半導(dǎo)體泵浦固體激光綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)講義

1、半導(dǎo)體泵浦固體激光綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)講義、八 、前言半導(dǎo)體泵浦固體激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊 , 轉(zhuǎn)換效率高等 特點(diǎn)已經(jīng)成 為現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用地主流激光器 . 應(yīng)用全工業(yè)器 件和科研級(jí)晶體設(shè)計(jì)地 半導(dǎo)體泵浦固體激光器綜合實(shí)驗(yàn)具 有系統(tǒng)開(kāi)放、調(diào)整簡(jiǎn)單、知識(shí)全 面、可定量測(cè)量參數(shù)等特 點(diǎn) .本實(shí)驗(yàn)適合配套激光原理等課程開(kāi)設(shè)本 科生專業(yè)實(shí) 驗(yàn) ,或高職院校進(jìn)行實(shí)訓(xùn)教案 .b5E2RGbCAPb5E2RGbCAPp1EanqFDPw引言 -p1EanqFDPw實(shí)驗(yàn)?zāi)康貙?shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)步驟思考題66DXDiTa9E3d實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)參考文獻(xiàn)引言半導(dǎo)體泵浦固體激光器 Diode-Pumped solid-state La

2、ser,DPL） 是以激光二 極管 LD ）代替閃光燈泵浦固體激光介質(zhì)地固體激光器 , 具有效率高、體積小、 壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn) , 在光通信、激光雷達(dá)、 激光醫(yī)學(xué)、激光加工等方面有巨大 應(yīng)用前景 ,是未來(lái)固體激光器地發(fā) 展方向 .本實(shí)驗(yàn)地目地是熟悉半導(dǎo)體泵浦固體激 光器地基本原理和調(diào) 試技術(shù) ,以及其調(diào) Q 和倍頻地原理和技術(shù) .RTCrpUDGiT實(shí)驗(yàn)?zāi)康卣莆瞻雽?dǎo)體泵浦固體激光器地工作原理和調(diào)試方法；掌握固體激光器被動(dòng)調(diào) Q 地工作原理 ,進(jìn)行調(diào) Q 脈沖地測(cè)了解固體激光器倍頻地基本原理實(shí)驗(yàn)原理半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器工作原理：上世紀(jì)80年代起，生長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器LD）技術(shù)得到了蓬勃發(fā) 展

3、,使得 LD 地 功率和效率有了極大地提高 ,也極大地促進(jìn)了 DPSL 技術(shù)地發(fā)展 .與閃光燈泵浦地 固體激光器相比 ,DPSL 地效率大大提 高 ,體積大大減小 .在使用中 ,由于泵浦源 LD 地光束發(fā)散角較大 ,為 使其聚焦在增益介質(zhì)上 ,必須對(duì)泵浦光束進(jìn)行光束變換 耦 合） .泵 浦耦合方式主要有端面泵浦和側(cè)面泵浦兩種 ,其中端面泵浦方式適用于 中 小功率固體激光器 ,具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、空間模式匹配好等優(yōu) 點(diǎn) .側(cè)面泵浦方 式主要應(yīng)用于大功率激光器 .本實(shí)驗(yàn)采用端面泵浦方 式 .端面泵浦耦合通常有直接 耦合和間接耦合兩種方式 .5PCzVD7HxA直接耦合：將半導(dǎo)體激光器地發(fā)光面緊貼

4、增益介質(zhì) ,使泵浦光 束在尚未發(fā) 散開(kāi)之前便被增益介質(zhì)吸收 ,泵浦源和增益介質(zhì)之間無(wú)光 學(xué)系統(tǒng) ,這種耦合方式稱 為直接耦合方式 .直接耦合方式結(jié)構(gòu)緊湊 , 但是在實(shí)際應(yīng)用中較難實(shí)現(xiàn) ,并且容易 對(duì) LD 造成損傷 .jLBHrnAILg間接耦合：指先將 LD 輸出地光束進(jìn)行準(zhǔn)直、整形 ,再進(jìn)行端 面泵浦 .常 見(jiàn)地方法有：組合透鏡系統(tǒng)聚光：用球面透鏡組合或者柱面透鏡組合進(jìn)行耦合.自聚焦透鏡耦合：由自聚焦透鏡取代組合透鏡進(jìn)行耦合 ,優(yōu)點(diǎn) 是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 準(zhǔn)直光斑地大小取決于自聚焦透鏡地?cái)?shù)值孔徑 .光纖耦合：指用帶尾纖輸出地 LD 進(jìn)行泵浦耦合 .優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu) 靈活 . 本實(shí)驗(yàn)先用光纖柱透鏡對(duì)半導(dǎo)體激

5、光器進(jìn)行快軸準(zhǔn)直 ,壓縮發(fā) 散角 ,然后采用組合 透鏡對(duì)泵浦光束進(jìn)行整形變換 ,各透鏡表面均鍍 對(duì)泵浦光地增透膜 ,耦合效率高 . 本實(shí)驗(yàn)地壓縮和耦合如圖 2 所 示 .xHAQX74J0X圖 1半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器地常用耦合方式1.直接耦合 2.組合透鏡耦合 3.自聚焦透鏡耦合 4.光纖耦合快軸準(zhǔn)直?光纖微透鏡電源TEC和快軸準(zhǔn)直?光纖微透鏡電源TEC和散熱片耦合系統(tǒng)Nd:YAG圖2本實(shí)驗(yàn)LD光束快軸壓縮耦合泵 g激光晶體圖3Nd:YAG晶體中Nd3+吸收光譜圖 激光晶體是 影響DPL激光器性能地重要器件為了獲得高效率地激光輸出，在一 定運(yùn)轉(zhuǎn)方式下選擇合適地激光晶體是非常重要地 .目前已

6、經(jīng)有上百種晶 體作 為增益介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)波和脈沖激光運(yùn)轉(zhuǎn)，以釹離子Nd3+)作為 激活粒子地釹 激光器是使用最廣泛地激光器其中，以Nd3+離子部分取 代Y3Al 5O12晶體中Y3+離子地?fù)解S釔鋁石榴石Nd:YAG ),由于具有量 子效率高、受激輻射截面大、光學(xué) 質(zhì)量好、熱導(dǎo)率高、容易生長(zhǎng)等地 優(yōu)點(diǎn)，成為目前應(yīng)用最廣泛地LD泵浦地理想 激光晶體之一 .Nd:YAG晶體地吸收光譜如圖 3 所示 .LDAYtRyKfE從 Nd:YAG 地吸收光譜圖我們可以看出 ,Nd:YAG 在 807.5nm 處有 一強(qiáng)吸收 峰 .我們?nèi)绻x擇波長(zhǎng)與之匹配地 LD 作為泵浦源 ,就可獲 得高地輸出功率和泵浦 效

7、率 ,這時(shí)我們稱實(shí)現(xiàn)了光譜匹配 .但是 ,LD 地輸出激光波長(zhǎng)受溫度地影響 ,溫度變 化時(shí) ,輸出激光波長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生漂 移 ,輸出功率也會(huì)發(fā)生變化 .因此 ,為了獲得穩(wěn)定地波 長(zhǎng) ,需采用具 備精確控溫地 LD 電源 ,并把 LD 地溫度設(shè)置好 ,使 LD 工作時(shí)地波長(zhǎng) 與Nd:YAG地吸收峰匹配.Zzz6ZB2Ltk另外，在實(shí)際地激光器設(shè)計(jì)中，除 了吸收波長(zhǎng)和出射波長(zhǎng)外 ,選擇激光晶體時(shí)還需要考慮摻雜濃度、上能級(jí)壽命、熱導(dǎo)率、發(fā)射截面、吸收截面、吸 收帶寬 dvzfvkwMI1等多種因素 .端面泵浦固體激光器地模式匹配技術(shù)圖 4 是典型地平凹腔型結(jié)構(gòu)圖 . 激光晶體地一面鍍泵浦光增透和輸出激光全

8、 反膜 ,并作為輸入鏡 ,鍍輸出激光一定透過(guò)率地凹面鏡作 為輸出鏡 .這種平凹腔容 易形成穩(wěn)定地輸出模 ,同時(shí)具有高地光光轉(zhuǎn) 換效率 , 但在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到模式匹 配問(wèn)題 .rqyn14ZNXI圖 4 端面泵浦地激光諧振腔形式激光輸出如圖 4 所示 ,如圖 4 所示 ,則平凹腔中地 g 參數(shù)表示為：EmxvxOtOcog1 11,g2R1輸出鏡lRa根據(jù)腔地穩(wěn)定性條件,0 gg2 1時(shí)腔為穩(wěn)定腔故當(dāng)L R2時(shí)腔穩(wěn)定同時(shí)容易算出其束腰位置在晶體地輸入平面上 ,該處地光斑尺寸為：同時(shí)容易算出其束腰位置在晶體地輸入平面上 ,該處地光斑尺寸為：本實(shí)驗(yàn)中，R為平面，R2=200mm,L=80mm由此可

9、以算出w大小.所以,泵浦光在激光晶體輸入面上地光斑半徑應(yīng)該 w0 ,這樣可使泵浦光與基 模振蕩模式匹配 ,容易獲得基模輸出 .半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器地被動(dòng)調(diào) Q 技術(shù)目前常用地調(diào)Q方法有電光調(diào)Q、聲光調(diào)Q和被動(dòng)式可飽和吸收 調(diào)Q.本實(shí) 驗(yàn)采用地Ce：YAG是可飽和吸收調(diào)Q地一種，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單 ,使用方便 ,無(wú)電磁干擾 , 可獲得峰值功率大、脈寬小地巨脈 沖 .SixE2yXPq5Cr4+：YAG 被動(dòng)調(diào) Q 地工作原理是：當(dāng) Cr4+：YAG 被放置在激光諧振腔內(nèi) 時(shí) ,它地 透過(guò)率會(huì)隨著腔內(nèi)地光強(qiáng)而改變 .在激光振蕩地初始階 段 ,Cr4+：YAG 地透過(guò)率較 低 摻釹釩酸釔 Nd：YVO

10、 4）晶體是一種性能優(yōu)良地激光晶體 ,適于制造激 光二極管 泵浦特別是中低功率地激光器 .與 Nd:YAG 相比 Nd:YVO 4 對(duì) 泵浦光有較高地吸 收 系 數(shù) 和 更 大 地 受 激 發(fā) 射 截 面 . 激 光 二 極 管 泵 浦 地 Nd:YVO 4 晶 體 與 LBO,BBO,KTP 等高非線性系 數(shù)地晶體配合使用 ,能夠達(dá)到較好地倍頻轉(zhuǎn)換效率 , 可以制成輸出近 紅外、綠色、藍(lán)色到紫外線等類型地全固態(tài)激光器 .sQsAEJkW5T 與 Nd:YAG 相比 ,Nd:YVO4 最大地優(yōu)勢(shì)在于更寬地吸收帶寬范圍內(nèi) , 具有比 Nd:YAG 高 5 倍地吸收效率 ,而且在 808nm 左右

11、達(dá)到峰值吸收波長(zhǎng) ,完 全能夠達(dá)到 當(dāng)前高功率激光二極管地標(biāo)準(zhǔn) .這使得我們可以利用更小 地晶體來(lái)制造體積越來(lái)沁 20mm15mm疋 80mm沁 20mm15mm疋 80mm忑;LD粗合系統(tǒng)Nd:YAG輸出鏡探測(cè)器 準(zhǔn)戌器越小地激光器 .同時(shí)還意味著激光二極管可以用較小地功率輸出特定地 能量,從而延長(zhǎng)了其使用壽命 .Nd:YVO 4 地吸收帶寬可達(dá) Nd:YAG 地 2.4-6.3 倍, 這一特性同 樣具有巨大地開(kāi)發(fā)價(jià)值 .除了較高地泵浦效率外 ,在二極 管地規(guī)格上提供了更大地 選擇空間 ,這將為激光器生產(chǎn)商節(jié)省更多地 制造成本 .GMsIasNXkANd:YVO 4 在 1064nm 和 1

12、342nm 處具有較大地受激發(fā)射截面 .在 a 軸方向 Nd:YVO 41064nm 波地受激發(fā)射截面約為 Nd:YAG 地 4 倍,而 1342nm 地受激發(fā)射 截面可達(dá) Nd:YAG 在 1.3um 處地 18 倍,故 Nd:YVO 41342nm激光地連續(xù)輸出效率 要大大超過(guò)Nd:YAG，這使得Nd:YVO 4激 光地兩個(gè)波長(zhǎng)都可以更容易保持一個(gè)較 強(qiáng)地單線激發(fā) .TIrRGchYzgNd:YVO 4 地另一重要特點(diǎn)是它屬單軸晶系 ，僅發(fā)射線性偏振光 ，因 此可以避免 在倍頻轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生雙折射干擾 ，而 Nd:YAG 是高勻稱性地 正方晶體 ，無(wú)此特性 .雖 然 Nd:YVO 4 地?zé)晒鈮?/p>

13、命比 Nd:YAG 短 2.7 倍左右 ，但是因?yàn)?Nd:YVO 4 具有較高 地泵浦量子效率，所以在設(shè)計(jì)理 想地光腔中仍然可獲得相當(dāng)高地斜率效 率.7EqZcWLZNXOe電源!號(hào)訃LD 耦合系統(tǒng)Nd:YAG C牡Oe電源!號(hào)訃LD 耦合系統(tǒng)Nd:YAG C牡YAG輸出鏡 探測(cè)器20mm 15mm 80mm/J沛圖 6 調(diào) Q 實(shí)驗(yàn)裝圖5半導(dǎo)休泵浦固休激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖20mm 15mni 80mm電TEC和散熱口人外、20mm 15mni 80mm電TEC和散熱口人外、耦合系統(tǒng) Nd:YAG KTP 輸出鏡圖 7 倍頻實(shí)驗(yàn)裝置片圖準(zhǔn)直器實(shí)驗(yàn)步驟5.1 LD 安裝及系統(tǒng)準(zhǔn)直實(shí)驗(yàn)裝置圖 ,如圖

14、5 所示.將 LD 電源接通 .通過(guò)上轉(zhuǎn)換片觀察 LD 出射光近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)地 光斑 .測(cè)量 LD 經(jīng)快軸壓縮后地閾值電流和輸出特性曲線 .將耦合系統(tǒng)、激光晶體、輸出鏡、 Q 開(kāi)關(guān)、 準(zhǔn)直器等各元器 件安裝在調(diào) 整架和滑塊上；將準(zhǔn)直器安裝在導(dǎo)軌上 ,利用直尺將其調(diào)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體中心位置；通過(guò)調(diào)整架旋鈕微調(diào)耦合系統(tǒng)地傾斜和俯仰 ,使晶體反射光位 于準(zhǔn)直器中 心 ,并且準(zhǔn)直光通過(guò)晶體后仍垂直進(jìn)入 LD ；通過(guò)調(diào)整架旋鈕微調(diào) Nd:YAG 晶體地傾斜和俯仰 ,重復(fù)上一步 地調(diào)節(jié)步 驟.在準(zhǔn)直器前安裝 T1 輸出鏡 ,調(diào)整旋鈕使輸出鏡地反射光點(diǎn)位 于準(zhǔn)直

15、器中 心.5.2半導(dǎo)體泵浦固體激光器調(diào) Q 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置圖 ,如圖 6 所示.在準(zhǔn)直器前安裝T1輸出鏡，調(diào)整旋鈕使輸出鏡地反射光點(diǎn)位 于準(zhǔn)直器中 心.根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置圖設(shè)置其與晶體之間地距離 .打開(kāi) LD 電 源 ,緩慢調(diào)節(jié)工作電流到3A. 微調(diào)輸出鏡傾斜和俯仰使系統(tǒng)出光 ,然后微調(diào)激光晶體、耦合系統(tǒng) ,使激光 輸出得到最大值；將 LD 電流調(diào)到最小 ,然后從小到大 漸漸增大 LD 電流 ,從激光 閾值電流開(kāi)始 ,每格 0.2A 測(cè)量一組固體 激光器系統(tǒng)輸出功率 .結(jié)合 LD 地功率 -電 流關(guān)系 ,在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上繪 出激光輸出功率 -泵浦功率曲線； lzq7IGf02E更換為T2輸出耦合鏡，重復(fù)b

16、、c地步驟，測(cè)試不同LD電 流下地激 光輸出功率；根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線 ，計(jì)算兩種耦合輸出下地激光斜效率和光光轉(zhuǎn)換效率 ,并作簡(jiǎn)要分析 .5.3.半導(dǎo)體泵浦固體激光器倍頻實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置圖 ,如圖 7 所示.安裝 Cr4+:YAG 晶體,在準(zhǔn)直器前準(zhǔn)直后放入諧振腔內(nèi) .LD 電流 調(diào)到 1.7A, 觀察輸出地平均功率 ,微調(diào)調(diào)整架 ,使激光輸出平均功率 最大；降低 LD 電流到零 . 然后從小到大緩慢增加 ,測(cè)量 1.7A、 2.0A 、 2.3A 時(shí)輸出脈沖地平均功率； zvpgeqJ1hk安裝探測(cè)器 ,取三個(gè)不同地 LD 工作電流 1.7A、2.0A 、 2.3A),分別測(cè) 量輸出脈沖地脈寬、重

17、頻；計(jì)算不同功率下地峰值功率 ,對(duì)不同功率下地輸出脈沖進(jìn)行對(duì) 比 ,并作簡(jiǎn) 要分析.將輸出鏡換為短波通輸出鏡 ,微調(diào)調(diào)整架使其反射光點(diǎn)在準(zhǔn)直 器中心.打開(kāi)LD電源，取工作電流1.7A，微調(diào)輸出鏡、激光晶體、 耦合系統(tǒng)地旋鈕 ,使輸出 激光功率最大；安裝 KTP 晶 體 或 LBO ),在準(zhǔn)直器前準(zhǔn)直后放入諧振腔內(nèi) ,倍頻晶體盡 量靠近激 光晶體 .調(diào)節(jié)調(diào)整架 ,使得輸出綠光功率最亮；然后旋轉(zhuǎn) KTP 晶體 或LBO ),觀察旋轉(zhuǎn)過(guò)程中綠光輸出有何變化 .NrpoJac3v1思考題簡(jiǎn)述調(diào) Q 原理答：調(diào) Q 原理指地是 ,采用某種辦法使諧振腔在泵浦開(kāi)始時(shí)處于 高損耗低 Q 值狀態(tài) ,這時(shí)激光振蕩

18、地閾值很高 , 粒子密度反轉(zhuǎn)數(shù)即使 積累到很高水平也不會(huì) 產(chǎn)生振蕩；當(dāng)粒子密度反轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到其峰值時(shí) , 突然使諧振腔地 Q 值增大 ,將導(dǎo)致 激光介質(zhì)增益大大超過(guò)閾值 ,極其 快速地產(chǎn)生振蕩 .此時(shí) ,激光器便可輸出一個(gè)峰 值功率高、寬度窄地激光巨脈沖1nowfTG4KI激光巨脈沖1nowfTG4KI實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)a.半導(dǎo)體激光器LD )對(duì)環(huán)境有較高要求，因此本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需放置 于潔凈實(shí) 驗(yàn)室內(nèi) . 實(shí)驗(yàn)完成后 ,應(yīng)及時(shí)蓋上儀器罩 ,以免 LD 沾染灰 塵.fjnFLDa5ZoLD 對(duì)靜電非常敏感 .所以嚴(yán)禁隨意拆裝 LD 和用手直接觸摸 LD外殼 .如果 確實(shí)需要拆裝 ,請(qǐng)帶上靜電環(huán)操作 ,并將拆下地 LD 兩個(gè)電極立即短接tfnNhnE6e5電極立即短接tfnNhnE6e5不要自行拆裝LD電源.電源如果出現(xiàn)問(wèn)題，請(qǐng)與廠家聯(lián)系同 時(shí),LD電源地 控制溫度已經(jīng)設(shè)定，對(duì)應(yīng)于LD地最佳泵浦波長(zhǎng)，請(qǐng)不 要自行更改