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-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】半导体泵浦激光器、激光功率 计、机械 调整部件【实验原
2、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，如下：（图 1）直接耦合：将半导体
3、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
4、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L D激光晶体L D激光晶体组合透镜激光晶体自聚焦透镜L D L D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N d : Y A GL D耦合系统电源T E C 和散热片快轴准直光纤微透镜图 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
5、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。【数据处理】做出半导体泵浦激光器的 I-P 曲线并分析。【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。泵 浦电流（ A ） 泵浦功率
6、（W）泵 浦电流（ A ） 泵浦功率（W）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 3 Nd: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（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 Nd3+离子部分取代
7、Y3Al5O12 晶体中Y3+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
8、，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。fLR泵浦光 激光输出激光晶体输出镜图 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
9、数表示为：11,LR221LR根据腔的稳定性条件， 时腔为稳定腔。故当 时腔稳定。20g2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： 120()LR本实验中，R 1 为平面，R 2=200mm，L=80mm 。由此可以算出 大小。0所以，泵浦光在激光晶体输入面上的光斑半径应该 ，这样可使泵浦光与基0模振荡模式匹配，在容易获得基模输出。实验中配了透过率 3%和8%（1064nm）两种前腔镜。【仪器调节步骤】2、1064nm 固体激光谐振腔设计调整图 6 指示激光器调节光路实物图1）如实物照片（图 6） ，将 808nm 半导体泵浦光源固定于谐振腔光路导轨座的右端，650nm 指
10、示激光器及调节架固定于导轨最左侧，调节二维平移旋钮，使 650nm 指示激光束居中，调节二维俯仰旋钮，使 650nm 指示激光束照射到右端泵浦光源的中心。注意：调节指示激光束居中时，可以将其放置在右端泵浦光源前，调节二维平移旋钮，使指示激光束照射到泵浦光源中心即可，然后再放回左端调节二维俯仰，如此办法调节两回即可。图 7 耦合镜组调节光路实物图2）如实物照片（图 7） ，将耦合镜组及调节架放置于半导体泵浦光源前并靠近，调节二维平移旋钮，使指示激光束照射到耦合镜组的中心，再调节二维俯仰旋钮，使指示激光束经耦合镜组中心反射回的光点移回到指示激光器出光口内。注意：如果无法判断指示激光束是否照射到耦合
11、镜组中间，可将半导体泵浦光源的电源旋钮调节到 600mA 左右，此时将一张白纸放置于耦合镜组前，沿导轨移动（白纸面要向下倾斜，防止泵浦光反射到人眼中） ，会看到泵浦光被汇聚到镜组前某一位置（光点最小） ，此时 650nm 指示激光和 808nm 泵浦光汇聚点会在白纸上同时看到，如果两光点重合即可说明耦合镜组中心与指示激光束有偏移，调节二维平移旋钮直至重合，再将电流调节到零。图 8 激光晶体调节光路实物图3）如实物照片（图 8） ，将激光晶体及调节架放置于耦合镜组前，调节激光晶体的前后位置，使 808nm 泵浦光源的汇聚点能够落于激光晶体的前后中心。调节晶体的二维平移旋钮，使 650nm 的指示
12、激光束照射到晶体的中心；再调节二维俯仰旋钮，使激光晶体反射的指示激光点返回到其出光口内。注意：如何判断指示激光束已经照射到激光晶体中心，因为激光晶体端面积很小，如果晶体反射的光点是完整均匀的圆形（没有明显的缺失） ，即可大致说明光束照射到了激光晶体中心。图 9 激光输出镜调节光路实物图4）如实物照片（图 9） ，将 1064nm 的激光输出镜及调节架放置于激光晶体前，输出镜的镀膜面朝向激光晶体，中间预留出 50mm 左右的距离，以备后面腔内还要插入其他器件。调节输出镜的二维俯仰旋钮，使其反射的 650nm 的指示激光束光点返回到指示激光出光口内。将半导体泵浦光源的电源旋钮调节到 800mA，取
13、出红外显示卡片放置到输出镜的前端并轻微晃动，检查是否可以看到 1064nm 的激光点。如果没有，微调输出镜的二维俯仰旋钮，使650nm 指示激光在其出光口附近微扫描，直至 1064nm 激光出光，关闭指示激光。注意：红外显示卡要向下倾斜使用，防止泵浦光反射到人眼中，在最后微扫描调节激光输出镜的时候，要及时把红外显示卡片放置到输出镜前，以防止1064nm 激光瞬间出来了，却没有发现，忽略掉了，无谓增加了调节时间。3、1064nm 固体激光模式观测及调整1064nm 激光出光后，在红外显示卡上仔细观察光斑形状（当心红外卡片反射到眼睛当中） ，根据光斑分瓣形状及分斑方向讨论此时的激光模式。缓慢调整激
14、光输出镜的二维俯仰旋钮，仔细观察模式的变化。松开激光输出镜最下端的导轨滑块旋钮，调整输出镜沿导轨方向的位置，看看激光谐振腔长改变对激光模式的影响。本实验配备了不同透过率的两片输出镜，也可更换不同透过率对比研究模式的变化。4、1064nm 固体激光输出功率测量及转换效率等参数研究图 10 输出功率测量光路实物图选择一种激光输出镜，固定某一激光腔长，如实物照片（图 10） ，调节出光，通过激光功率计来监测功率。按照功率计监测示数最大为目标，依次微调输出镜二维俯仰旋钮，激光晶体四维调整旋钮，耦合镜组四维调整旋钮，激光晶体沿导轨方向位置微调，以达到功率计示数最高，确保激光谐振腔此时处于相对最佳的输出状
15、态。测量激光输出功率与泵浦光源的关系数据，填入下表。输出镜透过率： 腔长： mm泵浦电流（ A ） 泵浦功率（W） 输出功率（W）【数据处理】根据测试数据，拟合出 1064nm 固体激光输出的 I-P 转换效率曲线和 P-P 转换效率曲线，并研究阈值条件。【问题讨论】改变腔长或输出镜透过率，重复测试数据并拟合曲线，综合对比研究谐振腔的改变对激光出光功率、转换效率、阈值条件等各项指标的影响关系。【注意事项】1、由于泵浦激光的功率较高，调试过程中切忌激光直接打在手上或身体其他部分。2、如果移动激光输出镜导致 谐振腔失调，没有 1064nm 激光输出，则需要按照 2-4）的方法调节出光。另外如果激光
16、腔长超出一定距离，则有可能激光无法震 荡出光，所以腔长改变是有一定范围的。实验三 固体激光的倍频效应及调 Q 测量【实验目的】1、 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；2、 了解固体激光器倍频的基本原理。【实验仪器】半导体泵浦激光器、1064 激光 谐振腔、激光功率 计、机械调整部件、示波器【实验原理】1、半导体泵浦固体激光器的被 动调 Q 技术目前常用的调 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Cr4+: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。Cr4+:YAG
17、被动调 Q 的工作原理是：当 Cr4+: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，Cr 4+: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
18、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。2、半导体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
19、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： =90，、，对应的有效非线性系数 deff=7.3610-12V/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。【仪器调节步骤】1、固体激光倍频效应观察研究图 11 腔内倍频光路实物图如实物照
20、片（图 11），在调 整好的 1064nm 固体激光谐振腔内插入倍频晶体及调整架，微调平移、俯仰、面内旋转五维，观察出射 532nm 绿光亮度的 变化，直至最亮。2、固体激光被动调 Q 测量及研究图 12 调 Q 输出功率测量实物光路图1）如实物照片（图 12），将倍频实验 中的倍频晶体更换为被 动调 Q 晶体，将半导体泵浦光源的电源旋钮调节到 1A 左右，微调晶体平移、俯仰四 维旋钮，直至在激光 输出镜前的红外显示卡片上看到 1064nm 的激光点。测量 1064nm 固体激光的调 Q 输出功率与泵浦光源、基 础 激光的关系数据，填入下列表格输出镜透过率： 腔长： mm泵 浦电流（A ） 泵
21、浦功率（W） 输出功率（W） 调 Q 输出功率（mW）改变输出镜透过率和腔长，研究 对比所测参数的变化。图 13 调 Q 输出脉冲参数测量光路 实物图2）如实物照片（图 13），将快速探 测器固定于激光输出镜前，接收调 Q 输出光，从示波器 读取调 Q 脉冲信号的脉宽及重 频参数，填入下列表格。输出镜透过率： 腔长： mm泵浦电流（A） 泵浦功率（W）输出功率（W）调 Q 输出功率（mW）调 Q 脉宽（ns）调 Q 重频（kHz）【数据处理】按照以上实验要求测量和处理数据。【问题讨论】1、 可饱和吸收调 Q 中的激光脉宽、重复 频率随泵浦功率如何 变化？2、 为什么把倍频晶体放在激光 谐振腔内对提高倍频效率有何好处？
