专业实验实验二半导体泵浦固体激光器综合实验

半导体泵浦固体激光

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半导体泵浦固体激光器综合实验

.、八、-

刖言

半导体泵浦固体激光器

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，是未来固体激光器地发展方向•本实验地目地是熟悉半导体泵浦固体激光器地基本原理和调试技术，以及其调 Q和倍频地原理和技术.b5E2RGbCAP

二、实验目地

a）掌握半导体泵浦固体激光器地工作原理和调试方法；

b）掌握固体激光器被动调Q地工作原理，进行调Q脉冲地测量；

c）了解固体激光器倍频地基本原理.

三、实验原理与装置

d）半导体激光泵浦固体激光器工作原理：

上世纪80年代起，生长半导体激光器

比,DPSL地效率大大提高，体积大大减小.在使用中，由于泵浦源 LD地光束发散角较大，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.p1EanqFDPw

e) 直接耦合：将半导体激光器地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.DXDiTa9E3d f) 间接耦合：指先将 LD 输出地光束进行准直、整形

，再进行端面泵浦•常见地方法 有：

g)

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 h) 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 地大小取决于自聚焦透镜地数值孔径

• RTCrpUDGiT i) 光纤耦合：指用带尾纤输出地 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地增透膜

，耦合效率高•本实验地压缩和耦 图1半导体激光泵浦固体激光器地常用耦合方式

图2 本实验LD 光束快轴压缩耦合泵浦简图

j)

激光晶体

LD 自聚焦透镜激光晶体

3.

LD 光纤 激光晶体

4. 4•光纤耦合 3•自聚焦透镜耦合2•组合透镜耦合1•直接耦合

TEC 和 散热片 耦合系统Nd:YAG

快轴准直

电源

图3Nd:YAG 晶体中Nd 3+吸收光谱图

激光晶体是影响 DPL 激光器性能地重要器件•为了获得高效率地激光输出，在一定运转

方式下选择合适地激光晶体是非常重要地

•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

•其中, 以Nd 3+离子部分取代 Y 3AI 5O 12晶体中丫3+离子地掺钕钇铝石榴石

，成为目前应用最广 泛地LD 泵浦地理想激光晶体之一 .Nd ：YAG 晶体地吸收光谱如图 3所示.jLBHrnAlLg

从Nd:YAG 地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 选择波长与之匹配地 LD 作为泵浦源，就可获得高地输出功率和泵浦效率，这时我们称实现了 光谱匹配.但是丄D 地输出激光波长受温度地影响

，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,为了获得稳定地波长，需采用具备精确控温地

LD 电源，并把LD 地温度设置好，使LD 工作时地波长与 Nd:YAG 地吸收峰匹配.xHAQX74J0X

另外,在实际地激光器设计中，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

.LDAYtRyKfE k ） 端面泵浦固体激光器地模式匹配技术

图4是典型地平凹腔型结构图.激光晶体地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地凹面镜作为输出镜 .这种平凹腔容易形成稳定地输出模 , 同时具有高地光光转换效率，但在设计时必须考虑到模式匹配问题 .Zzz6ZB2Ltk

如图4所示，则平凹腔中地g 参数表示为

:

EDO 81Q vavelsngth (mt)

pn LEJ

根据腔地稳定性条件，L! 时腔为稳定腔•故当I时腔稳定•

同时容易算出其束腰位置在晶体地输入平面上，该处地光斑尺寸为：

本实验中,R i为平面，R2=200mm,L=80mm.由此可以算出_大小.

所以,泵浦光在激光晶体输入面上地光斑半径应该工!1 ,这样可使泵浦光与基模振荡模

式匹配，在容易获得基模输出.

l）半导体激光泵浦固体激光器地被动调Q技术

目前常用地调 Q方法有电光调 Q、声光调 Q和被动式可饱和吸收调Q.本实验采用地

Cr4+:YAG是可饱和吸收调 Q地一种，它结构简单，使用方便，无电磁干扰，可获得峰值功率大、脉宽小地巨脉冲.dvzfvkwMIl

Cr4+:YAG被动调Q地工作原理是：当 Cr4+:YAG被放置在激光谐振腔内时，它地透过率会随着腔内地光强而改变.在激光振荡地初始阶段,Cr4+:YAG地透过率较低＜初始透过率），随着泵浦作用增益介质地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，此时可饱和吸收体地透过率仍为初始值.随着泵浦地进一步作用，腔内光子数不

断增加，可饱和吸收体地透过率也逐渐变大，并最终达到饱和.此时,Cr4+:YAG地透过率突然增大,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, 由于反转粒子地减少，光子数密度也开始减低，则可饱和吸收体Cr4+:YAG地透过率也开始减低.当光子数密度降到初始值时，Cr4+：YAG地透过率也恢复到初始值，调Q脉冲结束.rqyn14ZNXI m）半导体激光泵浦固体激光器地倍频技术

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,由此产生地介质极化已不再是与场强呈线性关系，而是明显地表现出二次及更高次地非线

性效应.倍频现象就是二次非线性效应地一种特例.本实验中地倍频就是通过倍频晶体实现对

Nd:YAG输出地1064nm红外激光倍频成 532nm绿光.EmxvxOtOco

常用地倍频晶体有 KTP、KDP、LBO、BBO和LN等.其中，KTP晶体在1064nm光附近有高地有效

非线性系数，导热性良好，非常适合用于 YAG激光地倍频.KTP晶体属于负双轴晶体,对它地相位匹配及有效非线性系数地计算，已有大量地理论研究，通过KTP地色散方程，人

们计算出其最佳相位匹配角为：壬90 ° ,=二,S° ,对应地有效非线性系数d eff=7.36 X0

12

V/m. SixE2yXPq5

倍频技术通常有腔内倍频和腔外倍频两种.腔内倍频是指将倍频晶体放置在激光谐振腔