2023年實驗報告半導體泵浦激光原理

半導體泵浦激光原理實驗學號：09３2７0８５姓名：曹武班別:光信二班合作人：程昌、譚宇婷實驗日期:３-14組別:B11【實驗目的】了解與掌握半導體泵浦激光原理及調節(jié)光路方法。掌握腔內倍頻技術,并了解倍頻技術的意義。掌握測量閾值、相位匹配等基本參數(shù)的方法。【實驗儀器】8０8nm半導體激光器、半導體激光器可調電源、Nd:YVO【實驗原理】光與物質的互相作用可以歸結為光與原子的互相作用,有三種過程：吸取、自發(fā)輻射和受激輻射。假如一個原子，開始處在基態(tài),在沒有外來光子，將保持不變,假如有一個能量為hυ21的光子接近,則它吸取這個光子，處在激發(fā)態(tài)E2激發(fā)態(tài)壽命很短，在不受外界影響時，它們會自發(fā)地返回基態(tài),并放出光子。自發(fā)輻射過程與外界作用無關,由于各個原子的輻射都是自發(fā)、獨立進行的，因而不同原子發(fā)出來的光子的發(fā)射方向和初相位是不同的。處在激發(fā)態(tài)的原子,在外的光子的影響下，會從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷，并在兩個狀態(tài)的能量差以輻射光子的形式發(fā)出去。只有外來光子的能量正好為激發(fā)態(tài)與基態(tài)的能級差時,才干引起受激輻射，且受激輻射發(fā)出的光子與外來光子的頻率、發(fā)射方向、偏振態(tài)和相位完全相同。激光的產生重要依賴受激輻射過程。激光器重要有：工作物質、諧振腔、泵浦源組成。工作物質重要提供粒子數(shù)反轉。泵浦過程使粒子從基態(tài)E1抽運到激發(fā)態(tài)E3，E3上的粒子通過無輻射躍遷(該過程粒子從高能級躍遷到低能級時能量轉變?yōu)闊崮芑蚓Ц裾駝幽?，但不輻射光?，迅速轉移到亞穩(wěn)態(tài)E2。E2是一個壽命較長的能級，這樣處在E2的粒子不斷累積,激光產生必須有能提供光學正反饋的諧振腔。處在激發(fā)態(tài)的粒子由于不穩(wěn)定性而自發(fā)輻射到基態(tài),自發(fā)輻射產生的光子各個方向都有,偏離軸向的光子不久逸出腔外,只有沿軸向的光子,部分通過輸出鏡輸出,部分被反射回工作物質，在兩個反射鏡間往返多次被放大,形成受激輻射的光放大即產生激光。光的倍頻是一種最常用的擴展波段的非線性光學方法。激光倍頻是將頻率為ω的光，通過晶體中的非線性作用,產生頻率為2ω的光。當光與物質互相作用時,物質中的原子會因感應而產生電偶極矩。單位體積內的感應電偶極矩疊加起來,形成電極化強度矢量。電極化強度產生的極化場發(fā)射出次級電磁輻射。當外加光場的電場強度比物質原子的內場強小得多時，物質感生的電極化強度與外界電場強度成正比。P=在激光沒有出現(xiàn)前，當有幾種不同頻率的光波同時與該物質作用時，各種頻率的光都線性獨立地反射、折射和散射,滿足波的疊加原理,不會產生新的頻率。當外界光場的電場強度足夠大時(如激光）,物質對光場的響應與場強具有非線性關系：P=αE+β式中α，考慮電場的平方項E=P出現(xiàn)直流項和二倍頻項cos2ωt,直流項稱為光學整流,當激光以一定角度入射到倍頻晶體時，在晶體產生倍頻光，產生倍頻光的入射角稱為匹配角。倍頻光的轉換效率為倍頻光與基頻光的光強比,通過非線性光學理論可以得到：η=式中L為晶體長度,Iω、I在正常色散情況下，倍頻光的折射率n2ω總是大于基頻光的折射率，所以相位失配，雙折射晶體中的o光和e光折射率不同,且ｅ光的折射率隨著其傳播方向與光軸間夾角的變化而改變,可以運用雙折射晶體中ｏ光、e【實驗裝置】圖4實驗裝置示意圖實驗使用808nmLD泵浦晶體得到1．064μm近紅外激光，再運用ＫＴＰ晶體進行腔內倍頻得到0．５３μm的綠激光，長度為3x3x１mｍ摻雜濃度３ａt(yī)%α軸向切割Nd:YVO4晶體作為工作介質,入射到內部的光約95%被吸取,采用ΙΙ類相位匹配2x2x５mｍKTP晶體作為倍頻晶體,它的通光面同時對1．０６4μm、0.53μm高透，采用端面泵浦以提高空間耦合效率,用等焦距為3ｍm的梯度折射率透鏡收集８08LD激光聚焦成0.1μm的細光束,使光束束腰在Nd:YVO4晶體內部，諧振腔為平凹型,后腔片受熱后彎曲。輸出鏡用K9玻璃,R為50mm，對８08.5，1【操作環(huán)節(jié)】將808nmLD固定在二維調節(jié)架，將He-Ｎe63２．nｍ紅光通過白屏小孔聚到折射率梯度透鏡上。讓He－Ｎe激光和小孔及808ｎmLD在同一軸線上。將Nd:YVO將輸出鏡固定在四維調節(jié)架上。調節(jié)輸出鏡使返回光點通過小孔。對于有一定曲率的輸出鏡，會有幾個光斑,應區(qū)分從球心返回的光斑。在Nd:YVO產生５32nm倍頻綠激光。調節(jié)輸出鏡,LD調節(jié)架,使53２nm綠光功率最大?！緦嶒灁?shù)據(jù)記錄與分析】表1光源電流與光功率關系可調光源電流I/mA２０4０6０8010012０１40１60180２０08０8nmLD激光光功率P／mＷ0.０４0.１00.201．9５7.０３13．32０.１27.53５．443.1可調光源電流I/mＡ220２４０2６0280３0０320３４0３6０380400808nmＬD激光光功率Ｐ/mW４９.0５3.７59.０6３．９６９．575．4８2．19１.210１.3１１0．5將數(shù)據(jù)導入Oｒiｇin８.５,并擬合為平滑曲線如下：圖4實驗測得LＤ的PＩ特性曲線由激光原理可知:工作物質一定期,LD輸出激光頻率與諧振腔長度和激勵源強度有關,即輸出頻率取決于PＮ結溫度和注入電流大小。一般半導體激光器的發(fā)光特性如圖５所示。可以看出在溫度一定期,驅動電流低于閾值電流(門限電流）時,激光器輸出功率趨近于零，此即為LD熒光區(qū);只有當驅動電流高于閾值電流時才干產生激光,即為激光區(qū)，在這個區(qū)域內，輸出功率隨電流I的增大而迅速呈似線性式增大。圖5半導體LD一般PI特性曲線對比圖5,從圖4可看出實驗測得PI曲線大體符合理論,一定限度說明數(shù)據(jù)對的性?？扇菀卓闯鰧嶒炈?08ｎmＬD的門限電流大體在70mＡ左右。在激光區(qū)的線性擬合度不是很高,特別在220mA附近。這是由于光功率計示數(shù)不穩(wěn)定且波動較大,并且外光源（如臺燈，走廊燈等）的影響也較大，但是不改變曲線的整體趨勢。表2激勵源電流與5３2ｎm綠色激光光功率關系及轉換效率激勵電流I/mA3００32０34０3603804０0降序綠激光功率P10.2３6０.245０.30７0．380０.4500.5３０升序綠激光功率P20.２360.2８９０．30７0.4３00.４８０0.5７1綠激光功率平均值P／mW0.2３6０.2670.30７0.4050．４530．５５1808nmＬD激光功率P’69.57５.482.１91．２1０１.3110．５轉換效率η0．3４％０．35％0.３7%0．44%0.４5％0．50％注：η=由上表數(shù)據(jù)可看出:隨激勵電流的增大（或者說LD光功率增大)，532ｎm綠激光的轉換效率整體上呈增長趨勢。經(jīng)查閱資料,實驗所得轉換效率遠小于一般ＬD泵浦激光器的轉換效率。導致偏低的因素也許有：(1）透鏡或出射窗有污漬影響光強輸出。(2）ＫＴP晶體損壞(實驗過程確有碰到晶體損壞，更換ＫTP晶體才明顯看到綠色激光光功率增強)。（３）光路調節(jié)不夠準直,重要器件的光軸不在同一條水平線上。（4)激光未能在增益介質膜中多次振蕩便出射,光強增益放大局限性。（5)光功率計數(shù)值顯示不穩(wěn)定，LＤ激光輸出自身也不十分穩(wěn)定,測量讀數(shù)會有一定誤差。再將升序、降序（對電流而言)測得的功率值以激勵電流為橫坐標，導入Origin８．５，并擬合為平滑曲線如下圖：圖6綠色激光(波長為532nm）的PＩ特性曲線由上圖可以看出,當激勵電流一定期，不管是升序還是降序，測得的綠激光光功率最大值相差甚小,但整體來說，升序測得的數(shù)據(jù)略大于降序測得的數(shù)據(jù)。由于實際實驗中升序降序所取電流值一一相應,而降序過程中由于起始激勵電源高,散熱慢而導致光路系統(tǒng)（器件）溫度會略高于升序時的溫度。由于溫度的升高會引起某些方向振動模式增益得到加強,某些方向振動模增益得到減弱。推測：1、降序系統(tǒng)溫度偏高,綠光53２ｎm激光振動模式增益得到削弱所致；2、電流一定的情況下,隨著溫度升高，半導體激光器LD的閾值電流增大,導致發(fā)光功率減少?！緦嶒灴偨Y】本實驗大體重要過程環(huán)節(jié)為：用波長為808nｍ的半導體激光光源作為固體增益介質Nd:YVO4晶體的泵浦光源,從而得到波長為1064nm的紅外激光，運用He-Ne激光器進行光路準直校準,使激光通過KTP倍頻晶體,運用其非線性作用可得波長為532nm的綠色激光，再稍微調整晶體和透鏡調節(jié)架，使得綠激光光最為關鍵和重要的環(huán)節(jié)是光路的準直校準,具體環(huán)節(jié)如下：將小孔光屏置于軌道上，打開準直He-Nｅ激光光源。將光屏從靠近He-Nｅ光源一端向遠端移動，直至準直光能所有透過小孔。（物鏡、輸出鏡、ＫＴＰ晶體等獨立非固定器件先不放在光軌上)將物鏡放置在離泵浦光源距離為５０mm左右的位置(物鏡靠LD側貼膜Nd:YVO4實為增益介質)。打開泵浦光源（實驗設立為３00mA輸出電流)，觀測光斑是否在物鏡正中心，注意中心光斑應為白色或亮黃色,區(qū)別于其他的紅色反射光點。可調節(jié)物鏡四維調節(jié)架旋鈕使將輸出鏡放上軌道，打開準直光源進行校準。根據(jù)光點隨輸出鏡旋鈕扭動方向的移動，判斷物鏡與輸出鏡是否嚴格平行。關閉Ｈe－Ne準直光源。將