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，将保持不变，如果有一个能量为hυ21的光子接近，则它吸收这个光子，处于激发态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，这样处于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。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。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曲线大致符合理论，一定程度说明数据正确性。可容易看出实验所用808nmLD的门限电流大致在70mA左右。在激光区的线性拟合度不是很高，尤其在220mA附近。这是由于光功率计示数不稳定且波动较大，而且外光源（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加趋势。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。造成偏低的原因可能有：（1）透镜或出射窗有污渍影响光强输出。（2）KTP晶体损坏（实验过程确有遇到晶体损坏，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，主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，光强增益放大不足。（5）光功率计数值显示不稳定，LD激光输出本身也不十分稳定，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，当激励电流一定时，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。因为实际实验中升序降序所取电流值一一对应，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。因为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，导致发光功率降低。【实验总结】本实验大致主要过程步骤为：用波长为808nm的半导体激光光源作为固体增益介质Nd:YVO4最为关键和主要的步骤是光路的准直校准，具体步骤如下：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，直至准直光能全部透过小孔。（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:YVO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。将倍频晶体KTP放上轨道，尽量靠近物镜（增益介质），也用He-Ne光源进行准直调节。关闭准直光源，打开LD泵浦光源，在输出镜与小孔间放上滤光片（滤红外）；旋动K