半导体泵浦激光特性以及倍频技术

半导体激光器的频率特性以及倍频技术

姓名：李方圆学号：1150730006 班级：11应物

一．前言

光的频率指的是光波振动的频率，频率是光的基本特性之一。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。

论文依据对半导体激光器模型的理论分析，结合激光晶体与倍频晶体特性设计了可根据半导体激光器工作条件平凹直腔与腔内倍频的稳定高效连续

二．半导体激光器工作及其倍频结构

实验使用808nm LD泵浦晶体得到1.064μm 近红外激光，再用KTP晶体进行腔

内倍频得到0.53μm的绿激光，长度为3×3×1mm搀杂浓度3at% α轴向切割

Nd:YVO4晶体作为工作介质，入射到内部的光约95%被吸收，采用Ⅱ类相位匹配2

×2×5mm 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3mm的梯度折射率透镜收集808LD激

hv

E 2

1

2 1 2 E 1

(c) 光与物质作用的吸收过程

E 2 1 E 2

E 1

2 1 光聚焦成0.1μm 的细光束，使光束束腰在Nd:YVO 4 晶体内部，谐振腔为平凹型，后腔片受热后弯曲。输出镜（前腔片）用K9玻璃，R 为50mm ，对808.5，1.064高反，0.53增透。用632.8nm He-Ne 激光器作准直光源。

三 . 论文研究的主要内容及技术指标

根据国论文的选题要求，论文的主要研究内容和关键参数如下：

（1） 观察经过 KTP 倍频晶体后的现象

（2） 半导体激光器的输出阈值

（3） 相位匹配角

四．半导体激光器工作原理

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。

五．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。

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矩。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：

hv 21

E 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

P=αE+βE 2+γE 3+…

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 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。

六． 实验数据

由实验数据分析可得，在匹配角为220度时，半导体激光器输出功率最大。此外，半导体本身输出的是远红外光808nm,经过倍频之后，波长为404 nm 大约在绿光这个范围内，与试验现象符合得很好。

七． 结论

通过倍频技术可将波长为808 nm 的激光转换成波长为404nm 的绿光。同时只有