实验四半导体泵浦Q开关倍频激光器
一、实验目的
激光器为研究对象，让学生自己动
1、本实验以808nm半导体泵浦Nd：YVO
4
手，调整激光器光路，产生1064nm激光；
2、在腔中插入KTP晶体产生532nm倍频光，观察倍频现象，测量倍频效率、相位匹配角等基本参数；
3、要求掌握测量倍频效率的方法。
二、试验仪器
半导体激光器、耦合系统、Nd:YAG晶体、KTP晶体、输出镜、Cr4+:YAG晶体、功率计、探测器、示波器
三、实验内容
1.半导体泵浦固体激光器调Q实验
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。在不同的LD工作电流（1.7A、2.0A、2.3A），分别测量输出脉冲的脉宽、重频；并计算不同功率下的峰值功率，对不同功率下的输出脉冲进行对比
2.半导体泵浦固体激光器倍频实验
晶体和输出镜之间插入KTP倍频晶体，产生532nm倍频绿光。
在Nd：YVO
4
调节输出镜，LD调整架，使532nm绿光功率最大。
四、实验结果
(1)、实验数据记录：
电流（A）0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 1064功率0 0 0 0 0 0.019 0.048 0.077 524功率0 0 0 0 0 0.002 0.008 0.015 电流（A）0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1064功率0.113 0.150 0.202 0.267 0.330 0.373 0.406 0.432 524功率0.022 0.030 0.040 0.049 0.060 0.072 0.088 0.100 电流（A） 1.7 1.8 1.9 2 2.1
1064功率0.461 0.485 0.506 0.525 0.555
524功率0.111 0.120 0.128 0.131 0.137
(2)、转换效率曲线：
根据散点图的曲线拟合（如下）：
η
可知，转换效率：%
18
=
24
.
(3)、实验结果记录：
记录LD电流(A)脉宽(us) 重频(kHz)
1 0.544 274.0 3.650
2 0.640 212.0 4.717
3 1.31 194.0 5.155
五、实验总结
通过本次半导体激光器特性及调制特性实验，了解了半导体泵浦固体激光器的工作原理，学会了使用辅助激光器的方法构造固体激光器谐振腔，并使其发光。另外，还选用不同透过率腔镜，测试不同LD电流下的激光输出功率，并计算两种耦合输出下的激光斜效率和光光转换效率。
半导体泵浦激光原理实验 理工学院光信息2班贺扬10329064 合作人：余传祥 【实验目的】 1、了解与掌握半导体泵浦激光原理及调节光路方法。 2、掌握腔内倍频技术，并了解倍频技术的意义。 3、掌握测量阈值、相位匹配等基本参数的方法。 【实验仪器】 808nm半导体激光器、半导体激光器可调电源、晶体、KTP倍频晶体、输出镜（前腔片）、光功率指示仪 【实验原理】 激光的产生主要依赖受激辐射过程。 处于激发态的原子，在外的光子的影响下，从高能态向低能态跃迁，并在两个状态的能量差以辐射光子的形式发出去。只有外来光子的能量正好为激发态与基态的能级差时，才能引起受激辐射，且受激辐射发出的光子与外来光子的频率、发射方向、偏振态和相位完全相同。 激光器主要有：工作物质、谐振腔、泵浦源组成。工作物质主要提供粒子数反转。 泵浦过程使粒子从基态抽运到激发态，上的粒子通过无辐射跃迁，迅速转移到亚稳态。是一个寿命较长的能级，这样处于的粒子不断累积，上的粒子又由于抽运过程而减少，从而实现与能级间的粒子数反转。 激光产生必须有能提供光学正反馈的谐振腔。处于激发态的粒子由于不稳定性而自发辐射到基态，自发辐射产生的光子各个方向都有，只有沿轴向的光子，部分通过输出镜输出，
部分被反射回工作物质，在两个反射镜间往返多次被放大，形成受激辐射的光放大即产生激光。 激光倍频是将频率为的光，通过晶体中的非线性作用，产生频率为的光。 当外界光场的电场强度足够大时（如激光），物质对光场的响应与场强具有非线性关系： 式中均为与物质有关的系数，且逐次减小。 当E很大时，电场的平方项不能忽略。 ,直流项称为光学整流，当激光以一定角度入射到倍频晶体时，在晶体产生倍频光，产生倍频光的入射角称为匹配角。 倍频光的转换效率为倍频光与基频光的光强比，通过非线性光学理论可以得到： 式中L为晶体长度，、分别为入射的基频光、输出的倍频光光强。 在正常色散情况下，倍频光的折射率总是大于基频光的折射率，所以相位失配，双折射晶体中的o光和e光折射率不同，且e光的折射率随着其传播方向与光轴间夹角的变化而改变，可以利用双折射晶体中o光、e光间的折射率差来补偿介质对不同波长光的正常色散，实现相位匹配。 【实验装置】 图2 实验装置示意图
实验一半导体激光器P-I特性曲线测量 一、实验目的： 1.了解半导体光源和光电探测器的物理基础； 2.了解发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)的发光原理和相关特性； 3.了解PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)的工作原理和相关特性； 4.掌握有源光电子器件特性参数的测量方法； 二、实验原理： 光纤通信中的有源光电子器件主要涉及光的发送和接收，发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)是最重要的光发送器件，PIN光电二极管和APD光电二极管则是最重要的光接收器件。 1．发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)： LED是一种直接注入电流的电致发光器件，其半导体晶体内部受激电子从高能级回复到低能级时发射出光子，属自发辐射跃迁。LED为非相干光源，具有较宽的谱宽(30～60nm)和较大的发射角(≈100°)，常用于低速、短距离光波系统。 LD通过受激辐射发光，是一种阈值器件。LD不仅能产生高功率(≥10mW)辐射，而且输出光发散角窄，与单模光纤的耦合效率高(约30％—50％)，辐射光谱线窄(Δλ=0.1-1.0nm)，适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速(>20GHz)直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。 使粒子数反转从而产生光增益是激光器稳定工作的必要条件，对于处于泵浦条件下的原子系统，当满足粒子数反转条件时将会产生占优势的(超过受激吸收)受激辐射。在半导体激光器中，这个条件是通过向P型和N型限制层重掺杂使费密能级间隔在PN结正向偏置下超过带隙实现的。当有源层载流子浓度超过一定值(称为透明值)，就实现了粒子数反转，由此在有源区产生了光增益，在半导体内传播的输入信号将得到放大。如果将增益介质放入光学谐振腔中提供反馈，就可以得到稳定的激光输出。 (1) LED和LD的P-I特性与发光效率： 图1是LED和LD的P-I特性曲线。LED是自发辐射光，所以P-I曲线的线性范围较大。 LD有一阈值电流I th ，当I>I th 时才发出激光。在I th 以上，光功率P随I线性增加。 图1：LD和LED的P-I特性曲线 (a) LD的P-I特性曲线 (b) LED的P-I特性曲线
激光器主要有：工作物质、谐振腔、泵浦源组成。工作物质主要提供粒子数反转。 泵浦过程使粒子从基态E1抽运到激发态E3，E3上的粒子通过无辐射跃迁（该过程粒子从高能级跃迁到低能级时能量转变为热能或晶格振动能，但不辐射光子），迅速转移到亚稳态E2。E2是一个寿命较长的能级，这样处于E2的粒子不断累积，E1上的粒子又由于抽运过程而减少，从而实现E2与E1能级间的粒子数反转。 激光产生必须有能提供光学正反馈的谐振腔。处于激发态的粒子由于不稳定性而自发辐射到基态，自发辐射产生的光子各个方向都有，偏
离轴向的光子很快逸出腔外，只有沿轴向的光子，部分通过输出镜输出，部分被反射回工作物质，在两个反射镜间往返多次被放大，形成受激辐射的光放大即产生激光。 光的倍频是一种最常用的扩展波段的非线性光学方法。激光倍频是将频率为ω的光，通过晶体中的非线性作用，产生频率为2ω的光。 当光与物质相互作用时，物质中的原子会因感应而产生电偶极矩。单位体积内的感应电偶极矩叠加起来，形成电极化强度矢量。电极化强度产生的极化场发射出次级电磁辐射。当外加光场的电场强度比物质原子的内场强小得多时，物质感生的电极化强度与外界电场强度成正比。 P=ε0χE 在激光没有出现前，当有几种不同频率的光波同时与该物质作用时，各种频率的光都线性独立地反射、折射和散射，满足波的叠加原理，不会产生新的频率。 当外界光场的电场强度足够大时（如激光），物质对光场的响应与场强具有非线性关系： P=αE+βE2+γE3+?
式中α，β，γ，…均为与物质有关的系数，且逐次减小。 考虑电场的平方项 E=E0cosωt P(2)=βE2=βE02cos2ωt=βE02 (1+cos2ωt) 出现直流项和二倍频项cos2ωt,直流项称为光学整流，当激光以一定角度入射到倍频晶体时，在晶体产生倍频光，产生倍频光的入射角称为匹配角。 倍频光的转换效率为倍频光与基频光的光强比，通过非线性光学理论可以得到： η=I2ω ω ∝βL2Iω sin2(Δkl/2) 式中L为晶体长度，Iω、I2ω分别为入射的基频光、输出的倍频光光强。 在正常色散情况下，倍频光的折射率n2ω总是大于基频光的折射率，所以相位失配，双折射晶体中的o光和e光折射率不同，且e光的折射率随着其传播方向与光轴间夹角的变化而改变，可以利用双折射晶体中o光、e光间的折射率差来补偿介质对不同波长光的正常色散，实现相位
太原理工大学现代科技学院 课程实验报告 专业班级 学号 姓名 指导教师
实验名称 半导体激光器P-I 特性测试实验 同组人 专业班级 学号 姓名 成绩 一、 实验目的 1. 学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理 2. 了解半导体激光器平均输出光功率与注入驱动电流的关系 3. 掌握半导体激光器P （平均发送光功率）-I （注入电流）曲线的测试方法 二、 实验仪器 1. ZY12OFCom13BG 型光纤通信原理实验箱 1台 2. 光功率计 1台 3. FC/PC-FC/PC 单模光跳线 1根 4. 万用表 1台 5. 连接导线 20根 三、 实验原理 半导体激光二极管（LD ）或简称半导体激光器，它通过受激辐射发光，（处于高能级E 2的电子在光场的感应下发射一个和感应光子一模一样的光子，而跃迁到低能级E 1，这个过程称为光的受激辐射。所谓一模一样，是指发射光子和感应光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，它和感应光子是相干的。）是一种阈值器件。由于受激辐射与自发辐射的本质不同，导致了半导体激光器不仅能产生高功率（≥10mW ）辐射，而且输出光发散角窄（垂直发散角为30～50°，水平发散角为0～30°），与单模光纤的耦合效率高（约30％～50％），辐射光谱线窄（Δλ＝0.1～1.0nm ），适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速信号（>20GHz ）直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。 P-I 特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阈值电流I th 尽可能小，I th 对应P 值小，而且没有扭折点的半导体激光器，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，消光比（测试方法见实验四）大， ……………………………………装………………………………………订…………………………………………线………………………………………
半导体泵浦固体激光器综合实验 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。本实验的目的是熟悉半导体泵浦固体激光器的基本原理和调试技术，以及其调Q 和倍频的原理和技术。 【实验目的】 1.掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法； 2.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； 3.了解固体激光器倍频的基本原理。 【实验原理与装置】 1.半导体激光泵浦固体激光器工作原理： 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种方式。 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。 ②间接耦合：指先将LD输出的光束进行准直、整形，再进行端面泵浦。常见的方法有： 组合透镜系统聚光：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合。 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。 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。
半导体激光器的研究进展 摘要：本文主要述写了半导体激光器的发展历史和发展现状。以及对单晶光纤激光器进行了重点描述，因其在激光医疗、激光成像、光电对抗以及人眼安全测照等领域具有重大的应用价值，近年来成为新型固体激光源研究的热点。 一、引言。 激光是20 世纪以来继原子能、电子计算机、半导体之后人类的又一重大发明。半导体激光科学与技术以半导体激光器件为核心，涵盖研究光的受激辐射放大的规律、产生方法、器件技术、调控手段和应用技术，所需知识综合了几何光学、物理光学、半导体电子学、热力学等学科。 半导体激光历经五十余年发展，作为一个世界前沿的研究方向，伴随着国际科技进步突飞猛进的发展，也受益于各类关联技术、材料与工艺等的突破性进步。半导体激光的进步在国际范围内受到了高度的关注和重视，不仅在基础科学领域不断研究深化，科学技术水平不断提升，而且在应用领域上不断拓展和创新，应用技术和装备层出不穷，应用水平同样取得较大幅度的提升，在世界各国的国民经济发展中，特别是信息、工业、医疗和国防等领域得到了重要应用。 本文对半导体激光器的发展历史和现状进行了综述，同时因单晶光纤激光器在激光医疗、激光成像、光电对抗以及人眼安全测照等领域具有重大的应用价值，本文也将对其做重点描述。 二、大功率半导体激光器的发展历程。 1962 年，美国科学家宣布成功研制出了第一代半导体激光器———GaAs同质结构注入型半导体激光器。由于该结构的激光器受激发射的阈值电流密度非常高，需要5 × 104～1 ×105 A /cm2，因此它只能在液氮制冷下才能以低频脉冲状态工作。从此开始，半导体激光器的研制与开发利用成为人们关注的焦点。1963 年，美国的Kroemer和前苏联科学院的Alferov 提出把一个窄带隙的半导体材料夹在两个宽带隙半导体之间，构成异质结构，以期在窄带隙半导体中产生高效率的辐射复合。随着异质结材料的生长工艺，如气相外延( VPE) 、液相外延( LPE) 等的发展，1967年，IMB 公司的Woodall 成功地利用LPE 在GaAs上生长了AlGaAs。在1968—1970 年期间，美国贝尔实验室的Panish，Hayashi 和Sμmski成功研究了AlGaAs /GaAs单异质结激光器，室温阈值电流密度为8.6 × 103 A /cm2，比同质结激光器降低了一个数量级。
实验四连续半导体泵浦固体激光器静态输出特性 和声光调Q实验 实验目的 1.了解固体激光器的输出特性和阈值特性，掌握激光器输出特性斜率效率的计 算； 2.掌握激光器设计中最佳透过率的概念，巩固最佳透过率选取原则； 3.掌握声光调Q的基本原理和布拉格衍射的特征及布拉格衍射角的概念，了解 激光器在连续和调Q脉冲工作状态下的激光功率输出特性， 4.了解不同调Q频率下，激光功率变化的原因，巩固最佳调Q频率选取的原则。 实验原理 1. 固体Nd:YAG激光器工作原理 固体激光器通常由三个基本部分组成，即固体激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔。 激光工作物质是激光器的心脏，产生激光的是激活离子，激光器的输出特性在很大程度上由激活离子的能级结构决定。目前，常用的固体激光工作物质有红宝石晶体、钕玻璃和掺钕钇铝石榴石（即Nd3+:YAG）晶体。由于Nd3+:YAG晶体具有荧光谱线窄、量子效率高等特点，它的增益高、阈值低、激光输出效率高，故在中小功率的脉冲器件中，以及在高重复率的脉冲激光器中得到广泛应用。本实验中即采用Nd3+:YAG作为激光工作物质，该工作物质的激活离子为Nd3+，属四能级系统，发射激光波长为1.06μm，工作于连续方式。Nd3+:YAG产生受激辐射的能级如图4-1所示。激活粒子（Nd3+:离子）在这些能级之间的跃迁特性为：在光泵浦作用下，处于基态能级E1上的粒子被激发到高能级E4上，由于E4能级寿命很短，处在该能级上的粒子很快以无辐射跃迁方式迅速转移到较低的激发态能级E3上，E3为亚稳态，在E3能级上的粒子有较长的寿命（10-3~10-4s），因而易于实现粒子数积累。当粒子数由E3向E2跃迁时，产生激光辐射，粒子到达能级E2后，再以无辐射跃迁迅速地返回到基态E1。基于这种状态以及由于热平衡情况，使得粒子不易在E2能级上积聚，因此，在外界激励下，E3和E2之间较易形成粒子数反转，从而实现受激辐射。
编号 赣南师范学院学士学位论文固体激光器原理及应用 教学学院物理与电子信息学院 届别 2010届 专业电子科学与技术 学号 060803013 姓名丁志鹏 指导老师邹万芳 完成日期 2010.5.10
目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Key words (1) 1引用 (2) 2激光与激光器 (2) 2.1激光 (2) 2.2激光器 (3) 3固体激光器 (4) 3.1工作原理和基本结构 (4) 3.2典型的固体激光器 (8) 3.3典型固体激光器的比较 (11) 3.4固体激光器的优缺点 (12) 4固体激光器的应用 (13) 4.1军事国防 (13) 4.2工业制造 (15) 4.3医疗美容 (17) 5结束语 (17) 参考文献 (19)
摘要：固体激光器目前是用最广泛的激光器之一，它有着一些非常突出的优点。介绍固体激光器的工作原理及应用，更能够加深对其的了解。本论文先从基本原理和结构介绍固体激光器，接着介绍一些典型的固体激光器，最后介绍其在军事国防、工业技术、医疗美容等三个方面的应用及未来的发展方向。 关键词：固体激光器基本原理基本结构应用 Abstract:Solid-state laser is currently one of the most extensive laser,it has some very obvious advantages.The working principle of solid-state lasers and applications were described in the paper and it can enhance the understanding.In this paper, starting with the basic principles and structure of the introduced solid-state laser,and then some typical solid-state lasers and a presentation on its military defense,industrial technology,medical and cosmetic applications in three areas and future development direction were introduced. Key words:Solid-state Laser Basic Principle Basic Structure Application
半导体激光器的发展与运用 0 引言激光器的结构从同质结发展成单异质结、双异质结、量子 阱 （单、多量子阱）等多种形式, 制作方法从扩散法发展到液相外延（LP日、气相外延（VPE）、分子束外延（MBE）、金属有机化合物气相淀积（MOCVD）、化学束外延（CBE 以及它们的各种结合型等多种工艺[5].半导体激光器的应用范围十分广泛，而且由于它的体积小，结构简单,输入能量低,寿命长,易于调制和价格低等优点, 使它已经成为当今光电子科学的核心技术,受到了世界各国的高度 重视。 1 半导体激光器的历史 半导体激光器又称激光二极管（LD）。随着半导体物理的发展,人们早在20 世纪50 年代就设想发明半导体激光器。 20 世纪60 年代初期的半导体激光器是同质结型激光器, 是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器。在1962 年7 月召开的固体器件研究国际会议上,美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者克耶斯（KeyeS和奎斯特（Quist、报告了砷化镓材料的光发射现象。 半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器,它是由两种不同带隙的半导体材料薄层，如GaAs,GaAIAs所组成的激光器。单异质结注人型激光器（SHLD，它是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsP 一N 结的P 区之内,以此来降低阀值电流密度的激光
器。 1970 年,人们又发明了激光波长为9 000? 在室温下连续工作的双异质结GaAs-GaAlAs（砷化稼一稼铝砷）激光器. 在半导体激光器件中,目前比较成熟、性能较好、应用较广的是具有双异质结构的电注人式GaAs 二极管激光器. 从20 世纪70 年代末开始, 半导体激光器明显向着两个方向发展,一类是以传递信息为目的的信息型激光器;另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。在泵浦固体激光器等应用的推动下, 高功率半导体激光器（连续输出功率在100W 以上,脉冲输出功率在5W 以上, 均可称之谓高功率半导体激光器）在20 世纪90 年代取得了突破性进展,其标志是半导体激光器的输出功率显著增加,国外千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化,国内样品器件输出 已达到600W另外，还有高功率无铝激光器、红外半导体激光器和量子级联激光器等等。其中,可调谐半导体激光器是通过外加的电场、磁场、温度、压力、掺杂盆等改变激光的波长,可以很方便地对输出 光束进行调制。 20 世纪90 年代末,面发射激光器和垂直腔面发射激光器得到了迅速的发展。 目前,垂直腔面发射激光器已用于千兆位以太网的高速网络,为了满足21 世纪信息传输宽带化、信息处理高速化、信息存储大容量以及军用装备小型、高精度化等需要,半导体激光器的发展趋势主要是向高速宽带LD大功率LD短波长LD盆子线和量子点激光器、中红外LD
实验一-半导体激光器系列实验
实验一半导体激光器系列 实验
一、实验设备介绍 2．配套仪器的使用 WGD-6光学多道分析器的使用参考WGD-6光学多道分析器的使用说明书。 3．激光器概述 光电子器件和技术是当今和未来高技术的基础，引起世界各国的极大关注。其中半导体激光器的生产和应用发展特别迅猛，它已经成功地用于光通讯和光学唱片系统；还可以作为红外高分辨率光谱仪光源，用于大气测污和同位素分离等；同时半导体激光器可以成为雷达，测距，全息照相和再现、射击模拟器、红外夜视仪、报警器等的光源。半导体激光器，调频器，放大器集成在一起的集成光路将进一步促进光通 - 1 -
讯，光计算机的发展。 激光器一般包括三个部分： （1）激光工作介质 激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转是非常有利的。现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外到远红外，非常广泛。 （2）激励源 为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。 （3）谐振腔 有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。一块几乎全反射，一块大部分反射、 - 2 -
半导体激光器TEC温控实验 温度对半导体激光器的特性有很大的影响.为了使半导体激光器输出功率稳定,必须对其温度进行高精度的控制.TEC-10A利用PID模糊控制网络设计了温控系统,控制精度达到0.0625℃,与无PID控制网络相比,极大的提高了系统的瞬态特性,并且试验发现TEC-10A采用带有温控系统的半导体激光器的输出功率稳定性比没有温控系统的输出功率得到显著改善。 TEC-10A使用上位机软件，获得数据如下: 图1 目标温度设定为60度的加热曲线图 TEC-10A模糊自适应PID 算法比传统PID 算法具有更小的温度过冲和更高的控温精度，精度为±0.0625℃，达到稳定的时间小于70s。 TEC-10A的“模糊控制理论”是由美国加利福尼亚大学教授L.A.Zadeh 于1965 年首先提出的，至今只有40 余年的时间，它属于智能控制的范畴。那么到底什么是模糊控制？其实模糊控制是一种被精确定义的特殊的非线性控制，它利用类似人类的启发式知识对系统进行控制。模糊控制的基本原理框图如下图所示。 图2 模糊算法 首先建立模糊规则 根据上面的输入量的模糊化，确定了误差及误差变化的模糊集合，下面将建立模糊规则。模糊控制规则主要有两种形式：一种是经验归纳法，一种是采用数学的推理合成法。经验归纳法是根据操作者对控制经验的整理、加工而形成的控制规则，虽然具有主观臆断，但其中
必须经过对客观事实的合理归纳而形成。下面的表就是根据经验归纳法总结的模糊控制规则表。 下面是一些简单的一维和二维控制形式： “如果A，那么B”（IfAThen B）；例如，如果激光器的温度很高，那么快速降温。“如果A，那么B，否则C”（If A Then B Else C）；例如，如果激光器温度很低，那么快速加热，否则缓慢加热。 “如果A 且B，那么C”（If A And B Then C）。例，如果激光器温度很高且温度下降很慢，那么快速加热。 在实际操作中第三种形式较常见，“A”为偏差e，“B”为偏差变化量Ec。 TEC-10A的尺寸也是比较小的，如下图所示： 图3 TEC-10A具有较小尺寸 TEC-10A是一款高功率密度的TEC温度控制器，额定工作负载5A，峰值电流可达10A。此温度控制器可以连接专用调试器来进行参数的调节，参数调节完毕并保存后，撤去调试器，此温度控制器仍可以独立工作。可以通过专用RS232调试线和电脑进行通讯，以进行参数设
hv 2 1 (a) 2 1 (b) 2 E 1 (c) 图1、光与物质作用的吸收过程 Nd ：YAG 固体激光器实验 一、 实验内容与器件 1、了解半导体激光器的工作原理和光电特性 2、掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法 二、 实验原理概述 1. 激光产生原理 光与物质的相互作用可以归结为光与原子的相互作用，有三种过程：吸收、自发辐射和受激辐射。 如果一个原子，开始处于基态，在没有外来光子，它将保持不变，如果一个能量为hv 21的光子接近，则它吸收这个光子，处于激发态E 2。在此过程中不是所有的光子都能被原子吸收，只有当光子的能量正好等于原子的能级间隔 E 1-E 2时才能被吸收。 激发态寿命很短，在不受外界影响时，它们会自发地返回到基态，并放出光子。自发辐射过程与外界作用无关，由于各个原子的辐射都是自发的、独立进行的，因而不同原子发出来的光子的发射方向和初相位是不相同的。 处于激发态的原子， 在外的光子的影响下，会从高能态向低能态跃迁，并两个状态间的能量差以辐射光子的形式发射出去。只有外来光子的能量正好为激发态与基态的能级差时，才能引起受激辐射，且受激辐射发出的光子与外来光子的频率、发射方向、偏振态和相位完 全相同。激光的产生主要依赖受激辐射过程。激光器主要有：工作物质、谐振腔、泵浦源组成。工作物质主要提供粒子数反转。 hv 21 2 E 1 (a) E 2 E 1 (b) hv 21 hv 21 图2、光与物质作用的受激辐射过程
泵浦过程使粒子从基态E 1抽运到激发态E 3，E 3上的粒子通过无辐射跃迁（该过程粒子从高能级跃迁到低能级时能量转变为热能或晶格振动能，但不辐射光子），迅速转移到亚稳态E 2。E 2是一个寿命较长的能级，这样处于E 2上的粒子不断积累，E 1上的粒子 又由于抽运过程而减少，从而实现E 2与E 1能级间的粒子数反转。激光产生必须有能提供光学正反馈的谐振腔。处于激发态的粒子由于不稳定性而自发辐射到基态，自发辐射产生的光子各个方向都有，偏离轴向的光子很快逸出腔外，只有沿轴向的光子，部分通过输出镜输出，部分被反射回工作物质，在两个反射镜间往返多次被放大，形成受激辐射的光放大即产生激光。 2 YAG 固体激光器 固体激光器基本都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成。固体激光器工作物质是固体激光器的核心。影响固体激光器工作特性的关键是固体激光工作物质的物理和光谱性质，这主要是指吸收带、荧光谱线、热导率等。实验中,我们采用掺钕钇铝石 榴石(Nd:YAG)作为工作物质,它的激活离子是钕离子（Nd 3+），其吸收谱线如图4所示，在可 见光和红外区域有几个较强的吸收带，我们关注的是808nm 附近的吸收谱线。在本实验中，半导体激光器是用来做固体激光器的泵浦光源。我们采用了输出波长为808nm, InGaAlAs/GaAs 量子阱结构设计、光斑预整形、输出功率大于2W 的多模半导体激光器，工作电流可调，采用半导体制冷片对其进行温度控制。 图4 3:Nd YAG +晶体的吸收光谱（300K ） YAG 中3Nd +与激光产生有关系的能级结构如图5所示。它属于四能级系统。其激光上 能级3E 为33/2F ，激光下能级2E 为43/2I I ，43/2II I ，其荧光谱线波长分别为1.35m μ和1.06m μ，49/2 I 相应于1E 。由于1.06m μ比1.35m μ波长的荧光强约4 倍，在本实验中，我们通过腔镜镀膜，E 1 E 3 E 2 图3、三能级系统示意图
半导体泵浦固体激光器(DPSSL)项目立项申请书 一、项目区位环境分析 坚持工业化信息化融合发展，深入推进工业强省战略，实施“中 国制造2025”甘肃行动纲要，提升传统优势产业质量和效益，培育壮 大新兴产业，加快工业结构调整和转型升级。 （一）改造提升传统优势产业 强化传统优势产业的基础和支撑作用，盘活存量、优化结构、改 革重组，增强产业分工协作和配套能力，推动传统优势产业从半成品 向产成品转化，从粗放低效向优质高效提升，从产业链中低端向中高 端迈进，从短链向全链循环发展，选准价值链高端加大转型升级力度，改变以“原”字号和“初”字号为主的产品结构，改变企业产品结构 单一、产业行业上下游不配套的局面，推动产业集群式发展和转型升级，重塑传统产业竞争新优势。运用先进实用技术改造提升传统产业，推动煤电化冶循环发展、新能源与现代高载能耦合发展，加快石油化工、有色冶金、装备制造、煤炭电力、农产品加工等传统优势产业优 化升级。围绕重点产业核心基础零部件（元器件）、基础材料、基础 工艺、关键技术的协同攻关创新，支持骨干企业瞄准国内外同行业标 杆推进技术改造，全面提高产品技术、工艺装备、质量效益、能效环
保、安全生产等水平，加大技术和产品创新，提高附加值和科技含量，加快产品结构升级换代，建设兰州、庆阳为重点的国家战略性石化产 业基地，金昌、白银、兰州等为重点的国家有色金属新材料基地，嘉 峪关为重点的优质钢材生产及加工基地，陇东、酒嘉为重点的煤炭清 洁利用转化基地，兰州、天水、酒泉等为重点的先进装备制造业基地，特色农产品生产区域为重点的农产品加工基地等6大产业基地，打造 石油化工及合成材料、有色金属新材料、煤炭高效清洁利用、绿色生 态农产品加工等8大产业链。 （二）发展壮大战略性新兴产业 按照市场主导、创新驱动、重点突破、引领发展的要求，以新能源、新材料、先进装备和智能制造、生物医药、信息技术、节能环保、新型煤化工、现代服务业、公共安全等领域为重点，深入实施战略性 新兴产业发展总体攻坚战，开展优势产业链培育行动，提高创新能力，培育骨干企业，聚焦创新经济新业态，培育发展新动能，引领产业高 端化规模化集群化发展，培育一批新的支柱产业和新的增长点。实施“中国制造2025”甘肃行动纲要，加快网络协同制造、智能制造、3D 打印和增材制造等新兴行业发展，促进信息技术向市场、设计、生产 等环节渗透，推动生产方式向柔性、智能、精细转变。围绕高端制造、
实验四半导体泵浦固体激光器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。本实验的目的是熟悉半导体泵浦固体激光器的基本原理和调试技术，以及倍频的原理和技术。 一、实验目的 １．掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法； ２．了解固体激光器倍频的基本原理； ３．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。（选做） 二、实验原理 １．半导体激光泵浦固体激光器工作原理： 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种方式。 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LD输出的光束进行准直、整形，再进行端面泵浦。常见的方法有：组合透镜系统聚光：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合。 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。 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。
半导体激光器实验报告 课程：_____光电子实验_____ 学号： 姓名： 专业：信息工程 南京大学工程管理学院
半导体激光器 一．实验目的 （1）通过实验熟悉半导体激光器的光学特性 （2）掌握半导体激光器耦合、准直等光路的调节 （3）根据半导体激光器的光学特性考察其在光电技术方面的应用 二．实验原理 1.半导体激光器的基本结构 半导体激光器大多数用的是GaAs或Gal-xAlxAs材料。P-n结通常在n 型衬底上生长p型层而形成，在p区和n区都要制作欧姆接触，使激励 电流能够通过，电流使结区附近的有源区产生粒子数反转。 2.半导体激光器的阈值条件 当半导体激光器加正向偏置并导通时，器件不会立刻出现激光震荡，小电流时发射光大都来自自发辐射，随着激励电流的增大，结区大量粒 子数反转，发射更多的光子，当电流超过阈值时，会出现从非受激发射 到受激发射的突变。这是由于激光作用过程的本身具有较高量子效率的 缘故，激光的阈值对应于：由受激发射所增加的激光模光子数（每秒） 正好等于平面散射，吸收激光器的发射所损耗的光子数（每秒）。 3.横模和偏振态 半导体激光器的共振腔具有介质波导的结构，所以在共振腔中传播光以模的形式存在。每个模都由固有的传播常数和横向电场分布，这些 模就构成了激光器中的横模。横模经端面射出后形成辐射场，辐射场的 角分布沿平行于结面方向和垂直于结面方向分别成为侧横场和正横场。 共振腔横向尺寸越小，辐射场发射角越大，由于共振腔平行于结面方向 的宽度大于垂直于结面方向的厚度，所以侧横场小于正横场的发散角。 激光器的GaAs晶面对TE模的反射率大于对TM模的反射率，因而TE模需要的阈值增益低，TE模首先产生受激发射，反过来又抑制了TM 模，另一方面形成半导体激光器共振腔的波导层一般都很薄，这一层越
半导体泵浦固体激光器倍频与调Q实验 一、前言 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。本实验的目的是熟悉半导体泵浦固体激光器的基本原理和调试技术，以及其调Q 和倍频的原理和技术。 二、实验目的 1、掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法； 2、掌握固体激光器被动调的工作Q原理，进行调Q脉冲的测量； 3、了解固体激光器倍频的基本原理。 三、实验原理与装置 1. 半导体激光泵浦固体激光器工作原理： 上世纪80年代起，半导体激光器（LD）生长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。 a) 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。 b) 间接耦合：指先将LD输出的光束进行准直、整形，再进行端面泵浦。常见的方法有： 1) 组合透镜系统聚光：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合。 2) 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。 3) 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。
郑州轻工业学院 课程设计任务书 题目半导体激光器原理及应用 专业、班级学号姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等： 完成期限： 指导教师签名： 课程负责人签名： 年月日
郑州轻工业学院半导体激光器课程设计 郑州轻工业学院 课程设计说明书题目：半导体激光器原理及应用 姓名：王森 院（系）：技术物理系 专业班级：电子科学与技术09-1 学号：540911010132 指导教师：运高谦 成绩： 时间：年月日至年月日 I
郑州轻工业学院半导体激光器课程设计 摘要 本文主要讲的是半导体激光器的发展历史、工作原理及应用。半导体激光器产生激光的机理,即必须建立特定激光能态间的粒子数反转,并有合适的光学谐振腔。由于半导体材料物质结构的特异性和其中电子运动的特殊性,首先产生激光的具体过程有许多特殊之处,其次所产生的激光光束也有独特的优势,使其在社会各方面广泛应用。从同质结到异质结,从信息型到功率型,激光的优越性也愈发明显,光谱范围变宽,相干性增强,可以说是半导体激光器开启了激光应用发展的新纪元。 关键词激光技术；半导体激光器；受激辐射；光场 II
郑州轻工业学院半导体激光器课程设计 Abstract This article is mainly about the history of the development of semiconductor lasers, working principle and applications. Semiconductor lasers produce laser mechanism, which must be established between the specific laser energy state population inversion, and a suitable optical resonator. As the physical structure of the semiconductor material in which electron motion specificity and particularity, while the specific process of producing laser has many special features, the other produced by the laser beam has a unique advantage to make it widely used in all sectors of society . From homo-junction to the heterojunction, the power from the information type to type, is also becoming increasingly apparent superiority of the laser, spectral range, coherence enhanced semiconductor lasers opened a new era in the development of laser applications. Keywords: Laser technique；Semiconductor lasers；Stimulated emission；Optical field III
实验19 半导体激光器实验 一、目的 1．理解半导体激光器的工作原理； 2．通过测量半导体激光器工作时的功率、电压、电流，利用这些参数画出P-I 、I-V 曲线，让学生了解半导体的工作特性曲线； 3．学会通过曲线计算半导体激光器的阈值，串联电阻，以及功率效率，外量子效应和外微分效应，并对三者进行比较； 4．内置四套方波信号或者外加信号直接调制激光器，通过调整不同的静态工作点，和输入信号强度大小不同，观察到截至区，线性区，限流区的信号不同响应（信号畸变，线性无畸变），了解调制工作原理。 二、原理 半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，产生激光的具体过程比较特殊。常用材料有砷化镓（GaAs ）、硫化镉（CdS ）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。 半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。 半导体激光器具有体积小、效率高等优点，广泛应用于激光通信、印刷制版、光信息处理等方面。 1．半导体激光器的结构与工作原理 现以砷化镓（GaAs ）激光器为例，介绍注入式同质结激光器的工作原理。半导体的能带结构。半导体材料多是晶体结构。当大量原子规则而紧密地结合成晶体时，晶体中那些价电子都处在晶体能带上。价电子所处的能带称价带（对应较低能量）。与价带最近的高能带称导带，能带之间的空域称为禁带。当加外电场时，价带中电子跃迁到导带中去，在导带中可以自由运动而起导电作用。同时，价带中失掉一个电子，则相当于出现一个带正电的空穴，这种空穴在外电场的作用下，也能起导电作用。因此，价带中空穴和导带中的电子都有导电作用，统称为载流子。掺杂半导体与p-n 结。没有杂质的纯净半导体，称为本征半导体。如果在本征半导体中掺入杂质原子，则在导带之下和价带之上形成了杂质能级，分别称为施主能级和受主能级 有施主能级的半导体称为n 型半导体；有受主能级的半导体称这p 型半导体。在常温下，热能使n 型半导体的大部分施主原子被离化，其中电子被激发到导带上，成为自由电子。而p 型半导体的大部分受主原子则俘获了价带中的电子，在价带中形成空穴。因此，n 型半导体主要由导带中的电子导电；p 型半导体主要由价带中的空穴导电。 半导体激光器中所用半导体材料，掺杂浓度较大，n 型杂质原子数一般为2～5×1018cm -1；p 型为1～3×1019cm -1。 在一块半导体材料中，从p 型区到n 型区突然变化的区域称为p-n 结。其交界面处将形成一空间电荷区。n 型半导体带中电子要向p 区扩散，而p 型半导体价带中的空穴要向n 区扩散。这样一来，结构附近的n 型区由于是施主而带正电，结区附近的p 型区由于是受主而带负电。在交界面处形成一个由n 区指向p 区的电场，称为自建电场。此电场会阻止电子和空穴的继续扩散（见图19.1）。 p-n 结电注入激发机理。若在形成了p-n 结的半导体材料上加上正向偏压，p 区接正极， 图19.1 自建电场的示意图