4-半导体泵浦固体激光器

半导体泵浦固体激光器倍频与调Q实验

一、前言

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。本实验的目的是熟悉半导体泵浦固体激光器的基本原理和调试技术，以及其调Q 和倍频的原理和技术。

二、实验目的

1、掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法；

2、掌握固体激光器被动调的工作Q原理，进行调Q脉冲的测量；

3、了解固体激光器倍频的基本原理。

三、实验原理与装置

1. 半导体激光泵浦固体激光器工作原理：

上世纪80年代起，半导体激光器（LD）生长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。

a) 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。

b) 间接耦合：指先将LD输出的光束进行准直、整形，再进行端面泵浦。常见的方法有：

1) 组合透镜系统聚光：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合。

2) 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。

3) 光纤耦合：指用带尾纤输出的LD进行泵浦耦合。优点是结构灵活。

本实验先用光纤柱透镜对半导体激光器进行快轴准直，压缩发散角，然后采用组合透镜对泵浦光束进行整形变换，各透镜表面均镀对泵浦光的增透膜，耦合效率高。本实验的压缩和耦合如图2所示。

LD

激光晶体

LD 激光晶体

组合透镜激光晶体自聚焦透镜LD LD 光纤激光晶体

1. 2. 3. 4.

图1半导体激光泵浦固体激光器的常用耦合方式

1.直接耦合

2.组合透镜耦合

3.自聚焦透镜耦合

4.光纤耦合

Nd:YAG LD 耦合系统电源

TEC 和散热片

图2

本实验

LD 光束快轴压缩耦合泵浦简图

2、激光晶体图3Nd:YAG 晶体中Nd 3+

吸收光谱图激光晶体是影响DPL 激光器性能的重要器件。为了获得高效率的激光输出，在一定运转方式下选择合适的激光晶体是非常重要的。目前已经有上百种晶体作为增益介质实现了连续波和脉冲激光运转，以钕离子（Nd 3+）作为激活粒子的钕激光器是使用最广泛的激光器。

其中，以Nd 3+离子部分取代Y 3Al 5O 12晶体中Y 3+离子的掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG ）

，由于具有量子效率高、受激辐射截面大、光学质量好、热导率高、容易生长等的优点，成为目前

应用最广泛的LD泵浦的理想激光晶体之一。Nd:YAG晶体的吸收光谱如图3所示。

从Nd:YAG的吸收光谱图我们可以看出，Nd:YAG在807.5nm处有一强吸收峰。我们如果选择波长与之匹配的LD作为泵浦源，就可获得高的输出功率和泵浦效率，这时我们称实现了光谱匹配。但是，LD的输出激光波长受温度的影响，温度变化时，输出激光波长会产生漂移，输出功率也会发生变化。因此，为了获得稳定的波长，需采用具备精确控温的LD 电源，并把LD的温度设置好，使LD工作时的波长与Nd:YAG的吸收峰匹配。

另外，在实际的激光器设计中，除了吸收波长和出射波长外，选择激光晶体时还需要考虑掺杂浓度、上能级寿命、热导率、发射截面、吸收截面、吸收带宽等多种因素。

3、端面泵浦固体激光器的模式匹配技术

图4是典型的平凹腔型结构图。激光晶体的一面镀泵浦光增透和输出激光全反膜，并作为输入镜，镀输出激光一定透过率的凹面镜作为输出镜。这种平凹腔容易形成稳定的输出模，同时具有高的光光转换效率，但在设计时必须考虑到模式匹配问题。

图4端面泵浦的激光谐振腔形式

对于平凹腔，根据腔的稳定性条件，易知当L

4、半导体激光泵浦固体激光器的被动调Q技术

目前常用的调Q方法有电光调Q、声光调Q和被动式可饱和吸收调Q。本实验采用的Cr4+:YAG是可饱和吸收调Q的一种，它结构简单，使用方便，无电磁干扰，可获得峰值功率大、脉宽小的巨脉冲。

Cr4+:YAG被动调Q的工作原理是：当Cr4+:Y AG被放置在激光谐振腔内时，它的透过率会随着腔内的光强而改变。在激光振荡的初始阶段，Cr4+:YAG的透过率较低（初始透过率），随着泵浦作用，增益介质的反转粒子数不断增加，当谐振腔增益等于谐振腔损耗时，反转粒子数达到最大值，此时可饱和吸收体的透过率仍为初始值。随着泵浦的进一步作用，腔内光子数不断增加，可饱和吸收体的透过率也逐渐变大，并最终达到饱和。此时，Cr4+:Y AG 的透过率突然增大，光子数密度迅速增加，激光振荡形成。腔内光子数密度达到最大值时，激光为最大输出，此后，由于反转粒子的减少，光子数密度也开始减低，则可饱和吸收体Cr4+:YAG的透过率也开始减低。当光子数密度降到初始值时，Cr4+:YAG的透过率也恢复到初始值，调Q脉冲结束。

5、半导体激光泵浦固体激光器的倍频技术

光波电磁场与非磁性透明电介质相互作用时，光波电场会出现极化现象。当强光激光产生后，由此产生的介质极化已不再是与场强呈线性关系，而是明显的表现出二次及更高次的非线性效应。倍频现象就是二次非线性效应的一种特例。本实验中的倍频就是通过倍频晶体实现对Nd:YAG输出的1064nm红外激光倍频成532nm绿光。