半導(dǎo)體泵浦激光特性以及倍頻技術(shù)_第1頁
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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:1150730006 班級:11應(yīng)物前言光的頻率指的是光波振動的頻率,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、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、彩色打印、水下通訊、激光技術(shù)等科學(xué)研究及國民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域中展示出極為重要的應(yīng)用,成為各國研究的重點(diǎn)。論文依據(jù)對半導(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類相位匹配2X2X5mmKTP晶體作為倍頻品體,它的通光面同時對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)國論文的選題要求,論文的主要研究內(nèi)容和關(guān)鍵參數(shù)如下:(1) 觀察經(jīng)過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,有三種過程:吸收、自發(fā)輻射和受激輻射。如果一個原子,開始處于基態(tài),在沒有外來光子,它將保持不變,如果一個能量為hv21的光子接近,則它吸收這個光子,處于激發(fā)態(tài)E2。在此過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間隔e1-e2時才能被吸收。TOC\o"1-5"\h\z E2 . E2 —。 2一 E1 E1 E1(a) (b) (c)光與物質(zhì)作用的吸收過程激發(fā)態(tài)壽命很短,在不受外界影響時,它們會自發(fā)地返回到基態(tài),并放出光子。自發(fā)輻射過程與外界作用無關(guān),由于各個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,會從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷,并兩個狀態(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)輻射過程——E2hv21——E2hv21(a)hv21E1V— o—(b)hv21E 1態(tài)與基態(tài)的能級差時,才能引起受激輻射,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(chǎn)生主要依賴受激輻射過程。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)作用的受激輻射過程泵浦過程使粒子從基態(tài)E1抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)E3,E3上的粒子通過無輻射躍遷(該過程粒子從高能級躍遷到低能級時能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芑蚓Ц裾駝幽?,但不輻射光子),迅速轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)e2。E2是一個壽命較長的能級,這樣處于e2上的粒子不斷積累,E1上的粒子又由于抽運(yùn)過程而減少,從而實(shí)現(xiàn)E2與鳥能級間的粒子數(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,部分通過輸出鏡輸出,部分被反射回工作物質(zhì),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(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,物質(zhì)中的原子會因感應(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,形成電極化強(qiáng)度矢量。電極化強(qiáng)度產(chǎn)生的極化場發(fā)射出次級電磁輻射。當(dāng)外加光場的電場強(qiáng)度比物質(zhì)原子的內(nèi)場強(qiáng)小的多時,物質(zhì)感生的電極化強(qiáng)度與外界電場強(qiáng)度成正比。P=£0XE在激光沒有出現(xiàn)之前,當(dāng)有幾種不同頻率的光波同時與該物質(zhì)作用時,各種頻率的光都線性獨(dú)立地反射、折射和散射,滿足波的疊加原理,不會產(chǎn)生新的頻率。當(dāng)外界光場的電場強(qiáng)度足夠大時(如激光),物質(zhì)對光場的響應(yīng)與場強(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)量級之比為6_Y_-1???a6E” 原子其中E原子為原子中的電場,其量級為108V/cm,當(dāng)時上式中的非線性項E2、E3等均是小量,可忽略,如果E很大,非線性項就不能忽略??紤]電場的平方項E=E°cos31E2P(2)=Be2=Be2COS2①t=B—^(1+cos2①t)0 2出現(xiàn)直流項和二倍頻項COS23t,直流項稱為光學(xué)整流,當(dāng)激光以一定角度入射到倍頻晶體時,在晶體產(chǎn)生倍頻光,產(chǎn)生倍頻光的入射角稱為匹配角。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光間的折射率差來補(bǔ)償介質(zhì)對不同波長光的正常色散,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,半導(dǎo)體激光器

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