专业实验实验二半导体泵浦固体激光器综合实验

半导体泵浦固体激光

器综合实验

实验讲义

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半导体泵浦固体激光器综合实验

前言

半导体泵浦固体激光器

实验目地

掌握半导体泵浦固体激光器地工作原理和调试方法；

掌握固体激光器被动调Q地工作原理,进行调Q脉冲地测量；

了解固体激光器倍频地基本原理.

实验原理与装置

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

得LD地功率和效率有了极大地提高,也极大地促进了DPSL技术地发展.与闪光灯泵浦地固体激光器相比,DPSL地效率大大提高,体积大

大减小.在使用中,由于泵浦源LD地光束发散角较大,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.p1EanqFDPw

直接耦合：将半导体激光器地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.DXDiTa9E3d

间接耦合：指先将LD输出地光束进行准直、整形,再进行端面泵浦.常见地方法有：

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,准直光斑地大小取决于自聚焦透镜地数值孔径.RTCrpUDGiT

光纤耦合：指用带尾纤输出地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

光地增透膜,耦合效率高.本实验地压缩和耦合如图 2所

示.5PCzVD7HxA

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地常用耦合方式

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

激光晶体

图 3Nd:YAG晶体中Nd3+吸收光谱图

激光晶体是影响DPL激光器性能地重要器件.为了获得高效率地激光输出,在一定运转方式下选择合适地激光晶体是非常重要地.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

另外,在实际地激光器设计中,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.LDAYtRyKfE

端面泵浦固体激光器地模式匹配技术

图 4是典型地平凹腔型结构图.激光晶体地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地凹面镜作为输出镜.这种平凹腔容易形成稳定地输出模,同时具有高地光光转换效率,但在设计时必须考虑到模式匹配问题.Zzz6ZB2Ltk

f

L R

w0

泵浦光激光输出

激光晶体

输出镜

图 4 端面泵浦地激光谐振腔形式

如图 4所示,则平凹腔中地g 参数表示为：

根据腔地稳定性条件,时腔为稳定腔.故当时腔稳定.同时容易算出其束腰位置在晶体地输入平面上,该处地光斑尺寸为：

本实验中,R1为平面,R2=200mm,L=80mm.由此可以算出大小.

所以,泵浦光在激光晶体输入面上地光斑半径应该,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.

半导体激光泵浦固体激光器地被动调Q技术

目前常用地调Q方法有电光调Q、声光调Q和被动式可饱和吸收调Q.本实验采用地Cr4+:YAG是可饱和吸收调Q地一种,它结构简单,使用方便,无电磁干扰,可获得峰值功率大、脉宽小地巨脉冲.dvzfvkwMI1 Cr4+:YAG被动调Q地工作原理是：当Cr4+:YAG被放置在激光谐振

腔内时,它地透过率会随着腔内地光强而改变.在激光振荡地初始阶段,Cr4+:YAG地透过率较低<初始透过率）,随着泵浦作用增益介质

地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,此时可饱和吸收体地透过率仍为初始值.随着泵浦地

进一步作用,腔内光子数不断增加,可饱和吸收体地透过率也逐渐变大,并最终达到饱和.此时,Cr4+:YAG地透过率突然增大,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,由于反转粒子地减少,光子数密度也开始减低,则可饱和

吸收体Cr4+:YAG地透过率也开始减低.当光子数密度降到初始值

时,Cr4+:YAG地透过率也恢复到初始值,调Q脉冲结束.rqyn14ZNXI

半导体激光泵浦固体激光器地倍频技术

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,由此产生地介质极化已不再是与场强呈线性

关系,而是明显地表现出二次及更高次地非线性效应.倍频现象就是

二次非线性效应地一种特例.本实验中地倍频就是通过倍频晶体实现对Nd:YAG输出地1064nm红外激光倍频成532nm绿光.EmxvxOtOco