1-实验四 半导体泵浦固体激光器综合实验

实验四半导体泵浦固体激光器综合实验半导体泵浦固体激光器（Diode-Pumped solid-state Laser，DPL），是以激光二极管（LD）代替闪光灯泵浦固体激光介质的固体激光器，具有效率高、体积小、寿命长等一系列优点，在光通信、激光雷达、激光医学、激光加工等方面有巨大应用前景，是未来固体激光器的发展方向。本实验的目的是熟悉半导体泵浦固体激光器的基本原理和调试技术，以及倍频的原理和技术。

一、实验目的

１．掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法；

２．了解固体激光器倍频的基本原理；

３．掌握固体激光器被动调Q的工作原理，进行调Q脉冲的测量。（选做）

二、实验原理

１．半导体激光泵浦固体激光器工作原理：

上世纪80年代起，生长半导体激光器（LD）技术得到了蓬勃发展，使得LD的功率和效率有了极大的提高，也极大地促进了DPSL技术的发展。与闪光灯泵浦的固体激光器相比，DPSL 的效率大大提高，体积大大减小。在使用中，由于泵浦源LD的光束发散角较大，为使其聚焦在增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换（耦合）。泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种，其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹配好等优点。侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器。本实验采用端面泵浦方式。端面泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两种方式。

直接耦合：将半导体激光器的发光面紧贴增益介质，使泵浦光束在尚未发散开之前便被增益介质吸收，泵浦源和增益介质之间无光学系统，这种耦合方式称为直接耦合方式。

直接耦合方式结构紧凑，但是在实际应用中较难实现，并且容易对LD造成损伤。

间接耦合：指先将LD输出的光束进行准直、整形，再进行端面泵浦。常见的方法有：组合透镜系统聚光：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合。

自聚焦透镜耦合：由自聚焦透镜取代组合透镜进行耦合，优点是结构简单，准直光斑的大小取决于自聚焦透镜的数值孔径。

光纤耦合：指用带尾纤输出的LD进行泵浦耦合。优点是结构灵活。

本实验先用光纤柱透镜对半导体激光器进行快轴准直，压缩发散角，然后采用组合透镜对泵浦光束进行整形变换，各透镜表面均镀对泵浦光的增透膜，耦合效率高。本实验的压缩和耦合如图 2所示。

LD

激光晶体

LD 激光晶体

组合透镜激光晶体

自聚焦透镜LD LD 光纤激光晶体1. 2. 3. 4.

图 1半导体激光泵浦固体激光器的常用耦合方式 1.直接耦合 2.组合透镜耦合 3.自聚焦透镜耦合

4.光纤耦合

Nd:YAG

LD 耦合系统电源TEC 和散热片

图 2 本实验LD 光束快轴压缩耦合泵浦简图

２．激光晶体

图 3 Nd:YAG 晶体中Nd 3+

吸收光谱图 激光晶体是影响DPL 激光器性能的重要器件。为了获得高效率的激光输出，在一定运转方式下选择合适的激光晶体是非常重要的。目前已经有上百种晶体作为增益介质实现了连续波和脉冲激光运转，以钕离子（Nd 3+）作为激活粒子的钕激光器是使用最广泛的激光器。其中，以Nd 3+离子部分取代Y 3Al 5O 12晶体中Y 3+离子的掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG ），由于具有量子效率高、受激辐射截面大、光学质量好、热导率高、容易生长等的优点，成为目前应用最广泛

的LD 泵浦的理想激光晶体之一。Nd:YAG 晶体的吸收光谱如图 3所示。

从Nd:YAG 的吸收光谱图我们可以看出，Nd:YAG 在807.5nm 处有一强吸收峰。我们如果选择波长与之匹配的LD 作为泵浦源，就可获得高的输出功率和泵浦效率，这时我们称实现了光谱匹配。但是，LD 的输出激光波长受温度的影响，温度变化时，输出激光波长会产生漂移，输出功率也会发生变化。因此，为了获得稳定的波长，需采用具备精确控温的LD 电源，并把LD 的温度设置好，使LD 工作时的波长与Nd:YAG 的吸收峰匹配。

另外，在实际的激光器设计中，除了吸收波长和出射波长外，选择激光晶体时还需要考虑掺杂浓度、上能级寿命、热导率、发射截面、吸收截面、吸收带宽等多种因素。

３．端面泵浦固体激光器的模式匹配技术

图 4是典型的平凹腔型结构图。激光晶体的一面镀泵浦光增透和输出激光全反膜，并作为输入镜，镀输出激光一定透过率的凹面镜作为输出镜。这种平凹腔容易形成稳定的输出模，同时具有高的光光转换效率，但在设计时必须考虑到模式匹配问题。

图 4 端面泵浦的激光谐振腔形式

如图 4所示，则平凹腔中的g 参数表示为：

1111,L g R =-= 22

1L g R =- 根据腔的稳定性条件，1201g g <<时腔为稳定腔。故当2

L R <时腔稳定。

同时容易算出其束腰位置在晶体的输入平面上，该处的光斑尺寸为：

0w =本实验中，R 1为平面，R 2=200mm ，L=80mm 。由此可以算出0w 大小。

所以，泵浦光在激光晶体输入面上的光斑半径应该0w ≤，这样可使泵浦光与基模振荡模式匹配，在容易获得基模输出。

５．半导体激光泵浦固体激光器的被动调Q 技术（选做）

目前常用的调Q 方法有电光调Q 、声光调Q 和被动式可饱和吸收调Q 。本实验采用的Cr 4+:YAG 是可饱和吸收调Q 的一种，它结构简单，使用方便，无电磁干扰，可获得峰值功率大、脉宽小的巨脉冲。

Cr 4+:YAG 被动调Q 的工作原理是：当Cr 4+:YAG 被放置在激光谐振腔内时，它的透过率会随着

腔内的光强而改变。在激光振荡的初始阶段，Cr4+:YAG的透过率较低（初始透过率），随着泵浦作用增益介质的反转粒子数不断增加，当谐振腔增益等于谐振腔损耗时，反转粒子数达到最大值，此时可饱和吸收体的透过率仍为初始值。随着泵浦的进一步作用，腔内光子数不断增加，可饱和吸收体的透过率也逐渐变大，并最终达到饱和。此时，Cr4+:YAG的透过率突然增大，光子数密度迅速增加，激光振荡形成。腔内光子数密度达到最大值时，激光为最大输出，此后，由于反转粒子的减少，光子数密度也开始减低，则可饱和吸收体Cr4+:YAG的透过率也开始减低。当光子数密度降到初始值时，Cr4+:YAG的透过率也恢复到初始值，调Q脉冲结束。

６．半导体激光泵浦固体激光器的倍频技术

光波电磁场与非磁性透明电介质相互作用时，光波电场会出现极化现象。当强光激光产生后，由此产生的介质极化已不再是与场强呈线性关系，而是明显的表现出二次及更高次的非线性效应。倍频现象就是二次非线性效应的一种特例。本实验中的倍频就是通过倍频晶体实现对Nd:YAG输出的1064nm红外激光倍频成532nm绿光。

常用的倍频晶体有KTP、KDP、LBO、BBO和LN等。其中，KTP晶体在1064nm光附近有高的有效非线性系数，导热性良好，非常适合用于YAG激光的倍频。KTP晶体属于负双轴晶体，对它的相位匹配及有效非线性系数的计算，已有大量的理论研究，通过KTP的色散方程，人们计算出其最佳相位匹配角为：θ=90°，φ=23.3°，对应的有效非线性系数d eff=7.36×10-12V/m。

倍频技术通常有腔内倍频和腔外倍频两种。腔内倍频是指将倍频晶体放置在激光谐振腔之内，由于腔内具有较高的功率密度，因此较适合于连续运转的固体激光器。腔外倍频方式指将倍频晶体放置在激光谐振腔之外的倍频技术，较适合于脉冲运转的固体激光器。

三、实验内容及步骤

１．LD安装及系统准直

将LD电源接通。通过上转换片观察LD出射光近场和远场的光斑。测量LD经快轴压缩后的阈值电流和输出特性曲线。

将耦合系统、激光晶体、输出镜、Q开关、准直器等各元器件安装在调整架和滑块上；

将准直器安装在导轨上，利用直尺将其调整成光束水平出射，中心高度50mm，水平并且水平入射在激光晶体中心位置；

通过调整架旋钮微调耦合系统的倾斜和俯仰，使晶体反射光位于准直器中心，并且准直光通过晶体后仍垂直进入LD；

通过调整架旋钮微调Nd:Y AG晶体的倾斜和俯仰，重复上一步的调节步骤。

在准直器前安装T1输出镜，调整旋钮使输出镜的反射光点位于准直器中心。

２．半导体泵浦固体激光器实验

实验装置图