半导体泵浦激光原理实验

半导体泵浦激光原理实验

理工学院光信息2班贺扬10329064 合作人：余传祥

【实验目的】

1、了解与掌握半导体泵浦激光原理及调节光路方法。

2、掌握腔内倍频技术，并了解倍频技术的意义。

3、掌握测量阈值、相位匹配等基本参数的方法。

【实验仪器】

808nm半导体激光器、半导体激光器可调电源、晶体、KTP倍频晶体、输出镜（前腔片）、光功率指示仪

【实验原理】

激光的产生主要依赖受激辐射过程。

处于激发态的原子，在外的光子的影响下，从高能态向低能态跃迁，并在两个状态的能量差以辐射光子的形式发出去。只有外来光子的能量正好为激发态与基态的能级差时，才能引起受激辐射，且受激辐射发出的光子与外来光子的频率、发射方向、偏振态和相位完全相同。

激光器主要有：工作物质、谐振腔、泵浦源组成。工作物质主要提供粒子数反转。

泵浦过程使粒子从基态抽运到激发态，上的粒子通过无辐射跃迁，迅速转移到亚稳态。是一个寿命较长的能级，这样处于的粒子不断累积，上的粒子又由于抽运过程而减少，从而实现与能级间的粒子数反转。

激光产生必须有能提供光学正反馈的谐振腔。处于激发态的粒子由于不稳定性而自发辐射到基态，自发辐射产生的光子各个方向都有，只有沿轴向的光子，部分通过输出镜输出，

部分被反射回工作物质，在两个反射镜间往返多次被放大，形成受激辐射的光放大即产生激光。

激光倍频是将频率为的光，通过晶体中的非线性作用，产生频率为的光。

当外界光场的电场强度足够大时（如激光），物质对光场的响应与场强具有非线性关系：

式中均为与物质有关的系数，且逐次减小。

当E很大时，电场的平方项不能忽略。

,直流项称为光学整流，当激光以一定角度入射到倍频晶体时，在晶体产生倍频光，产生倍频光的入射角称为匹配角。

倍频光的转换效率为倍频光与基频光的光强比，通过非线性光学理论可以得到：

式中L为晶体长度，、分别为入射的基频光、输出的倍频光光强。

在正常色散情况下，倍频光的折射率总是大于基频光的折射率，所以相位失配，双折射晶体中的o光和e光折射率不同，且e光的折射率随着其传播方向与光轴间夹角的变化而改变，可以利用双折射晶体中o光、e光间的折射率差来补偿介质对不同波长光的正常色散，实现相位匹配。

【实验装置】

图2 实验装置示意图

实验使用808nm LD泵浦晶体得到1.064近红外激光，再利用KTP晶体进行腔内倍频得到0.53的绿激光，长度为3x3x1mm掺杂浓度3at% 轴向切割晶体作为工作介质，入射到内部的光约95%被吸收，采用类相位匹配2x2x5mmKTP晶体作为倍频晶体，它的通光面同时对1.064高透，采用端面泵浦以提高空间耦合效率，用等焦距为3mm的梯度折射率透镜收集808LD激光聚焦成0.1的细光束，使光束束腰在

，谐振腔为平凹型，后腔片受热后弯曲。输出镜用K9玻璃，R为50mm，对808.5，1.604高反，0.53增透。用632.8nmHe-Ne激光器作为准直光源。

【操作步骤】

1、将808nmLD固定在二维调节架，将He-Ne 632.nm红光通过白屏小孔聚到折射率梯度透

镜上。让He-Ne激光和小孔及808nmLD在同一轴线上。

2、将晶体安装在二维调节架，将红光通过晶体并将返回的光点通过小孔。

3、将输出镜固定在四维调节架上。调节输出镜使返回光点通过小孔。对于有一定曲率的输

出镜，会有几个光斑，应区分从球心返回的光斑。

4、在和输出镜之间插入KTP晶体，接通电源，调节多圈电位器。

5、产生532nm倍频绿激光。调节输出镜，LD调节架，使532nm绿光功率最大。

【实验数据及处理】

1.808nmLD源电流与光功率关系：

P /m w

I/mA

图3.808nmLD 源电流与光功率曲线

根据激光原理，驱动电流低于阈值电流时，输出功率趋于0，只有当驱动电流高于阈值电流 时，激光器可产生激光。

观察得，此激光器的阈值电流大概在70mA 处。

在做此部分实验时，一切正常，很顺利。应该和808LD 源与接受器相离很近有关，相对 与下一个实验，光的损耗很小（几乎全被接受器接受到）。 2.激励源电流与532nm 绿光激光光功率关系：

P /m w

I/mA

图4激励源电流与532nm 绿光激光光功率曲线

表3激励源电流与532nm 绿光激光光功率转化率

B

I/mA

图5. 激励源电流与532nm 绿光激光光功率转化率曲线

由图3可得，随着电流增大，转化效率整体呈上升趋势。此次实验所得转换效率远小于一般LD 泵浦激光器的转换效率。造成偏低的原因可能有：

（1）光路调节不准直，主要器件的光轴不在同一条水平线上。 （2）光功率计示数上下波动，读数时会有误差。 （3）透镜或出射窗有污渍影响光强输出。 此部分实验分为两个部分：1用上一组同学调好的仪器测量激励源电流与532nm 绿光激光光功率；2自己重新搭建仪器。 [实验过程中遇到的问题]：

1.当I=0时，P 为0.017*10^-3mw 。 分析原因：1.在测量前未调0.

2. 实验室内日光灯的影响，因为当关闭日光灯后，示数明显减小。 由于0.017*10^-3很小，当打到2mw 档时，可忽略不计。

2.在第一次测量时，150mA —180mA ，280mA —300mA.有不正常变化（经查资料得，正常应为线性）,第二次测量亦然。第三次150mA —180mA 处恢复正常。

分析原因：1在示数未稳定时，但是前两次测量等了一段时间，但示数仍上下波动。 2，280mA —300mA ，可能和温度有关。由激光原理可知：工作物质一定时，

LD 输出激光频率与谐振腔长度和激励源强度有关，即输出频率取决于PN 结温度和注入电流大小。