实验一__WGL-2型半导体泵浦激光原理实验.doc

实验一 WGL-2型半导体泵浦激光原理实验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。 实验目的 掌握半导体泵浦激光原理d：YVO4激光器为研究对象在腔中插入KTP晶体产生532nm倍频激光，观察倍频现象。 利用光功率指示仪和滤光片，观察光的衰减现象。 实验原理 1.1 光与物质的相互作用 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，在外界光子的影响下，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。 1.2 激光器 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。 一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。由此可见，为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。 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。 1.3 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。激光倍频技术是指通过改变激光频率，使激光向更短波长扩展，来获得范围更宽的激光波长。激光倍频的基本原理是利用频率为ω的光穿过倍频晶体，通过晶体中的非线性作用，产生频率为2ω的光。从而获得波长减少一半的光，例如本实验是利用近红外激光，再用KTP晶体进行腔内倍频得到的绿激光。 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远小于物质原子的内部电场场强时，物质感生的电极化强度与外界电场强度成正比 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： 式中，，，… 均为与物质有关的系数，且逐次减小，它们数量级之比为 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E2 、E3 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 出现直流项和二倍频项，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、输出的倍频光的光强，和分别为基频光和倍频光的传播矢量。为相位失配。 在正常色散的情况下，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。 实验仪器 808nm半导体激光器 ≤500mW 半导体激光器可调电源 电流0～500mA Nd:YVO4 晶体 3×3×1mm KTP倍频晶体 2×2×5mm 输出镜（前腔片） φ6 R=50mm 光功率指示仪 2μW～200mW 6挡 实验装置 实验