小的叠层组件的线宽为4-5nm。就目前水平而言，对10条阵列线宽可做到2.2nm。Nd:YAG的808nm吸收线宽为2nm，吸收系数大于3.8cm-1。类似地，Nd：YLF的吸收线宽为2nm，吸收系数大于2cm-1。二极管泵浦光的吸收路程短，所以二极管阵列有窄的线宽是很重要的，因为只有这样泵浦光才会尽可能多地被吸收。
二极管阵列组分的选取应当使得在结上的工作温度时达到所要求的波长。图2-5给出当重复频率由l0Hz增加到100Hz时，二极管阵列发射谱的变化。在高重复频率工作时结温升高，使谱线中心波长从807nm移至810 nm。二极管阵列的中心波长漂移随驱动电流的变化示于图2-6。
图2-5二极管阵列发射谱随重复频率的变化图2-6二极管阵列发射谱随驱动电流的变化温度与注入电流的变化是影响半导体泵浦激光源性能相当重要的因素。温度的变化会引起半导体禁带宽度的变化和折射率的变化，随着温度的增加，激射波
长发生向长波长方向移动。
实验内容
在实验中改变半导体激光器循环冷却水温度，测量同一工作电流不同冷却温度条件下，Nd:YAG固体激光器输出激光的功率，得到激光功率随冷却温度变化的曲线。使学生在实验中验证半导体激光器的温度特性和激光晶体的吸收谱线峰值的理论知识，了解半导体泵浦源的发射谱线与传统灯泵浦器件发射谱线的区别，掌握Nd:YAG固体工作物质的吸收曲线，分析半导体泵浦源相比于传统灯泵浦器件的优势。了解半导体泵浦源的泵浦光波长与冷却温度的关系。
实验装置
图2-7 温度特性测量实验装置图
连续半导体泵浦激光器温度特性实验采用图2-7的实验装置图，包括半导体模块，全反镜，输出镜，功率计。模块电源和冷却循环水箱。
实验步骤
1．参考实验一（激光谐振腔调整实验）的实验步骤1-5完成激光器谐振腔的调整工作。
2．固定激光器的泵浦电流，改变冷却循环水的温度，并且用激光功率计测量激光输出功率。每间隔1摄氏度测量一次。循环水的温度变化范围是16-25摄氏度。
3．关闭激光电源。
4．关闭冷却循环水。
实验结果处理
根据记录的数据作出激光功率随冷却水温度变化的曲线图，得出最佳的冷却温度，并根据实验结果分析原因。
实验教学建议
学生可以分成4人一组，两个人负责调整谐振腔和测量激光功率，两个人负责激光器电源和冷却水箱的操作以及循环冷却水箱温度的调整，并进行数据记录工作。
实验学时建议：2学时。
安全注意事项：
本设备激光器属于Ⅳ类激光产品，输出的是可见和不可见的激光，眼睛和皮肤要避免暴露于激光直射或者漫反射的区域。一定要做好人身安全和眼睛安全防护。