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。 二、实验仪器 三、实验原理 1. 半导体激光泵浦固体激光器工作原理 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。 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。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。 图 1 本实验LD光束快轴压缩耦合泵浦简图 ２．激光晶体 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2所示。 图 2 Nd:YAG晶体中Nd3+吸收光谱图射频调制器 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。 ３．端面泵浦固体激光器的模式匹配技术 图3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 3端面泵浦的激光谐振腔形式 胞苷酸如图3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，在容易获得基模输出。 4. 半导体激光泵浦固体激光器的被动调Q技术 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 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。 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，通过KTP的散方程，计算出其最佳相位匹配角为：θ=90°，φ=23.3°，对应的有效非线性系数deff=7.36×10-12V/m。 四.实验步骤 1.LD安装及系统准直(如图4)； 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；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。 图 4 半导体泵浦固体激光器实验装置图 2.测量激光输出功率-泵浦功率曲线； 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，作简要分析。 3.半导体泵浦固体激光器调Q实验； 安装Cr4+:YAG晶体，在准直器前准直后放入谐振腔内。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；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 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；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。 五、实验数据和数据处理 1. 激光输出功率-泵浦功率曲线
图5激光输出功率与泵浦源的关系曲线 随着泵浦源的电流增大，激光的输出功率也会跟着增加。在电流小于0.5A时，激光没有产生，之后产生激光的功率和输入电流基本成线性关系。 2. 半导体泵浦固体激光器调Q实验
从表格数据中可以得到，随着泵浦源的电流增加，激光输出的功率增大，脉冲的宽带变窄，频率变小。 3. 半导体泵浦固体激光器倍频实验
六.实验结果 从实验中，调腔输出激光的功率和泵浦源的功率的增加而增加，基本成线性关系，在激光腔中增加晶体可以实现调Q和倍频，使输出的激光变成脉冲或频率发生变化。 七.分析讨论 1.调节光路时，需要慢慢调节输出镜才会有激光输出； 2.KTP晶体无论放在腔内还是腔外都可以实现激光倍频，但腔内调制会比腔外的输出光强。 八.思考题 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？ 答：光谱匹配是指激光的频率和晶体的频率的两个光谱曲线的相似度；模式匹配是指将两个模式作为输入，计算模式元素之间语义上的对应关系的过程。 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？ 答：随着泵浦源的电流增加，激光输出的功率增大，脉冲的宽带变窄，频率变小。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
本文发布于:2024-09-23 07:26:07，感谢您对本站的认可！
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