固体激光原理与技术综合实验

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1、固体激光原理与技术综合实验半导体泵浦固体激光器（Diode-Pumpedsolid-stateLaser，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。本实验的目的是了解并掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理、构成和调试技术，以及调Q、倍频等激光技术的原理和应用。实验一半导体泵浦光源特性测量实验【实验目的】1．掌握半导体泵浦激光器的原理2．掌握半导体泵浦激光器的使用方法【实验仪器】半导体泵浦激

2、光器、激光功率计、机械调整部件【实验原理】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

3、有直接耦合和间接耦合两种方式，如下：（图1）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：指先将半导体激光器输出的光束进行准直、整形，再进行端面泵浦。本实验采用间接耦合方式，间接耦合常见的方法有三种，如下：a组合透镜系统耦合：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合。b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

4、透镜的数值孔径。c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.光纤耦合图2本实验LD光束快轴压缩耦合泵浦简图【仪器调节步骤】1、808nm半导体泵浦光源的I-P曲线测量图3半导体泵浦光源I-P测试的光路实物图如实物照片（图3），将808nm半导体泵浦光源固定于谐振

5、腔光路导轨座的右端，将功率计探头放置于其前端出光口处并靠近，调节其工作电流从零到最大，依次记录对应的电源电流示数I和功率计读取的功率读数P，填入下表，并且做出I-P曲线，研究阈值关系。泵浦电流（A）泵浦功率（W）【数据处理】做出半导体泵浦激光器的I-P曲线并分析。泵浦电流（A）泵浦功率（W）【问题讨论】1、观察半导体泵浦激光器的结构，加深了解其原理【注意事项】1、功率计使用前先调零；测试完成后将半导体泵浦光源的电流调回至最小。2、避免用手直接触碰泵浦激光器的出光头，以免静电打坏激光器。实验二固体激光谐振腔结构调整和模式观察【实验目的】1、加深

6、理解固体激光器的原理2、掌握固体激光器谐振腔的调整方法【实验仪器】半导体泵浦激光器、指示激光器、激光晶体、激光输出腔镜、激光功率计、机械调整部件【实验原理】2、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（Nd3+）作为激活粒子的钕激光器是使用最广泛的激光器。其中，以Nd3+离子部分取代Y3Al5O12晶体中Y3+离子的掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG），由于具

7、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:YA

8、G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。