基于半导体泵浦倍频绿光激光器的探究性实验设计_钟远聪.pdf

第 36 卷第 1 期大学物理实验Vol36 No12023 年 2 月PHYSICAL EXPEIMENT OF COLLEGEFeb2023收稿日期:2022-10-30基金项目:广东省普通高校特色创新类项目(2022KTSCX133);嘉应学院科研项目(2016KJZ01)*通讯联系人文章编号:1007-2934(2023)01-0029-06基于半导体泵浦倍频绿光激光器的探究性实验设计钟远聪1，邓定南1，杨晓冬2*(1嘉应学院 物理与电子工程学院，广东 梅州514015;2广东石油化工学院 理学院，广东 茂名525000)摘要:为探究在谐振腔中倍频晶体位置对绿光激光器输出功率的影响，利用半导体泵浦固体激光实验仪设计了腔内和腔外倍频绿光的探究性实验。分析了绿光倍频效率与基频光束的功率密度及光斑半径之间的关系，分别测量了磷酸钛氧钾(KTP)倍频晶体位于谐振腔內部和外部不同位置时，532 nm倍频绿光的输出功率。其中在腔外倍频实验中，分别设计了腔外不加透镜时 KTP 晶体位于腔外不同位置，以及加上透镜时 KTP 晶体位于聚焦位置两种实验方案。同时，在实验中引导学生利用谐振腔理论和高斯光束传输理论等激光原理计算 1 064 nm 基频光在腔内外不同位置的光斑半径，分析了 KTP 晶体在不同位置时 532 nm 倍频光输出功率出现差别的原因，以及利用透镜聚焦提高激光功率密度以达到提高倍频效率的方法。关键词:绿光激光器;倍频;输出功率;光斑半径;探究性实验中图分类号:O 4-33文献标志码:ADOI:1014139/jcnkicn22-1228202301007大学物理实验 投稿网址:http:/dawushiyanjlicteducn随着光电子技术的蓬勃发展，目前我国许多重点大学和部分普通高等院校的相关光电专业都开设了 激光原理 课程1-6，相应的激光原理实验是 激光原理 课程的重要实践教学环节。很多高校都购置了诸如半导体泵浦固体激光实验仪等激光原理实验教学仪器，开设了诸如绿光倍频、被动调 Q 和激光模式测量等激光原理实验。其中绿光倍频实验是激光原理实验教学中一个基本而又重要的基础性实验项目。激光倍频技术在光谱测量7、信息存储8、激光技术9、激光医疗10、水下通讯11 等许多领域中有着重要应用。在 532 nm 倍频绿光实验中，当 1 064 nm 激光运转时，由于光束发散作用，1 064 nm 基频光在谐振腔内部和外部的不同位置，相应的激光功率密度都不同，这时 532 nm 绿光倍频的输出功率会有很大差别。通常的实验教学只是要求学生把倍频晶体置于某一位置调试测量倍频绿光功率，但不同的学生放置晶体的位置不一样，导致测量数据差异很大，使学生对倍频实验结果产生困惑。在目前的绿光倍频实验教学过程中，学生基本是按照老师提前设计好的光路及步骤操作，搭建激光光路，然后对激光器的输出进行测量。教学中缺乏能激发学生兴趣，以及培养学生的创新性思维和实践能力的探究性实验教学内容，这种实验教学过程也难以满足专业认证标准的要求。针对这上述问题，文章以半导体泵浦固体激光实验仪为平台，分别设计了磷酸钛氧钾(KTP)倍频晶体置于谐振腔内部和外部不同位置时的倍频绿光实验，另外还设计了腔外加透镜聚焦的倍频实验。通过这些探究性实验，使学生可以更好地掌握相应的激光原理知识、进一步提高创新能力和科学素养，从而达到专业培养目标。1实验理论及装置11实验理论根据光与物质相互作用理论，当光照射物质时，光波电磁场将对物质中的电子产生作用，使介质原子成为电偶极子。电偶极子将随光波的电磁场的变化产生振荡。电极化强度产生极化场，极化场发出次级辐射。当入射光强度 E 大到可以与原子内部电场强度相比拟时，产生非线性极化，此时介质中的电极化强度 P 可表示为12 P=0E+0(2)EE+0(3)EEE+，(1)其中 0，(2)和(3)分别为真空介电常数，二阶和三阶非线性极化率张量。上式表明出射光波不仅包含输入光波的频率分量，还会产生与输入光频率不同的新频率分量。若仅考虑二次非线性项 P(2)=02E2，把入射光的电场强度 E=E0cost代入上式整理得P(2)=02E20cos2t=022E20(1+cos2t)，(2)第一项是不算时间变化的强度，第二项代表频率为基频两倍的电偶极矩，它将辐射二次谐波(倍频光)，这个效应称为光学倍频。倍频过程如下图 1 所示，一束频率为 1的激光入射到长度为L 的非线性晶体中，在合适的条件下，晶体出射端不仅会有频率为 1的光，还有频率为 21的倍频光输出。图 1二阶非线性效应产生倍频光在倍频过程中采用小信号近似，光倍频转化效率 定义为倍频光功率 P2(L)与基频光功率 P1(L)之比12，13，即:=P2(L)P1(0)=8 2v21L2D2effn21n2c30P1(0)Asinc2kL2()，(3)式中 n1，n2分别为 v1，v2频率的光在非线性晶体中的折射率，deff为等效非线性系数，A 为光束截面积，k 为相位匹配因子。由(3)式可知，当上述参数一定时，倍频效率与输入端基频光的功率密度 P1(0)/A 成正比，考虑到 a=w2，此时倍频光功率与基频光束的光斑半径 w 成反比。12实验装置实验中使用的半导体泵浦固体激光器综合实验仪如图 2 所示，各元件被固定在导轨上(见图2a)。图 2b 为倍频绿光的实验结构示意图，激光二极管(LD)发射的泵浦光(808 nm)经过由两片凸透镜组成的耦合系统汇聚射入掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)增益介质。M1为输出耦合镜，其左侧镀有 1 064 nm 高反及 532 nm 增透双色膜，虚线部分为 KTP 倍频晶体。当激光器运行时，从 Nd:YAG 晶体发射的1064 nm 激光束通过 KTP 晶体，由于晶体内的和频效应，一部分 1 064 nm 基频光和频为 532 nm 绿光，1 064 nm 基频光的功率密度下降。当 1 064 nm 与 532 nm 混合光束入射到输出耦合镜 M1时，532 nm 的绿光全部通过 M1出射，而 1 064 nm 激光束被 M1反射，因此可认为激光器输出耦合率与光束单次经过 KTP 晶体的倍频效率相同。(a)实验装置实物图(b)装置结构示意图图 2半导体泵浦固体激光实验仪2腔内倍频绿光实验设计21实验原理腔内倍频绿光的实验方案如图 3 所示，要求学生把 KTP 倍频晶体置于谐振腔内不同位置，即改变其与 Nd:YAG 晶体左端面的距离 l1，测量 l1不同值时倍频绿光的输出功率。由于光束发散作用，KTP 晶体的位置 l1不同时，相应的光束光斑半径也不一样。根据激光谐振腔理论，激光光束在离 激 光 晶 体 左 侧 端 面 为 l1处 的 往 返 矩阵为13-15:m1(l1)=ABCD=1Ll10110211 1L0110201 1l101，(4)利用高斯光束的自再现变换理论，相应的激03大学物理实验2023 年光光斑半径为13 w1(l1)=|B|1A+D2()2025，(5)图 3腔内倍频实验示意图选取基频光波长=1064103mm，谐振腔长度 L=175 mm，激光晶体端面的曲率半径 0=，腔镜 M1的曲率半径 1=200 mm。激光光斑半径 w1随 KTP 晶体在腔内位置 l1变化的计算结果如图 4 所示，可见对于一定腔长的谐振腔，激光振荡稳定后在其内部传输的激光光斑半径随着腔内距离增加而增大。1 064 nm 基频光稳定振荡时，可近似认为基频光功率一定，则相应的功率密度随 l1增大而逐渐减小。根据 11 倍频理论，功率密度是影响绿光倍频效率的一个主要因数，所以从公式(3)可知 532 nm 绿光倍频效率将随腔内倍频晶体的位置 l1增大而减小。l1/mm图 4光斑半径随腔内 KTP 晶体位置变化的关系曲线22实验结果及分析按图 3 的实验方案，KTP 晶体分别位于腔内l1=40 mm、l1=85 mm 和 l1=170 mm 位置时，测得相应 532 nm 倍频绿光的输出功率随驱动电流变化的关系曲线如图 5 所示，KTP 晶体在某一固定位置时，绿光输出功率随着驱动电流增大而增大。在相同电流下，KTP 晶体位于 l1=40 mm 时的输出功率比 l1=85 mm 时大，l1=85 mm 处时的输出功率又比 l1=170 mm 时大，出现上述结果的原因可采用 11 理论进行分析。利用公式(4)和(5)计算得到 KTP 晶体分别位于腔内 l1=40 mm、l1=85 mm 和 l1=170 mm 处时，对应的光斑半径分别为 w1(40)=0171 mm、w1(85)=0247 mm 和 w1(170)=0428 mm，则相应1 064 nm 基频光的功率密度依次减小。由公式(3)可推断三者中 l1=40 mm 时的倍频绿光输出功率最大，l1=170 mm 处时最小，实验结果与上述理论分析相符。I/A图 5倍频晶体分别位于腔内不同位置随电流增大时的绿光输出功率3腔外倍频绿光实验设计31腔外光束直接倍频311实验原理腔外光束直接倍频的实验方案如图 6 所示，M2为输出耦合镜，左侧镀有 1 064 nm 高反膜和532 nm 增透膜，其主要作用是把倍频光中含有的1 064 nm 基频光过滤掉。实验教学要求学生把KTP 倍频晶体置于谐振腔外部的不同位置，即改变其与 M1镜面的距离 l2，测量 l2不同值时 532 nm倍频绿光的输出功率。图 6腔外直接倍频实验示意图1 064 nm 基频光从 M1腔镜出射后，随着传输距离的增加，发散作用越来越强，相应的功率密度逐渐减小。此时要研究 1 064 mm 基频光在腔外不同传输距离的光斑半径，属于高斯光束传输理论。下面采用 q 参数计算图 6 中腔外位置 l2不同13第 1 期钟远聪，等:基于半导体泵浦倍频绿光激光器的探究性实验设计时的光束光斑半径，考虑基模情况，在 Nd:YAG晶体左端面的 q 参数为 q0=w1(0)2i/，由公式(5)可计算出 w1(0)=0143 mm。又激光束从Nd:YAG 晶体左端面行进到腔外 KTP 晶体位置l2时的传输矩阵为13-15:T1=ABCD=1l2011012111L101，(6)则相应位置 l2的 q 参数为:q1=Aq0+BCq0+D，(7)利用 q 参数的虚部计算得腔外距离 l2时的激光光斑半径为13 w2l2()=Im 1/q1()，(8)上式光斑半径 w2随 KTP 晶体在腔外位置 l2变化的关系如图 7 所示，随着腔外距离 l2增加而线性增大。l2/mm图 7光斑半径随腔外 KTP 晶体位置变化的关系曲线312实验结果及分析按 311 中的实验设计方案，KTP 晶体分别位于腔外 l2=20 mm 和 l2=110 mm 位置时，测得相应的 532 nm 倍频绿光的输出功率随驱动电流变化的关系曲线如图 8 所示，类似图 5 结果，KTP晶体在谐振腔外的位置一定时，相应的绿光输出功率随着驱动电流增大而增大。但在相同电流下，l2=20 mm 位置时的输出功率比 l2=110 mm 时大。从 311 实验原理可得到腔外位置 l2=20 mm和 l2=110 mm 时，对应的激光光斑半径分别为 w2(20)=0389 mm 和 w2(110)=0665 mm。因此同样由公式(3)可知两者中 l2=20 mm 时绿光输出功率大，l2=110 mm 时小。I/A图 8KTP 晶体分别位于腔外不同位置随电流增大时的绿光输出功率32腔外加透镜聚焦倍频321实验原理从上述31 节可知，从谐振腔输出的1064 nm基频光以发散光束形式向远处传播，光斑逐步增大，不利于腔外倍频效率的进一步提高。为克服上述不足，在输出耦合镜 M1右侧放置凸透镜(焦距 f=100 mm)，如图9 所示。激光器工作时，从激光器输出的 1 064 nm 发散光束先通过透镜汇聚，在透镜右侧形成束腰，使基频光的光斑半径显著减小，相应的光功率密度将显著增大。因此，若将KTP 倍频晶体置于经透镜变换后的基频激光的束腰位置 l3时，绿