2023年实验报告半导体泵浦激光原理

半导体泵浦激光原理实验学号：09３2７0８５姓名：曹武班别:光信二班合作人：程昌、谭宇婷实验日期:３-14组别:B11【实验目的】了解与掌握半导体泵浦激光原理及调节光路方法。掌握腔内倍频技术,并了解倍频技术的意义。掌握测量阈值、相位匹配等基本参数的方法。【实验仪器】8０8nm半导体激光器、半导体激光器可调电源、Nd:YVO【实验原理】光与物质的互相作用可以归结为光与原子的互相作用,有三种过程：吸取、自发辐射和受激辐射。假如一个原子，开始处在基态,在没有外来光子，将保持不变,假如有一个能量为hυ21的光子接近,则它吸取这个光子，处在激发态E2激发态寿命很短，在不受外界影响时，它们会自发地返回基态,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、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同的。处在激发态的原子,在外的光子的影响下，会从高能态向低能态跃迁，并在两个状态的能量差以辐射光子的形式发出去。只有外来光子的能量正好为激发态与基态的能级差时,才干引起受激辐射，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。激光的产生重要依赖受激辐射过程。激光器重要有：工作物质、谐振腔、泵浦源组成。工作物质重要提供粒子数反转。泵浦过程使粒子从基态E1抽运到激发态E3，E3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E2。E2是一个寿命较长的能级，这样处在E2的粒子不断累积,激光产生必须有能提供光学正反馈的谐振腔。处在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,偏离轴向的光子不久逸出腔外,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。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。当光与物质互相作用时,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得多时，物质感生的电极化强度与外界电场强度成正比。P=在激光没有出现前，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：P=αE+β式中α，考虑电场的平方项E=P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：η=式中L为晶体长度,Iω、I在正常色散情况下，倍频光的折射率n2ω总是大于基频光的折射率，所以相位失配，双折射晶体中的o光和e光折射率不同,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,可以运用双折射晶体中ｏ光、e【实验装置】图4实验装置示意图实验使用808nmLD泵浦晶体得到1．064μm近红外激光，再运用ＫＴＰ晶体进行腔内倍频得到0．５３μm的绿激光，长度为3x3x１mｍ掺杂浓度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%被吸取,采用ΙΙ类相位匹配2x2x５mｍKTP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激光聚焦成0.1μm的细光束,使光束束腰在Nd:YVO4晶体内部，谐振腔为平凹型,后腔片受热后弯曲。输出镜用K9玻璃,R为50mm，对８08.5，1【操作环节】将808nmLD固定在二维调节架，将He-Ｎe63２．nｍ红光通过白屏小孔聚到折射率梯度透镜上。让He－Ｎe激光和小孔及808ｎmLD在同一轴线上。将Nd:YVO将输出镜固定在四维调节架上。调节输出镜使返回光点通过小孔。对于有一定曲率的输出镜，会有几个光斑,应区分从球心返回的光斑。在Nd:YVO产生５32nm倍频绿激光。调节输出镜,LD调节架,使53２nm绿光功率最大。【实验数据记录与分析】表1光源电流与光功率关系可调光源电流I/mA２０4０6０8010012０１40１60180２０08０8nmLD激光光功率P／mＷ0.０４0.１00.201．9５7.０３13．32０.１27.53５．443.1可调光源电流I/mＡ220２４０2６0280３0０320３４0３6０380400808nmＬD激光光功率Ｐ/mW４９.0５3.７59.０6３．９６９．575．4８2．19１.210１.3１１0．5将数据导入Oｒiｇin８.５,并拟合为平滑曲线如下：图4实验测得LＤ的PＩ特性曲线由激光原理可知:工作物质一定期,LD输出激光频率与谐振腔长度和激励源强度有关,即输出频率取决于PＮ结温度和注入电流大小。一般半导体激光器的发光特性如图５所示。可以看出在温度一定期,驱动电流低于阈值电流(门限电流）时,激光器输出功率趋近于零，此即为LD荧光区;只有当驱动电流高于阈值电流时才干产生激光,即为激光区，在这个区域内，输出功率随电流I的增大而迅速呈似线性式增大。图5半导体LD一般PI特性曲线对比图5,从图4可看出实验测得PI曲线大体符合理论,一定限度说明数据对的性。可容易看出实验所用808ｎmＬD的门限电流大体在70mＡ左右。在激光区的线性拟合度不是很高,特别在220mA附近。这是由于光功率计示数不稳定且波动较大,并且外光源（如台灯，走廊灯等）的影响也较大，但是不改变曲线的整体趋势。表2激励源电流与5３2ｎm绿色激光光功率关系及转换效率激励电流I/mA3００32０34０3603804０0降序绿激光功率P10.2３6０.245０.30７0．380０.4500.5３０升序绿激光功率P20.２360.2８９０．30７0.4３00.４８０0.5７1绿激光功率平均值P／mW0.2３6０.2670.30７0.4050．４530．５５1808nmＬD激光功率P’69.57５.482.１91．２1０１.3110．５转换效率η0．3４％０．35％0.３7%0．44%0.４5％0．50％注：η=由上表数据可看出:随激励电流的增大（或者说LD光功率增大)，532ｎm绿激光的转换效率整体上呈增长趋势。经查阅资料,实验所得转换效率远小于一般ＬD泵浦激光器的转换效率。导致偏低的因素也许有：(1）透镜或出射窗有污渍影响光强输出。(2）ＫＴP晶体损坏(实验过程确有碰到晶体损坏，更换ＫTP晶体才明显看到绿色激光光功率增强)。（３）光路调节不够准直,重要器件的光轴不在同一条水平线上。（4)激光未能在增益介质膜中多次振荡便出射,光强增益放大局限性。（5)光功率计数值显示不稳定，LＤ激光输出自身也不十分稳定,测量读数会有一定误差。再将升序、降序（对电流而言)测得的功率值以激励电流为横坐标，导入Origin８．５，并拟合为平滑曲线如下图：图6绿色激光(波长为532nm）的PＩ特性曲线由上图可以看出,当激励电流一定期，不管是升序还是降序，测得的绿激光光功率最大值相差甚小,但整体来说，升序测得的数据略大于降序测得的数据。由于实际实验中升序降序所取电流值一一相应,而降序过程中由于起始激励电源高,散热慢而导致光路系统（器件）温度会略高于升序时的温度。由于温度的升高会引起某些方向振动模式增益得到加强,某些方向振动模增益得到减弱。推测：1、降序系统温度偏高,绿光53２ｎm激光振动模式增益得到削弱所致；2、电流一定的情况下,随着温度升高，半导体激光器LD的阈值电流增大,导致发光功率减少。【实验总结】本实验大体重要过程环节为：用波长为808nｍ的半导体激光光源作为固体增益介质Nd:YVO4晶体的泵浦光源,从而得到波长为1064nm的红外激光，运用He-Ne激光器进行光路准直校准,使激光通过KTP倍频晶体,运用其非线性作用可得波长为532nm的绿色激光，再稍微调整晶体和透镜调节架，使得绿激光光最为关键和重要的环节是光路的准直校准,具体环节如下：将小孔光屏置于轨道上，打开准直He-Nｅ激光光源。将光屏从靠近He-Nｅ光源一端向远端移动，直至准直光能所有透过小孔。（物镜、输出镜、ＫＴＰ晶体等独立非固定器件先不放在光轨上)将物镜放置在离泵浦光源距离为５０mm左右的位置(物镜靠LD侧贴膜Nd:YVO4实为增益介质)。打开泵浦光源（实验设立为３00mA输出电流)，观测光斑是否在物镜正中心，注意中心光斑应为白色或亮黄色,区别于其他的红色反射光点。可调节物镜四维调节架旋钮使将输出镜放上轨道，打开准直光源进行校准。根据光点随输出镜旋钮扭动方向的移动，判断物镜与输出镜是否严格平行。关闭Ｈe－Ne准直光源。将