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、容易生长等地优点,成为目前应用最广泛地LD泵浦地理想激光晶体之一.Nd:
YAG晶体地吸收光谱如图3所示.jLBHrnAILg
从Nd:
YAG地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地LD作为泵浦源,就可获得高地输出功率和泵浦效率,这时我们称实现了光谱匹配.但是,LD地输出激光波长受温度地影响,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,为了获得稳定地波长,需采用具备精确控温地LD电源,并把LD地温度设置好,使LD工作时地波长与Nd:
YAG地吸收峰匹配.xHAQX74J0X
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
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
常用地倍频晶体有KTP、KDP、LBO、BBO和LN等.其中,KTP晶体在1064nm光附近有高地有效非线性系数,导热性良好,非常适合用于YAG激光地倍频.KTP晶体属于负双轴晶体,对它地相位匹配及有效非线性系数地计算,已有大量地理论研究,通过KTP地色散方程,人们计算出其最佳相位匹配角为：
θ=90°,φ=23.3°,对应地有效非线性系数deff=7.36×10-12V/m.SixE2yXPq5
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,由于腔内具有较高地功率密度,因此较适合于连续运转地固体激光器.腔外倍频方式指将倍频晶体放置在激光谐振腔之外地倍频技术,较适合于脉冲运转地固体激光器.6ewMyirQFL
实验内容与要求
LD安装及系统准直
将LD电源接通.通过上转换片观察LD出射光近场和远场地光斑.测量LD经快轴压缩后地阈值电流和输出特性曲线.kavU42VRUs
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；y6v3ALoS89
通过调整架旋钮微调耦合系统地倾斜和俯仰,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；M2ub6vSTnP
通过调整架旋钮微调Nd:
YAG晶体地倾斜和俯仰,重复上一步地调节步骤.
在准直器前安装T1输出镜,调整旋钮使输出镜地反射光点位于准直器中心.
半导体泵浦固体激光器实验
实验装置图
图5半导体泵浦固体激光器实验装置图
在准直器前安装T1输出镜,调整旋钮使输出镜地反射光点位于准直器中心.根据实验装置图设置其与晶体之间地距离.打开LD电源,缓慢调节工作电流到1.3A.微调输出镜倾斜和俯仰使系统出光,然后微调激光晶体、耦合系统,使激光输出得到最大值；0YujCfmUCw
将LD电流调到最小,然后从小到大渐渐增大LD电流,从激光阈值电流开始,每格0.2A测量一组固体激光器系统输出功率.结合LD地功率-电流关系,在实验报告上绘出激光输出功率-泵浦功率曲线；eUts8ZQVRd
a）更换为T2输出耦合镜,重复3.b、3.c地步骤,测试不同LD电流下地激光输出功率；
b）根据实验数据和曲线,计算两种耦合输出下地激光斜效率和光光转换效率,并作简要分析.
半导体泵浦固体激光器调Q实验
实验装置图
图6调Q实验装置图
安装Cr4+:
YAG晶体,在准直器前准直后放入谐振腔内.LD电流调到1.7A,观察输出地平均功率,微调调整架,使激光输出平均功率最大；sQsAEJkW5T
降低LD电流到零.然后从小到大缓慢增加,测量1.7A、2.0A、2.3A时输出脉冲地平均功率；
安装探测器,取三个不同地LD工作电流<1.7A、2.0A、2.3A）,分别测量输出脉冲地脉宽、重频；
计算不同功率下地峰值功率,对不同功率下地输出脉冲进行对比,并作简要分析.
半导体泵浦固体激光器倍频实验
实验装置图
图7倍频实验装置图
将输出镜换为短波通输出镜,微调调整架使其反射光点在准直器中心.打开LD电源,取工作电流1.7A,微调输出镜、激光晶体、耦合系统地旋钮,使输出激光功率最大；GMsIasNXkA
安装KTP晶体<或LBO）,在准直器前准直后放入谐振腔内,倍频晶体尽量靠近激光晶体.调节调整架,使得输出绿光功率最亮；然后旋转KTP晶体<或LBO）,观察旋转过程中绿光输出有何变化；TIrRGchYzg
实验结果与思考
1.什么是半导体泵浦固体激光器中地光谱匹配和模式匹配？
2.可饱和吸收调Q中地激光脉宽、重复频率随泵浦功率如何变化？
为什么？
2.把倍频晶体放在激光谐振腔内对提高倍频效率有何好处？
半导体泵浦固体激光器注意事项
1.半导体激光器2.LD对静电非常敏感.所以严禁随意拆装LD和用手直接触摸LD外壳.如果确实需要拆装,请带上静电环操作,并将拆下地LD两个电极立即短接.lzq7IGf02E
3.不要自行拆装LD电源.电源如果出现问题,请与产家联系.同时,LD电源地控制温度已经设定,对应于LD地最佳泵浦波长,请不要自行更改.zvpgeqJ1hk
4.LD、耦合系统、激光晶体,两两滑块之间距离大约为32mm、8mm,经调整好以后最好不要随意变动,以免影响实验使用.NrpoJac3v1
5.准直好光路后需用遮挡物<如功率计或硬纸片）挡住准直器,避免准直器被输出地红外激光打坏.
6.实验过程避免双眼直视激光光路.人眼不要与光路处与同一高度,最好能带上激光防护镜操作.
典型实验结果<参考）：
T1=5%,T2=10%
LD电流
（A>
快轴压缩后
功率（W>
T1输出
（W>
T2输出
（W>
调Q输出
（mW>
脉宽
（ns>
重频
（kHz>
0.5
0.077
0.7
0.230
0.068
0.046
0.9
0.390
0.151
0.112
1.1
0.537
0.223
0.183
1.3
0.694
0.293
0.241
25.6
1.5
0.847
0.356
0.297
55.2
~90
~3.77
1.7
0.995
0.401
0.347
82.3
~100
~6.96
1.9
1.148
0.432
0.383
112.8
~105
~10.13
2.1
1.301
0.466
0.409
133.8
~115
~12.74
2.3
1.453
0.496
0.444
144.2
~120
~14.04
2.5
1.601
0.544
0.483
151.3
~130
~14.69
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