半导体泵浦固体激光器

1、佛山科学技术学院一、实验目的1 .掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法；2 .了解固体激光器倍频的基本原理；3 .掌握固体激光器被动调 Q 的工作原理，进行调 Q 脉冲的测量。（选做）二、实验原理1.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（LD）技术得到了蓬勃发展，使得 LD 的功率和效率有了极大的提高，也极大地促进了 DPSL 技术的发展。与闪光灯泵浦的固体激光器相比,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

2、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。将半导体激光器的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。直接耦合方指先将 LD 输出的光束进行准直、整形，再进行端面泵浦。常见的方法有：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。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，准直光斑的大小取决于自聚焦透镜的数值孔径。指用带尾纤输出的 LD 进行泵浦耦合。优点是结构灵活。课程名称光电信息与技术实验实验项目半导体泵浦固体激光器综合实验专业

3、班级13 光源与照明 1 班姓名冯远博学号 2013244101指导教师谢嘉宁成绩日期 2015 年 6 月 12 日DPSL 的效率大大提高，体积大大减小。在使用中，由于泵浦源LD 的光束发散角较大，为使其聚焦在增益介直接耦合: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。间接耦合:光纤耦合: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的增透膜，耦合效率高。本实验的压缩和耦合LD 激光晶体LD 自聚焦透镜激光晶体3.如图 2 所示。泵浦固体激光器的常用耦合方式 1.直接耦合图 1 半导体激光4.光

4、纤耦合1.2.组合透镜耦合 3.自聚焦透镜耦合本实验 LD 光束快轴压缩耦合泵浦简图*75。BQOBIOS50总/暮length（nit）图 3Nd:YAG 晶体中 N/吸收光谱图激光晶体是影响 DPL 激光器性能的重要器件。为了获得高效率的激光输出，在一定运转方式下选择合适的激光晶体是非常重要的。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，以被离子（Nd3+）作为激活粒子的被激光器是使用最广泛的激光器。其中，以 Nd3+离子部分取代丫 3AI5O12 晶体中丫3+离子的掺铉钮铝石榴石（Nd:YAG）,由于具有量子效率高、受激辐射截面大、光学质量好、热导率高、容易生长等的优点，

5、成为目前应用最广泛的 LD 泵浦的理想激光晶体之一。Nd:YAG 晶体的吸收光谱如图 3 所示。从 Nd:YAG 的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的 LD 作为泵浦源，就可获得高的输出功率和泵浦效率，这时我们称实现了光谱匹配。但是，LD 的输出激光波长受温度的影响，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，为了获得稳定的波长，需采用具备精确控温的 LD 电源，并把 LD 的温度设置好，使 LD 工作时的波长与 Nd:YAG 的吸收峰匹配。另外，在实际的激光器设计中，除了吸收波长和出射波长外，选择激光晶体时

6、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。3.端面泵浦固体激光器的模式匹配技术图4是典型的平凹腔型结构图。激光晶体的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的凹面镜作为输出镜。这种平凹腔容易形成稳定的输出模，同时具有高的光光转换效率，但在设计时必须考虑到模式匹配问题。电源TEC和散热片耦合系统Nd:YAG快轴准直如图4所示，则平凹腔中的 g 参数表示为：g1=1_=1g2=1_RiQ根据腔的稳定性条件，0Mg1g21时腔为稳定腔。故当时腔稳定。同时容易算出其束腰位置在晶体的输入平面上，该处的光斑尺寸为：JI本实验中，Ri为平面，

7、R2=200mm,L=80mm。由此可以算出w0大小。所以，泵浦光在激光晶体输入面上的光斑半径应该W0=激光输出图 4 端面泵浦的激光谐振腔形式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之内，由于腔内具有较高的功率密度，因此较适合于连续运转的固体激光器。腔外倍频方式指将倍频晶体放置在激光谐振腔之外的倍频技术，较适合于脉冲运转的固体激光器。三、实验内容及步骤1 .LD安装及系统准直将 LD 电源接通。通过上转换片观察阈值电流和输出特性曲线。将耦合系统、激光晶体、输出镜、将准直器安装在导轨上，利用直尺将其调整成光束水平出射，中心高度入射在激光晶体中心位置；通过调整

8、架旋钮微调耦合系统的倾斜和俯仰，使晶体反射光位于准直器中心，并且准直光通过晶体后仍垂直进入 LD;通过调整架旋钮微调 Nd:YAG 晶体的倾斜和俯仰，重复上一步的调节步骤。在准直器前安装 T1 输出镜，调整旋钮使输出镜的反射光点位于准直器中心。2 .半导体泵浦固体激光器实验图5半导体泵浦固体激光器实验装置图T1 输出镜，调整旋钮使输出镜的反射光点位于准直器中心。根据实验装置图设置其与晶体之间的距离。打开 LD 电源，缓慢调节工彳电流到 1.3A。微调输出镜倾斜和俯仰使系统出光，然后微调激光晶体、耦合系统，使激光输出得到最大值；将 LD 电流调到最小，然后从小到大渐渐增大 LD 电流，从激光阈值

9、电流开始，每格 0.2A 测量一组固体激光器系统输出功率。结合 LD 的功率-电流关系，在实验报告上绘出激光输出功率-泵浦功率曲线；1 .更换为 T2 输出耦合镜，重复 3.b、3.c 的步骤，测试不同 LD 电流下的激光输出功率；2 .根据实验数据和曲线，计算两种耦合输出下的激光斜效率和光光转换效率，并作简要分析。3 .半导体泵浦固体激光器调 Q 实验实验装置图图6调 Q 实验装置图安装 Cr4+:YAG 晶体，在准直器前准直后放入谐振腔内。LD 电流调到 1.7A,观察输出的平均功率，微调调整架，使激光输出平均功率最大；LD 出射光近场和远场的光斑。测量 LD 经快轴压缩后的Q 开关、准直

10、器等各元器件安装在调整架和滑块上;50mm,水平并且水平准直器在准直器前安装电20mm输出镜探测器弋15mm心80mm麻。LD耦合系统Nd/降低 LD 电流到零。然后从小到大缓慢增加，测量 1.7A、2.0A、2.3A 时输出脉冲的平均功率；安装探测器，取三个不同的 LD 工作电流（1.7A、2.0A、2.3A）,分别测量输出脉冲的脉宽、重频；计算不同功率下的峰值功率，对不同功率下的输出脉冲进行对比，并作简要分析。4 .半导体泵浦固体激光器倍频实验|实验装置图弋20mm弋15mm弋80mm电源TEC?LD耦合系统Nd:YAGKTPKTP 输出镜准直器图 7 倍频实验装置图将输出镜换为短波通输出

11、镜，微调调整架使其反射光点在准直器中心。打开 LD 电源，取工作电流 1.7A,微调输出镜、激光晶体、耦合系统的旋钮，使输出激光功率最大；安装 KTP 晶体（或 LBO）,在准直器前准直后放入谐振腔内，倍频晶体尽量靠近激光晶体。调节调整架，使得输出绿光功率最亮；然后旋转 KTP 晶体（或 LBO）,观察旋转过程中绿光输出有何变化；四、注意事项1 .半导体激光器（LD）对环境有较高要求，因此本实验系统需放置于洁净实验室内。实验完成后，应及时盖上仪器罩，以免 LD 沾染灰尘。2 .LD 对静电非常敏感。所以严禁随意拆装 LD 和用手直接触摸 LD 外壳。如果确实需要拆装，请带上静电环操作，并将拆下

12、的 LD 两个电极立即短接。3 .不要自彳 T 拆装 LD 电源。电源如果出现问题，请与产家联系。同时，LD 电源的控制温度已经设定，对应于 LD 的最佳泵浦波长，请不要自行更改。4 .LD、耦合系统、激光晶体，两两滑块之间距离大约为 32mm、8mm,经调整好以后最好不要随意变动，以免影响实验使用。5 .准直好光路后需用遮挡物（如功率计或硬纸片）挡住准直器，避免准直器被输出的红外激光打坏。6 .实验过程避免双眼直视激光光路。人眼不要与光路处与同一高度，最好能带上激光防护镜操作。五、实验数据半导体：1064nm1(A)P(iriW)J1(A)P(成00000L0.2O-IT0.20.01r0.

13、452.10.4L86ro.6163.40.68.33ro.s2810.817.72ri393133,1ri.25061.244,1ri.46161.455ri.67261.679,1ri.88351.898.729422126.3六、实验结果半导体泵浦固体激光器功率与电流的关系1fnnrt七、分析讨论1 .误差分析1)测量功率 P 和电流 I 关系时，功率 P 时常变动，这是静电、杂光、环境嘈杂和桌面不平整或有振动的干扰引起的问题，实验时应注意不要大声说话，尽量不要开关灯源，不要随意走动。2)在观察有化学药水涂抹的光片上是否出现 1064nm 的远红外光时，可能会出现两个点或一条线，这时应注

14、意调节透镜上的螺丝，尽量让下一组实验成员不必费尽心力再次调节，最后在光片上应出现一个闪亮的红点。2 .注意事项1) .半导体激光器(LD)对环境有较高要求，因此本实验系统需放置于洁净实验室内。实验完成后,应及时盖上仪器罩，以免 LD 沾染灰尘。2) .LD 对静电非常敏感。所以严禁随意拆装 LD 和用手直接触摸 LD 外壳。如果确实需要拆装，请带上静电环操作，并将拆下的 LD 两个电极立即短接。3) .不要自彳 T 拆装 LD 电源。电源如果出现问题，请与产家联系。同时，LD 电源的控制温度已经设定，对应于 LD 的最佳泵浦波长，请不要自行更改。4) .LD、耦合系统、激光晶体，两两滑块之间距离大约为 32mm8mm 经调整好以后最好不要随意变动，以免影响实验使用。5) .准直好光路后需用遮挡物(如功率计或硬纸片)挡住准直器，避免准直器被输出的红外激光打坏。6) .实验过程避