半导体泵浦固体激光器（Diode-Pumped solid-state Laser，DPL），是以激光二极管（LD）代替闪光灯泵浦固体激光介质的固体激光器，具有效率高、体积小、寿命长等一系列优点，在光通信、激光雷达、激光医学、激光加工等方面有巨大应用前景，是未来固体激光器的发展方向。本实验的目的是熟悉半导体泵浦固体激光器的基本原理和调试技术，以及其调Q和倍频的原理和技术。 uuu16【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.掌握固体激光器被动调熏洗仪Q的工作原理，进行调Q脉冲的测量；
3.了解固体激光器倍频的基本原理。
【实验原理与装置】
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，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。 ①直接耦合：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。
②间接耦合：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。
光纤耦合：指用带尾纤输出的LD进行泵浦耦合。优点是结构灵活。
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如图 2所示。
图 1半导体激光泵浦固体激光器的常用耦合方式
1.直接耦合 2.组合透镜耦合 3.自聚焦透镜耦合 4.光纤耦合
图 2 本实验LD光束快轴压缩耦合泵浦简图
图 3 Nd:YAG晶体中Nd3+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，以钕离子（Nd3+）作为激活粒子的钕激光器是使用最广泛的激光器。其中，以Nd3+离子部分取代Y3Al5O12晶体中Y3+离子的掺钕钇铝石榴石（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，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。
遥控器外壳
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。
图 4 端面泵浦的激光谐振腔形式
如图 4所示，则平凹腔中的g参数表示为：
根据腔的稳定性条件，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：
本实验中，R1为平面，R2=200mm，L=80mm。由此可以算出大小。
所以，泵浦光在激光晶体输入面上的光斑半径应该，这样可使泵浦光与基模振荡模式匹配，很容易获得基模输出。
4.半导体激光泵浦固体激光器的被动调Q技术
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，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。
5.半导体激光泵浦固体激光器的倍频技术
右旋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532nm绿光。
常用的倍频晶体有KTP、KDP、LBO、BBO和LN等。其中，KTP晶体在1064nm光附近有
高的有效非线性系数，导热性良好，非常适合用于YAG激光的倍频。KTP晶体属于负双轴晶体，对它的相位匹配及有效非线性系数的计算，已有大量的理论研究，通过KTP的散方程，人们计算出其最佳相位匹配角为：θ=90°，φ遥控激光笔=23.3°，对应的有效非线性系数deff=7.36×10-12V/m。
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。
【实验仪器】
半导体激光泵浦固体激光器实验仪
【实验内容与要求】玻璃瓶盖
1. LD安装及系统准直
①将LD电源接通。通过上转换片观察LD出射光近场和远场的光斑。测量LD经快轴压缩后的阈值电流和输出特性曲线。
②将耦合系统、激光晶体、输出镜、Q开关、准直器等各元器件安装在调整架和滑块上；
③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50mm，水平并且水平入射在激光晶体中心位置；
④通过调整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；
⑤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。
⑥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
①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。根据图5设置其与晶体之间的距离。打开LD电源，缓慢调节工作电流到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；
②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；
③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；
④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
图 6调Q实验装置图
①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；
②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；
③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；
④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
图 7 倍频实验装置图
①将输出镜换为短波通输出镜，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；
②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；
【实验结果与思考】
①什么是半导体泵浦固体激光器中的光谱匹配和模式匹配？
②可饱和吸收调Q中的激光脉宽、重复频率随泵浦功率如何变化？为什么？
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