半導體泵浦激光特性以及倍頻技術

半導體激光器的頻率特性以及倍頻技術姓名：李方圓 學號：1150730006 班級：11應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，在水中傳輸距離遠和人眼敏感等優(yōu)點。效率高、壽命長、體積小、可靠性好。近幾年在光譜技術、激光醫(yī)學、信息存儲、彩色打印、水下通訊、激光技術等科學研究及國民經(jīng)濟的許多領域中展示出極為重要的應用，成為各國研究的重點。論文依據(jù)對半導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計了可根據(jù)半導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)半導體激光器工作及其倍頻結(jié)構(gòu)實驗使用808nmLD泵浦品體得到1.06句m近紅外激光，再用KTP晶體進行腔內(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激光器作準直光源。論文研究的主要內(nèi)容及技術指標根據(jù)國論文的選題要求，論文的主要研究內(nèi)容和關鍵參數(shù)如下：（1） 觀察經(jīng)過KTP倍頻品體后的現(xiàn)象（2） 半導體激光器的輸出閾值（3） 相位匹配角半導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，由于各個原子的輻射都是自發(fā)的、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裾駝幽埽惠椛涔庾樱?，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過程而減少，從而實現(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。光學倍頻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3的光，通過晶體中的非線性作用，產(chǎn)生頻率為23的光。當光與物質(zhì)相互作用時，物質(zhì)中的原子會因感應而產(chǎn)生電偶極矩。單位體積內(nèi)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(chǎn)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(zhì)原子的內(nèi)場強小的多時，物質(zhì)感生的電極化強度與外界電場強度成正比。P=￡0XE在激光沒有出現(xiàn)之前，當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。當外界光場的電場強度足夠大時（如激光），物質(zhì)對光場的響應與場強具有非線性關系：P=aE+pE2+yE3+…式中a,p,y，…均為與物質(zhì)有關的系數(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。考慮電場的平方項E=E°cos31E2P(2)=Be2=Be2COS2①t=B—^(1+cos2①t)0 2出現(xiàn)直流項和二倍頻項COS23t，直流項稱為光學整流，當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比，通過非線性光學理論可以得到：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，△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償介質(zhì)對不同波長光的正常色散，實現(xiàn)相位匹配。實驗數(shù)據(jù)角度(度)210215220225230235240輸出功率/訕461602602731128760由實驗數(shù)據(jù)分析可得，在匹配角為220度時，半導體激光器