半导体泵浦激光原理

半导体泵浦激光原理

一、实验仪器

1．808nm半导体激光器≤500mW

2．半导体激光器可调电源电流≤0~500mA

3．Nd:YVO4晶体3×3×1mm

4．KTP倍频晶体 2×2×5mm

5．输出镜（前腔片）φ6 R=50mm

6．光功率指示仪 2μW~200mW 6档

二、实验目的及意义

半导体泵浦0.53μm绿光激光器由于其具有波长短，光子能量高，在水中传输距离远和人眼敏感等优点。效率高、寿命长、体积小、可靠性好。近几年在光谱技术、激光医学、信息存储、彩色打印、水下通讯、激光技术等科学研究及国民经济的许多领域中展示出极为重要的应用，成为各国研究的重点。

半导体泵浦0.53μm绿光激光器适用于大学近代物理教学中非线性光学实验。本实验以808nm半导体泵浦Nd:YVO4激光器为研究对象，让学生自己动手，调整激光器光路，在腔中插入KTP晶体产生523nm倍激光，观察倍频现象，测量阀值、相位匹配等基本参数。从而对激光技术有一定了解。

三、实验原理

光与物质的相互作用可以归结为光与原子的相互作用，有三种过程：吸收、自发辐射和受激辐射。

如果一个原子，开始处于基态，在没有外来光子，它保持不变，如果一个能量为hν21的光子接近，则它吸收这个光子，处于激发态E2。在此过程中不是所有的光子都能被原子吸收，只有当光子的能量正好等于原子的能级间隔E1-E2时才能吸收。

图13-1 光与物质作用的吸收过程

激发态寿命很短，在不受外界影响时，它们会自发返回到基态，并发出光子。自发辐射过程与外界作用无关，由于各个原子的辐射都是自发的、独立进行的，因而不同原子发出来的光子的发射方向和初相位是不相同的。

处于激发态的原子，在外的光子的影响下，会从高能态向地能态跃迁，并两个状态的能量差以辐射光子的形式发射出去。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、偏振太和相位完成相同。激光的产生主要依赖受激辐射过程。

图13-2 光与物质作用的自发辐射过程

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。

图13-3 光与物质作用的受激辐射过程

泵浦过程使粒子从基态E1抽运到激发态E3，E3上的粒子通过无辐射跃迁（该过程粒子从高能级跃迁到低能级时能量转变为热能或晶格振动能，但不辐射光子），迅速移到亚稳态E2。E2是一个寿命较长的能级，这样处于E2上的粒子不断积累，E1上的粒子又由于抽运过程而减少，从而实现E2与E1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

面都有，偏离轴向的光子很快逸出腔外，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。

光的倍频是一种最常用的扩展波段的非图13-4 三能级系统示意图

线性光学方法。激光倍频是将频率为ω的光，通过晶体中的非线性作用，产生频率为2ω的光。

当光与物质相互作用时，物质中的原子会因感应而产生电偶极矩。单位体积内的感应电偶极矩叠加起来，形成电极化强度矢量。电极化强度产生的极化场发射出初次级电磁辐射。当外加光场的电场强度比物质原子的内场强小的多时，物质感生的电极化强度与外界电场强度成正比。

P=ε0χE

在激光没有出现之前，当有几种不同频率的光波同时与该物质作用时，各种频率的光都线性独立地反射、折射和散射，满足波的叠加原理，不会产生新的频率。

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： P=aE+βE 2+γE 3+…

式中a,β,γ, …均为与物质有关的系数，且逐次减少，它们数量级之比为1a E βγβ==⋅⋅⋅=原子

其中E 原子为原子中的电场，其量级为108V/cm ，当时上式中的非线性E 2、E 3等均是小量，可忽略，如果E 很大，非线性项就不能忽略。

考虑电场的平方项

E=E 0=cos t ω P （2）=βE 2=βE 20 cos 2t ω=β2

02

E (1+ cos2t ω) 出现直流项和二倍频项cos2t ω，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：

222sin (/2)(/2)

l L l ωωωηαβI K =I I K 式中L 晶体长度，ωI 、2ωI 分别为入射的基频光、输出的倍频光的光强，22ωωK =K -K 分别为基频光和倍频光的额传播矢量。

在正常色散的情况下，被频光的折射率n 2ω总是大于基频光的光强，所以相位失配，双折射晶体中o 光和e 光的折射不同，且e 光的折射率随着其传播方向与光轴夹角的变化而改变，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的正常色散，实现相位匹配。

四、实验装置

实验使用808nm 泵浦晶体得到 1.06μm 近红外激光，再用KTP 晶体进行腔内倍频得到0.53μm 的绿激光，长度3×3×1mm 搀杂浓度3at% a 轴向切割Nd:YVO 4晶体作工作介质，入射到 内部的光约95％倍吸收，采用II 类相位匹配2×2×5mmKTP 晶体作为倍频晶体，它的通光面同 时对1.064μm 0.53μ高透，采用端面泵浦以提高空间耦合效率，用等焦距为5mm 的梯度折射

图13-5 实验装置电源接线图

率透镜收集808LDjiguang聚焦成0.1 m的细光束，使光束束腰在Nd:YVO4晶体内部，谐振腔为凹型，后腔片受热后弯曲。输出镜（前腔片）用K9玻璃，R为50mm，对808.5，1.064高反。用632.8mmHe-He激光器作指示光源。

图13-6

五、操作步骤

激光器光路调整

1．将808nmLD固定在二维调节架上，将632.8nm红光通过白屏小孔聚到折射率梯度透镜上。让632.8nm光和小孔及808nmLD在同一轴线上。

2．将Nd:YVO4晶体安装在二维调节架上，将红光通过晶体并将返回的光点通过小孔。

3．将输出镜（前腔片）固定在四维调节架上。调节输出镜使返回的光点通过小孔。对于有一定曲率的输出镜，会有几个光斑，应区分出从球心返回的光斑。

4．在Nd:YVO4晶体和输出镜之间插入KTP倍频晶体，接通电源，调节多圈电位器。

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

六、注意事项

1．实验中激光器输出的光能量高、功率密度大，应避免直射到眼睛。特别是532nm绿光，且勿用眼睛直视激光器的轴向输出光束，以免视网膜受到永久性的伤害。

2．避免用手接触激光器的输出镜，晶体得镀膜面，膜片应防潮，不用的晶体，输出腔片用镜头纸包好，放在干燥器里。

3．激光器应注意开关步骤，先检查多圈电位器是否出于最小处，再打开电源开关，逐步调整电位器，使电流逐渐增大，激光出光。实验完成后，调整电位器，直到电流为零，再关闭电源。