固体激光原理与技术综合实验.doc
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1、固体激光原理与技术综合实验 作者: 日期:13 个人收集整理 勿做商业用途固体激光原理与技术综合实验 半导体泵浦固体激光器(DiodePumped 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
2、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
3、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
4、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 Error! Bookmark not defined.)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 Error! Bookmark not defined. 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IP曲线测量图3 半导体泵浦光源IP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
5、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IP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、 加深理解固体激光器的原理2、 掌握固体激光
6、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 2 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(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
7、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 2)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: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、
8、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 3)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。图 3 端面泵浦的激光谐振腔形式如(图 3)所示,则平凹腔中的g参数表示为: 根据腔的稳定性条件,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的输入平面上,该处的光斑尺寸为: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的光斑半径应该,这样可
9、使泵浦光与基模振荡模式匹配,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
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