半導(dǎo)體泵浦激光特性以及倍頻技術(shù)

半導(dǎo)體激光器的頻率特性以及倍頻技術(shù)姓名：李方圓 學(xué)號(hào)：1150730006 班級(jí)：11應(yīng)物前言光的頻率指的是光波振動(dòng)的頻率，頻率是光的基本特性之一。半導(dǎo)體泵浦0.53pm綠光激光器由于其具有波長(zhǎng)短，光子能量高，在水中傳輸距離遠(yuǎn)和人眼敏感等優(yōu)點(diǎn)。效率高、壽命長(zhǎng)、體積小、可靠性好。近幾年在光譜技術(shù)、激光醫(yī)學(xué)、信息存儲(chǔ)、彩色打印、水下通訊、激光技術(shù)等科學(xué)研究及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域中展示出極為重要的應(yīng)用，成為各國(guó)研究的重點(diǎn)。論文依據(jù)對(duì)半導(dǎo)體激光器模型的理論分析，結(jié)合激光晶體與倍頻品體特性設(shè)計(jì)了可根據(jù)半導(dǎo)體激光器工作條件平凹直腔與腔內(nèi)倍頻的穩(wěn)定高效連續(xù)半導(dǎo)體激光器工作及其倍頻結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)使用808nmLD泵浦品體得到1.06句m近紅外激光，再用KTP晶體進(jìn)行腔內(nèi)倍頻得到0.53pm的綠激光，長(zhǎng)度為3X3X1mm攙雜濃度3at%a軸向切割Nd:YVO4晶體作為工作介質(zhì)，入射到內(nèi)部的光約95%被吸收，采用II類(lèi)相位匹配2X2X5mmKTP晶體作為倍頻品體，它的通光面同時(shí)對(duì)1.064pm0.53pm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0.1〃m的細(xì)光束，使光束束腰在Nd:YVO4晶體內(nèi)部，諧振腔為平凹型，后腔片受熱后彎曲。輸出鏡（前腔片）用K9玻璃，R為50mm，對(duì)808.5，1.064高反，0.53增透。用632.8nmHe-Ne激光器作準(zhǔn)直光源。論文研究的主要內(nèi)容及技術(shù)指標(biāo)根據(jù)國(guó)論文的選題要求，論文的主要研究?jī)?nèi)容和關(guān)鍵參數(shù)如下：（1） 觀察經(jīng)過(guò)KTP倍頻品體后的現(xiàn)象（2） 半導(dǎo)體激光器的輸出閾值（3） 相位匹配角半導(dǎo)體激光器工作原理光與物質(zhì)的相互作用可以歸結(jié)為光與原子的相互作用，有三種過(guò)程：吸收、自發(fā)輻射和受激輻射。如果一個(gè)原子，開(kāi)始處于基態(tài)，在沒(méi)有外來(lái)光子，它將保持不變，如果一個(gè)能量為hv21的光子接近，則它吸收這個(gè)光子，處于激發(fā)態(tài)E2。在此過(guò)程中不是所有的光子都能被原子吸收，只有當(dāng)光子的能量正好等于原子的能級(jí)間隔e1-e2時(shí)才能被吸收。TOC\o"1-5"\h\z E2 . E2 —。 2一 E1 E1 E1（a） （b） （c）光與物質(zhì)作用的吸收過(guò)程激發(fā)態(tài)壽命很短，在不受外界影響時(shí)，它們會(huì)自發(fā)地返回到基態(tài)，并放出光子。自發(fā)輻射過(guò)程與外界作用無(wú)關(guān)，由于各個(gè)原子的輻射都是自發(fā)的、獨(dú)立進(jìn)行的，因而不同原子發(fā)出來(lái)的光子的發(fā)射方向和初相位是不相同的。處于激發(fā)態(tài)的原子，在外的光子的影響下，會(huì)從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷，并兩個(gè)狀態(tài)間的能量差以輻射光子的形式發(fā)射出去。只有外來(lái)光子的能量正好為激發(fā)。 E2 。 E2 E1(a)(b)E2■hv21e1E 2E1 C (c)光與物質(zhì)作用的自發(fā)輻射過(guò)程——E2hv21——E2hv21(a)hv21E1V— o—(b)hv21E 1態(tài)與基態(tài)的能級(jí)差時(shí)，才能引起受激輻射，且受激輻射發(fā)出的光子與外來(lái)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(chǎn)生主要依賴(lài)受激輻射過(guò)程。激光器主要有：工作物質(zhì)、諧振腔、泵浦源組成。工作物質(zhì)主要提供粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。E2光與物質(zhì)作用的受激輻射過(guò)程泵浦過(guò)程使粒子從基態(tài)E1抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)E3,E3上的粒子通過(guò)無(wú)輻射躍遷（該過(guò)程粒子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)時(shí)能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芑蚓Ц裾駝?dòng)能，但不輻射光子），迅速轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)e2。E2是一個(gè)壽命較長(zhǎng)的能級(jí)，這樣處于e2上的粒子不斷積累，E1上的粒子又由于抽運(yùn)過(guò)程而減少，從而實(shí)現(xiàn)E2與鳥(niǎo)能級(jí)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。激光產(chǎn)生必須有能提供光學(xué)正反饋的諧振腔。處于激發(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(chǎn)生的光子各個(gè)方向都有，偏離軸向的光子很快逸出腔外，只有沿軸向的光子，部分通過(guò)輸出鏡輸出，部分被反射回工作物質(zhì)，在兩個(gè)反射鏡間往返多次被放大，形成受激輻射的光放大即產(chǎn)生激光。光學(xué)倍頻光的倍頻是一種最常用的擴(kuò)展波段的非線性光學(xué)方法。激光倍頻是將頻率為3的光，通過(guò)晶體中的非線性作用，產(chǎn)生頻率為23的光。當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí)，物質(zhì)中的原子會(huì)因感應(yīng)而產(chǎn)生電偶極矩。單位體積內(nèi)的感應(yīng)電偶極矩疊加起來(lái)，形成電極化強(qiáng)度矢量。電極化強(qiáng)度產(chǎn)生的極化場(chǎng)發(fā)射出次級(jí)電磁輻射。當(dāng)外加光場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度比物質(zhì)原子的內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)小的多時(shí)，物質(zhì)感生的電極化強(qiáng)度與外界電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。P=￡0XE在激光沒(méi)有出現(xiàn)之前，當(dāng)有幾種不同頻率的光波同時(shí)與該物質(zhì)作用時(shí)，各種頻率的光都線性獨(dú)立地反射、折射和散射，滿(mǎn)足波的疊加原理，不會(huì)產(chǎn)生新的頻率。當(dāng)外界光場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大時(shí)（如激光），物質(zhì)對(duì)光場(chǎng)的響應(yīng)與場(chǎng)強(qiáng)具有非線性關(guān)系：P=aE+pE2+yE3+…式中a,p,y，…均為與物質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，且逐次減小，它們數(shù)量級(jí)之比為6_Y_-1???a6E” 原子其中E原子為原子中的電場(chǎng)，其量級(jí)為108V/cm，當(dāng)時(shí)上式中的非線性項(xiàng)E2、E3等均是小量，可忽略，如果E很大，非線性項(xiàng)就不能忽略。考慮電場(chǎng)的平方項(xiàng)E=E°cos31E2P(2)=Be2=Be2COS2①t=B—^(1+cos2①t)0 2出現(xiàn)直流項(xiàng)和二倍頻項(xiàng)COS23t，直流項(xiàng)稱(chēng)為光學(xué)整流，當(dāng)激光以一定角度入射到倍頻晶體時(shí)，在晶體產(chǎn)生倍頻光，產(chǎn)生倍頻光的入射角稱(chēng)為匹配角。倍頻光的轉(zhuǎn)換效率為倍頻光與基頻光的光強(qiáng)比，通過(guò)非線性光學(xué)理論可以得到：n=。6京s"/2）Ie ①（M/2）式中L為晶體長(zhǎng)度，孔、I2w分別為入射的基頻光、輸出的倍頻光的光強(qiáng)，△k=、-2k2w分別為基頻光和倍頻光的額傳播矢量。在正常色散的情況下，倍頻光的折射率n總是大于基頻光的折射率，所以23相位失配，雙折射品體中o光和e光的折射率不同，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，可以利用雙折射品體中。光、e光間的折射率差來(lái)補(bǔ)償介質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光的正常色散，實(shí)現(xiàn)相位匹配。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)角度(度)210215220225230235240輸出功率/訕461602602731128760由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得，在匹配角為220度時(shí)，半導(dǎo)體激光器