半导体泵浦激光器说明书

半导体泵浦激光器说明书

目的及意义

半导体泵浦0.53μm绿光激光器由于其具有波长短，光子能量高，在水中传输距离远和人眼敏感等优点。效率高、寿命长、体积小、可靠性好。近几年在光谱技术、激光医学、信息存储、彩色打印、水下通讯、激光技术等科学研究及国民经济的许多领域中展示出极为重要的应用, 成为各国研究的重点。

半导体泵浦0.53μm绿光激光器适用于大学近代物理教学中非线性光学实验。本实验以808nm半导体泵浦Nd：YVO4激光器为研究对象，让学生自己动手，调整激光器光路，产生1064nm激光。在腔中插入KTP晶体产生532nm倍频光，观察倍频现象，测量倍频效率、相位匹配角等基本参数。从而对激光原理及倍频等激光技术有一定了解。

一． 激光原理：

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hv21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

hv E 2 1

(a)

2 1 (b) 2 E 1

(c) 光与物质作用的吸收过程 E 2 1

(c) E 2 E 1 (a) 2 1 (b) 光与物质作用的自发辐射过程

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（该过程粒子从高能机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上的粒子不断积累，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。

hv 21

2 E 1

(a) E 2

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

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。

二．光学倍频原理：

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。

当光与物质相互作用时，物质中的原子会因感应而产生电偶极距。单位体积内的感应电偶极矩叠加起来，形成电极化强度矢量。电极化强度产生的极化场发射出次级电磁辐射。当外加光场的电场强度比物质原子的内场强小的多时，物质感生的电极化强度与外界电场强度成正比。

P=ε0χE

在激光没有出现之前，当有几种不同频率的光波同时与该物质作用时，各种频率的光都线性独立地反射、折射和散射，满足波的叠加原理，不会产生新的频率。

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：

P=αE+βE2+γE3+…

式中α，β，γ，…均为与物质有关的系数，且逐次减小，它们数量级之比为

原子

E 1...===βγαβ 其中E 原子为原子中的电场，其量级为108V/cm ，当时，上式中的

非线性项E 2 、E 3 等均是小量，可忽略，如果E 很大，非线性项就不能忽略。

考虑电场的平方项

t E E ωcos 0=

)2cos 1(2cos 202

2

02)2(t E t E E P ωβωββ+=== 出现直流项和二倍频项cos2 t ，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，在晶体后产生倍频光，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证明：

)

2/()2/(sin 222kl kl I L I I ∆∆∝=ωωωβη 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。

在正常色散的情况下，倍频光的折射率n 2ω总是大于基频光的折射率，所以相位失配，双折射晶体中o 光和e 光的折射率不同，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。

三．实验装置

实验使用808nm LD泵浦晶体得到1.064近红外激光，再用KTP 晶体进行腔内倍频得到0.53的绿激光，长度为1mm搀杂浓度3at% α轴向切割Nd:YVO4晶体作工作介质，入射到到内部的光约95%被吸收，采用Ⅱ类相位匹配的KTP晶体作为倍频晶体，它的通光面同时对1.064μm 0.53μm 高透，采用端面泵浦以提高空间耦合效率，用等焦距为5mm的梯度折射率透镜收集808LD激光聚焦成0.1μm 的细光束，使光束束腰在Nd:YVO4晶体内部，谐振腔为平凹型，后腔片受热后弯曲。前腔片用K9玻璃，R为50mm，对808.5高反，1.064半反。用632.8nm He-Ne激光器作指示光源。

808LD Nd:YVO4前腔片

实验装置图