半导体泵浦激光原理实验(精)
半导体泵浦激光原理实验
半导体泵浦激光原理实验理工学院光信息2班贺扬10329064 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、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抽运到激发态，上的粒子通过无辐射跃迁，迅速转移到亚稳态。
是一个寿命较长的能级，这样处于的粒子不断累积，上的粒子又由于抽运过程而减少，从而实现与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用，产生频率为的光。
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：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。
,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：式中L为晶体长度，、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，倍频光的折射率总是大于基频光的折射率，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。
实验报告_半导体泵浦激光原理
半导体泵浦激光原理实验学号：09327085 ：武班别：光信二班合作人：程昌、谭宇婷实验日期：3-14 组别：B11【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】光与物质的相互作用可以归结为光与原子的相互作用，有三种过程：吸收、自发辐射和受激辐射。
如果一个原子，开始处于基态，在没有外来光子，将保持不变，如果有一个能量为hυ21的光子接近，则它吸收这个光子，处于激发态E2.在此过程中不是所有光子都能被原子吸收，只有当光子能量正好等于原子能级间距E1−E2时才能被吸收。
激发态寿命很短，在不受外界影响时，它们会自发地返回基态，并放出光子。
自发辐射过程与外界作用无关，由于各个原子的辐射都是自发、独立进行的，因而不同原子发出来的光子的发射方向和初相位是不同的。
处于激发态的原子，在外的光子的影响下，会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、发射方向、偏振态和相位完全相同。
激光的产生主要依赖受激辐射过程。
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（该过程粒子从高能级跃迁到低能级时能量转变为热能或晶格振动能，但不辐射光子），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，偏离轴向的光子很快逸出腔外，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。
「固体激光原理与技术综合实验」
固体激光原理与技术综合实验半导体泵浦固体激光器(Diode-Ｐumped ｓｏlｉｄ-ｓtatｅＬaｓｅｒ,DPL）,是以激光二极管(ＬD)代替闪光灯泵浦固体激光介质的固体激光器,具有效率高、体积小、寿命长等一系列优点,在光通信、激光雷达、激光医学、激光加工等方面有巨大应用前景,是未来固体激光器的发展方向。
本实验的目的是了解并掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理、构成和调试技术,以及调Q、倍频等激光技术的原理和应用。
实验一半导体泵浦光源特性测量实验【实验目的】1．掌握半导体泵浦激光器的原理2．掌握半导体泵浦激光器的使用方法【实验仪器】半导体泵浦激光器、激光功率计、机械调整部件【实验原理】上世纪80年代起，生长半导体激光器（ＬD)技术得到了蓬勃发展，使得LD的功率和效率有了极大的提高，也极大地促进了DPSＬ技术的发展。
与闪光灯泵浦的固体激光器相比，ＤＰSL的效率大大提高,体积大大减小。
在使用中,由于泵浦源LＤ的光束发散角较大，为使其聚焦在增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换（耦合）。
泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种,其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹配好等优点。
侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器。
本实验采用端面泵浦方式。
端面泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两种方式,如下：（图１）直接耦合:将半导体激光器的发光面紧贴增益介质，使泵浦光束在尚未发散开之前便被增益介质吸收，泵浦源和增益介质之间无光学系统，这种耦合方式称为直接耦合方式。
直接耦合方式结构紧凑，但是在实际应用中较难实现，并且容易对LD造成损伤。
间接耦合:指先将半导体激光器输出的光束进行准直、整形,再进行端面泵浦。
本实验采用间接耦合方式，间接耦合常见的方法有三种，如下:a 组合透镜系统耦合：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合。
ｂ自聚焦透镜耦合:由自聚焦透镜取代组合透镜进行耦合，优点是结构简单,准直光斑的大小取决于自聚焦透镜的数值孔径。
光信息专业实验报告：半导体泵浦激光原理实验
hvE21 (a)21(b)2E1(c)图1 光与物质作用的受激吸收过程光信息专业实验报告：半导体泵浦激光原理实验【实验目的】1.了解与掌握半导体泵浦激光的原理及调节光路的方法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】1.808nm半导体激光器P≤500mW2.半导体激光器可调电源电流0～500mA3.Nd:YVO4晶体3×3×1mm4.KTP倍频晶体2×2×5mm5.输出镜（前腔片）φ6 R=50mm6.光功率指示仪2μW～200mW 6挡【实验原理】一、光与物质的相互作用光与物质的相互作用可以归结为光子与物质原子的相互作用，有三种过程：受激吸收、自发辐射和受激辐射。
1.受激吸收如果一个原子，开始时处于基态，在没有外来光子的情况下，它将保持不变。
如果一个能量为hv21的光子接近，则它吸收这个光子，跃迁上激发态E2。
在此过程中不是所有的光子都能被原子吸收，只有当光子的能量正好等于原子的能级间隔E1-E2时才能被吸收。
2.自发辐射处于激发态的原子寿命很短（一般为10－8～10－9秒），在不受外界影响时，它们会自发地返回到基态，并释放出光子，辐射光子能量为hv=E2-E1。
自发辐射过程与外界作用无关，是一个随机过程，各个原子的辐射都是自发的、独立进行的，因而不同原子发出来的光子的发射方向和初相位是不相同的。
由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。
3.受激辐射处于激发态的原子，在外界光场的作用下，会吸收能量为E 2-E 1的光子，从而由高能态向低能态跃迁，并向外辐射出两个光子。
只有当外来光子的能量正好等于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、发射方向、偏振态和相位完全相同。
激光的产生主要依赖受激辐射过程。
二、激光器的组成激光器主要由工作物质、泵浦源、谐振腔三部分组成，如果要实现激光倍频，还需要在谐振腔内部加入倍频晶体。
4-半导体泵浦固体激光器
4-半导体泵浦固体激光器
一、半导体泵浦固体激光器简介
半导体泵浦固体激光器是由半导体激光器（半导体激光）聚合物增益
介质，以及腔镜反射器（构成的激光器外壳）构成的，它是一种激光器，
具有高比功率，高可靠性，高输出功率，低功耗，简单的设计，占用空间小，可以用于大范围的应用，比如光学通信，光学测量，激光技术，等等。
二、半导体泵浦固体激光器的工作原理
半导体泵浦固体激光器工作原理，是将半导体激光投射到聚合物增益
介质上，由于这种增益介质具有高度选择性的发射特性，从而使激光光束
通过聚合物增益介质而进行增强。
然后，这束光被反射回来，经过多次反射，加之聚合物增益介质的特性，最终这束激光都会被反射回来，再经过
多次反射得到较高的激光功率。
三、半导体泵浦固体激光器的特点
1、半导体泵浦固体激光器具有高比功率，高可靠性，高输出功率，
低功耗，简单的设计，占用空间小等特点。
2、半导体泵浦固体激光器能够输出高功率的脉冲激光，能够改变激
光参数，实现定时、定量的光谱，从而更加稳定。
固体激光原理与技术综合实验
固体激光原理与技术综合实验半导体泵浦固体激光器（Diode-Pumped solid-state Laser，DPL），是以激光二极管（LD）代替闪光灯泵浦固体激光介质的固体激光器，具有效率高、体积小、寿命长等一系列优点，在光通信、激光雷达、激光医学、激光加工等方面有巨大应用前景，是未来固体激光器的发展方向。
本实验的目的是了解并掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理、构成和调试技术，以及调Q、倍频等激光技术的原理和应用。
实验一半导体泵浦光源特性测量实验【实验目的】1．掌握半导体泵浦激光器的原理2．掌握半导体泵浦激光器的使用方法【实验仪器】半导体泵浦激光器、激光功率计、机械调整部件【实验原理】上世纪80年代起，生长半导体激光器（LD）技术得到了蓬勃发展，使得LD的功率和效率有了极大的提高，也极大地促进了DPSL技术的发展。
与闪光灯泵浦的固体激光器相比，DPSL的效率大大提高，体积大大减小。
在使用中，由于泵浦源LD的光束发散角较大，为使其聚焦在增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换（耦合）。
泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种，其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹配好等优点。
侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器。
本实验采用端面泵浦方式。
端面泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两种方式，如下：（图1）直接耦合：将半导体激光器的发光面紧贴增益介质，使泵浦光束在尚未发散开之前便被增益介质吸收，泵浦源和增益介质之间无光学系统，这种耦合方式称为直接耦合方式。
直接耦合方式结构紧凑，但是在实际应用中较难实现，并且容易对LD造成损伤。
间接耦合：指先将半导体激光器输出的光束进行准直、整形，再进行端面泵浦。
本实验采用间接耦合方式，间接耦合常见的方法有三种，如下：a 组合透镜系统耦合：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合。
b 自聚焦透镜耦合：由自聚焦透镜取代组合透镜进行耦合，优点是结构简单，准直光斑的大小取决于自聚焦透镜的数值孔径。
半导体泵浦固体连续激光器实验原理
半导体泵浦固体连续激光器实验原理文章标题：半导体泵浦固体连续激光器实验原理引言：半导体泵浦固体连续激光器（也称作DPSSL）是一种重要的激光器技术，它被广泛应用于科学研究、工业生产、材料加工等领域。
本文将深入探讨半导体泵浦固体连续激光器的实验原理，通过介绍其构造、工作原理和关键技术，帮助读者更全面、深刻地了解该激光器技术。
第一节：半导体泵浦固体连续激光器的构造和工作原理1.1 构造概述半导体泵浦固体连续激光器由激光工作物质、泵浦源、光学谐振腔等组成。
详细介绍每个组成部分的功能和作用。
1.2 工作原理半导体泵浦固体连续激光器的工作原理是基于半导体激光二极管对工作物质进行泵浦，从而实现能量转换。
解释能量转换的过程和原理，包括吸收、激发、跃迁等关键步骤。
第二节：半导体泵浦固体连续激光器的实验关键技术2.1 泵浦源选择介绍如何选择合适的半导体泵浦源，包括波长匹配、功率要求、热效应等因素的考虑。
2.2 激光工作物质选择探讨如何选择适用于半导体泵浦固体连续激光器的工作物质，包括钕掺杂YAG（钇铝石榴石）晶体、钇铝石榴石陶瓷等，比较它们的优缺点和应用领域。
2.3 光学谐振腔设计和优化介绍光学谐振腔的设计原理和方法，包括准稳态、长腔和短腔等不同谐振腔结构的选择和优化。
第三节：实验过程与结果分析3.1 实验步骤详细描述半导体泵浦固体连续激光器实验的步骤，包括调整泵浦源、控制温度、测量输出功率等操作。
3.2 实验结果分析对实验结果进行分析和讨论，包括激光输出功率与输入功率的关系、温度对输出功率的影响等方面。
第四节：对半导体泵浦固体连续激光器的观点和理解4.1 对半导体泵浦固体连续激光器的观点提供对半导体泵浦固体连续激光器技术的观点和评价，包括其优势、局限性以及应用前景等。
4.2 对实验原理的理解总结总结半导体泵浦固体连续激光器的实验原理，回顾文章中的关键内容，以帮助读者更全面、深入地理解该技术。
结论：通过对半导体泵浦固体连续激光器实验原理的细致讲解，读者可以加深对该激光器技术的理解，并在科学研究和工业应用中充分发挥其潜力。
半导体泵浦激光原理
③、 — 曲线的斜率
该斜率为 以上的 — 曲线的斜率，表示波长为808nm的泵浦功率有多少转换成1064nm固体激光器的输出功率。
二、LD泵浦Nd：YVO4固体激光器光斑尺寸的测量
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。激光基横模的光强分布是高斯分布，能够方便地测量光斑的大小。
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。当刀口缓慢推入光束时，设刀口挡住了x≤a的所有点。最后，归一化的高斯分布和相对功率与刀口位置关系曲线如下图所示：
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，其距离为ep=0.6745σ。由实验得到的相对功率与刀口位置的关系曲线可确定ep的值。用ep的值可计算出光斑大小：
自发辐射：在没有外界作用下，原子中的电子自发的由高能级向低能级跃迁，跃迁时将产生光辐射，此即为自发辐射。辐射光子能量为：
原子的自发辐射过程完全是一个随机过程，所辐射的光之间完全没有联系。
波尔兹曼分布规律：在通常的热平衡条件下，处于高能级 上的原子数密度 ，远比处于低能级的原子数密度低。处于能级E的原子数密度N的大小随能级E的增加而指数减小，即N∝ 。于是，在上、下两个能级上的原子数密度比为
4、缓慢旋转螺旋测微器，推进刀口，每0.04mm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P—x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。
三、LD泵浦Nd：YVO4固体激光器远场发散角的测量
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hv
E 2 E 1
(a)
2 1
(b)
E 2 E 1
(c)
光与物质作用的吸收过程
半导体泵浦激光原理实验
【实验目的】
1. 了解激光特别是半导体激光器工作原理
2. 调节激光器光路，观察倍频现象，测量阈值、相位匹配等基本参数，加深对激光技
术理解。
【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】
1. 激光产生原理
光与物质的相互作用可以归结为光与原子的相互作用，有三种过程：吸收、自发辐射和受激辐射。
如果一个原子，开始处于基态，在没有外来光子，它将保持不变，如果一个能量为hv 21
的光子接近，则它吸收这个光子，处于激发态E 2。
在此过程中不是所有的光子都能被原子吸收，只有当光子的能量正好等于原子的能级间隔E 1-E 2时才能被吸收。
激发态寿命很短，在不受外界影响时，它们会自发地返回到基态，并放出光子。
自发辐
射过程与外界作用无关，由于各个原子的辐射都是自发的、独立进行的，因而不同原子发出来的光子的发射方向和初相位是不相同的。
处于激发态的原子，在外的光子的影响下，会从高能态向低能态跃迁，并两个状态间的
能量差以辐射光子的形式发射出去。
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、发射方向、偏振态和相位完全相同。
激光的产生主要依赖受激辐射过程。
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E 1抽运到激发态E 3，E 3上的粒子通过无辐射跃迁（该过程粒子从高能级跃迁到低能级时能量转变为热能或晶格振动能，但不辐射光子），迅速转移到亚稳态E 2。
E 2是一个寿命较长的能级，这样处于E 2上的粒子不断积累，E 1上的粒子 又由于抽运过程而减少，从而实现E 2与E 1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，偏离轴向的光子很快逸出腔外，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。
2. 光学倍频
光的倍频是一种最常用的扩展波段的非线性光学方法。
激光倍频是将频率为ω的光，通过晶体中的非线性作用，产生频率为2ω的光。
考虑电场的平方项
t E E ωcos 0=
)2cos 1(2
cos 20
2
20
2
)
2(t E t E E P
ωβωββ+===
hv 21
2
E 1
(a)
E 2 E 1
(b)
hv 21
hv 21
光与物质作用的受激辐射过程
E 1
E 3
E 2
三能级系统示意图
出现直流项和二倍频项cos2ωt ，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：
)
2/()2/(sin 22
2kl kl I L I I ∆∆∝=ω
ωωβη 式中L 为晶体长度，I ω、I 2ω分别为入射的基频光、输出的倍频光的光强，△k =k ω-2k 2ω
分别为基频光和倍频光的额传播矢量。
【实验装置】
【实验内容】
1． 将808nmLD 固定在二维调节架上，将632.8nm 红光通过白屏小孔聚到折射率梯度透镜
上。
让632.8nm 光和小孔及808nmLD 在同一轴线上。
2． 将Nd:YVO 4晶体安装在二维调节架上，将红光通过晶体并将返回的光点通过小孔。
3． 将输出镜（前腔片）固定在四维调节架上。
调节输出镜使返回的光点通过小孔。
对于
有一定曲率的输出镜，会有几个光斑，应区分出从球心返回的光斑。
4． 在Nd:YVO 4晶体和输出镜之间插入KTP 倍频晶体，接通电源，调节多圈电位器。
5． 产生532nm 倍频绿光。
调节输出镜，LD 调节架，使532nm 绿光功率最大。
【注意事项】
1． 实验中激光器输出的光能量高、功率密度大，应避免直射到眼睛。
特别是532nm 绿光，
切勿用眼睛直视激光器的轴向输出光束，以免视网膜受到永久性的伤害。
2． 避免用手接触激光器的输出镜，晶体的镀膜面，膜片应防潮，不用的晶体，输出腔片用
镜头纸包好，放在干燥器里。
3． 激光器应注意开关步骤，先检查多圈电位器是否处于最小处，再打开电源开关，逐步调
整电位器，使电流逐渐增大，激光器出光。
实验完成后，调整电位器，直到电流为零，再关闭电源。