半导体泵浦激光器实验报告.docx

半导体泵浦固体激光器的调Q与光学二倍频杨 光北京大学物理学院 学号:1200011322（日期：2016年4月13日）摘要：本实验利用波长808nm的半导体泵浦源泵浦激光晶体，并与一个输出镜构成谐振腔，从而研究Nd:YVO4和Nd:YAG两种激光晶体的特性(输出的激光波长为1064nm)。包括：泵浦源阈值，电流和输出功率的关系(I-P特性)，被动调Q性质。另外利用Nd:YVO4激光晶体产生的激光，研究二倍频晶体KTP的最大倍频功率和倍频相位匹配角，观察到了可见的绿光和绿光光强随匹配角的变化关键词：泵浦激光，激光晶体，调Q，非线性晶体，二倍频引 言 在激光和非线性光学的发展过程中，新型激光的出现带来新的光学现象和巨大的应用前景。激光的产生需要对激光晶体泵浦从而发生粒子数反转，早期物理学家用氪灯或氙灯来对激光晶体进行泵浦，而近年来被称为第二代的激光器的半导体泵浦固体激光器得到了快速的发展和应用。与传统激光器不同，这种激光器利用了固定波长的半导体激光器对光学晶体进行泵浦，因此体积小，寿命长，结构紧凑，热效应小，效率高，可覆盖波长宽，已成为固体激光器的主要研究和发展方向。 本实验的主要目的是为了学习搭建半导体泵浦固体激光器获得1064nm的红外激光并调Q产生脉冲激光；观察和测量在不同工作模式下的输出激光性质；观测晶体的光学二倍频效应。通过本实验，我了解了半导体泵浦固体激光器和激光调Q的基本原理，掌握了激光的产生和激光参数测量的基本方法，并学习了非线性光学效应实验原理与装置半导体泵浦固体激光器的工作原理固体激光器的增益介质是掺杂有能被泵浦到激发态的原子、离子或分子的玻璃或晶体，通过灯、半导体激光器阵列、或其它激光用光泵浦的方式得到激发。其参与受激辐射的粒子密度远远高于气体工作介质，因此易于获得大能量输出。目前已有上百种晶体作为增益介质实现了固体激光器的运转。以钕离子(Nd3+）作为激活粒子的激光器使用非常广泛，其中Nd:YAG（掺钕钇铝石榴石）为四能级系统，具有量子效率高，受激辐射界面大的优点，其热导率高，光学质量好，是最常用的激光晶体之一，工作波长一般为1064nm；Nd:YVO4（掺钕钒酸钇）是低功率应用最广泛的激光晶体，工作在1064nm，可通过KTP,LBO等非线性光学晶体进行波长转换输出近红外，绿色，蓝色等激光。 半导体激光器(LD)的增益介质是pn结半导体二极管。当电流正向通过二极管时，电子和空穴分别被从n区传输进p区和p区传至n区，在pn结中电子与空穴可能复合并产生相应能量的电磁辐射。当电流大于阈值时，pn结中的辐射场变得很强，经过半导体介质的端面多次反射放大，在其它弛豫过程消除粒子数反转之前就在pn结中发生受激辐射，发射出强烈的激光。由于半导体材料中电子密度高，相应的放大系数大，很短的增益介质就可达到激光阈值。LD的发射阈值低，发射光谱可通过选择半导体材料和温度控制在宽范围内选择和精确调节，是固体激光器极好的泵浦源。 Nd:YAG中Nd3+的吸收光谱在810nm的中心波长附近有多条吸收线，使用AlGaAs/GaAs为材料的LD，通过温度调谐使其工作波长与某强吸收峰精确匹配，就可以实现高效率的泵浦。LD的光束发散角较大，须经过端面或侧面耦合进行光束变换后，再聚焦到固体激光器的增益介质上。激光器的调 Q 原理目前常用的调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+:YAG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，Cr4+:YAG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+:YAG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。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532