半导体泵浦固体激光器
院系：物理学院
半导体泵浦固体激光器
介质纳米结构的表面等离激元器件和集成回路研究”，执行期间：2011.1-2014.12国家发明专利：“一种基于表面等离激元干涉的折射率传感器及其探测方法”，中华人民共和国国家知识产权局于2011年8月
三年内利用该仪器作为主要科研手段发表学术论文（三大检索） 13 篇，其中代表论文：
论文题目期刊名年卷（期）起止页码
Dispersion Controlling in Plasmonic Open Nanocavities ACS Nano20115
（8）
6546-6552
Plasmonic Vertical Resonant Nanocavities Nano Letters201111
（3）
1117-1121
Plasmonic Demultiplexer and Guiding ACS Nano201046433-6438
Ultra?ne and Smooth Full Metal Nanostructures for Plasmonics Advanced
Materials2010
22
（39）
4345-4349
53
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
半导体激光器的研究 半导体激光器是近年来应用非常广泛的一种激光器。在本实验中我们将对半导体激光器的主要发光器件——激光二极管（LD）进行全面的实验研究。 【实验内容】 1．激光二极管（LD）的伏安特性测量。 2．LD的发光强度与电流的关系曲线测量。 3*．LD发光光谱分布测量。 4*．LD发光偏振特性分析。 【实验仪器】 激光二极管，电压表，电流表，激光功率计，分光计，格兰—泰勒棱镜等
阅读材料 半导体激光器件 按照半导体器件功能的基本结构可分为：注入复合发光，即电—光转换；光引起电动势效应，即光—电变换。这里主要讨论前者。 半导体激光光源是半导体激光器发射的激光。它是以半导体材料作为激光工作物质的一类激光器，亦称激光二极管，英文缩写为LD。与其相对应的非相干发光二极管，英文缩写为LED。它具有工作电压低、体积小、效率高、寿命长、结构简单、价格便宜以及可以高速工作等一系列优点。可采用简单的电流注入方式来泵浦，其工作电压和电流与集成电路兼容，因而有可能与之单片集成；并且还可用高达吉赫(109 Hz)的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，LD在激光通信、光纤通信、光存储、光陀螺、激光打印、光盘录放、测距、制导、引信以及光雷达等方面已经获得了广泛应用，大功率LD 可用于医疗、加工和作为固体激光器的泵浦源等。 半导体激光器自1962年问世以来，发展极为迅速。特别是进入20世纪80年代，借用微电子学制作技术(称为外延技术)，现已大量生产半导体激光器。以半导体LD条和LD堆为代表的高功率半导体激光器品种繁多，应有尽有。 1 概述 1）半导体激光器的分类 从半导体激光器的发射的激光看，可分为半导体结型二极管注入式激光器和垂直腔表面发射半导体激光器两种类型；而从结型看，又可分为同质结和异质结两类；从制造工艺看，又可为一般半导体激光器、分布反馈式半导体激光器和量子阱半导体激光器激光器；另外，为了提高半导体激光器的输出功率，增大有源区，将其做成列阵式，又可分为单元列阵、一维线列阵、二维面阵等。 2）半导体激光器的工作原理 半导体激光器与其它激光器没有原则区别，只是因工作物质不同，而有其自身的特点。图示给出了GaAs激光器的外形及其管芯结构，在激光器的外壳上有一个输出激光的小窗口，激光器的电极供外接电源用，外壳内是激光器管芯，管芯形状有长方形、台面形、电极条形等多种。它的核心部分是PN结。半导体激光器PN结的两个端面是按晶体的天然晶面剖切开的，称为解理面，这两个表面极为光滑，可以直接用作平行反射镜面，构成激光谐振腔。激光可以从某一侧解理面输出，也可由两侧输出。 半导体材料是一种单晶体，各原子最外层的轨道互相重叠，导致半导体能级不再是分
模块化掺饵光纤宽带光源驱动电路设计 李栋李流超黎志刚 中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西桂林541004 摘要：为了提高模块化宽带光源的稳定性，采用自动温度控制ATC电路和自动功率控制APC 电路驱动泵浦激光器。实验结果表明，光源驱动电路可靠，输出光谱和光功率稳定，达到了预定的技术指标要求。该电路集成度高、体积小，能够满足宽带光源模块化需求。 关键词：掺饵光纤；宽带光源模块；泵浦激光器；驱动；功率控制； 1、引言 掺饵光纤宽带光源是一种相干性低的光源，具有输出功率高、光谱宽、温度稳定性高、使用寿命长等特点。由于这些特点，掺饵光纤宽带光源广泛应用在光通信、光纤传感、光器件测试及光谱分析等领域。随着超高速、大容量光纤通信系统和光传感系统的发展，对宽带光源在功率、带宽、稳定性及体积方面提出了更高的要求。泵浦激光器的驱动电路作为宽带光源的一个组成部分，电路的稳定性将直接影响掺饵光纤宽带光源的光谱输出质量。近年来，高稳定的模块化掺饵光纤宽带光源是一个研究热点。 本文将针对高稳定的模块化掺饵光纤宽带光源中的泵浦激光器的驱动电路展开设计，通过采用高集成度的自动温度控制ATC电路和自动功率控制APC电路，对泵浦激光器进行驱动，实现了光源光谱宽度和功率的高稳定输出。该设计电路具有体积小，稳定性高等特点，对研制模块化宽带光源具有一定指导和参考意义。 2、模块化掺饵光纤宽带光源驱动电路设计 2.1驱动电路总体设计 掺饵光纤宽带光源中，除了激光器的泵浦需要电光转化外，其余均为无源光路，所以泵浦激光器的可靠驱动是整个光路设计稳定的一个不可或缺的保证。模块化掺饵光纤宽带光源驱动电路设计包括：电源电路、泵浦激光器及其保护电路、APC电路、ATC电路。 整个驱动电路采用外置输入+5V(2A)电源供电，内部对输入电压进行滤波和稳压处理，保证电源的稳定性。由于内部驱动电路单元均采用+5V电压系统，所以内部不再需要电压变化处理。 2.2泵浦激光器及其保护电路 掺饵光纤宽带光源中的泵浦激光器采用980nm泵浦激光器，型号为LC96A74P-20R。该激光器模块输出光纤集成了光纤光栅，波长稳定性高。激光器最大输出功率可以到360mW,尾端带有保偏光纤。在激光器模块内部集成有热敏电阻、监控光电管、致冷模块，便于对模块进行自动功率控制和自动温度控制。 在使用中应注意一定不要超出激光器的极限值，同时操作还应注意静电保护，焊接时要断电焊接，保证良好接地。在激光器的驱动端并联滤波电容和反向偏置二极管，可以对激光器形成很好地保护。在电源输入端，增加电容避免电源不稳，对激光器造成冲击。 2.2泵浦激光器APC及泵浦激光器驱动电路设计 要使泵浦激光器输出光具有较强的稳定性，首先要有功率自动控制电路和良好的电流驱动电路。APC控制原理：将驱动电流经过电阻形成电压，将电压信号连接到驱动源的反向端形成反馈，对输出光功率进行很好地控制。另一方面，由于温度、湿度及器件内部老化造成的驱动波动，也可以通过APC电路改变反馈电压，从而稳定驱动激光器的电流，最终稳定光源功率输出。详细设计电路如图1：
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。
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 半导体激光器又称激光二极管[1](LD)。进入八十年代，人们吸收了半导体物理发展的最新成果，采用了量子阱(QW)和应变量子阱(SL-QW)等新颖性结构，引进了折射率调制Bragg发射器以及增强调制Bragg发射器最新技术，同时还发展了MBE、MOCVD及CBE等晶体生长技术新工艺，使得新的外延生长工艺能够精确地控制晶体生长，达到原子层厚度的精度，生长出优质量子阱以及应变量子阱材料。于是，制作出的LD，其阈值电流显著下降，转换效率大幅度提高，输出功率成倍增长，使用寿命也明显加长。 A 小功率LD 用于信息技术领域的小功率LD发展极快。例如用于光纤通信及光交换系统的分布反馈(DFB)和动态单模LD、窄线宽可调谐DFB-LD、用于光盘等信息处理技术领域的可见光波长(如波长为670nm、650nm、630nm的红光到蓝绿光)LD、量子阱面发射激光器以及超短脉冲LD等都得到实质性发展。这些器件的发展特征是：单频窄线宽、高速率、可调谐以及短波长化和光电单片集成化等。 B 高功率LD 1983年，波长800nm的单个LD输出功率已超过100mW，到了1989年，0.1 mm条宽的LD则达到3.7W的连续输出，而1cm线阵LD已达到76W输出，转换效率达39%。1992年，美国人又把指标提高到一个新水平：1cm线阵LD连续波输出功率达121W，转换效率为45%。现在，输出功率为120W、1500W、3kW等诸多高功率LD均已面世。高效率、高功率LD及其列阵的迅速发展也为全固化激光器，亦即半导体激光泵浦(LDP)的固体激光器的迅猛发展提供了强有力的条件。 近年来，为适应EDFA和EDFL等需要，波长980nm的大功率LD也有很大发展。最近配合光纤Bragg光栅作选频滤波，大幅度改善其输出稳定性，泵浦效率也得到有效提高。 【特点及应用范围】半导体二极管激光器是实用中最重要的一类激光器。它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用。 【半导体激光器的发展及应用】半导体物理学的迅速发展及随之而来的晶体管的发明，使科学家们早在50年代就设想发明半导体激光器，60年代早期，很多小组竞相进行这方面的研究。在理论分析方面，以莫斯科列别捷夫物理研究所的尼古拉·巴索夫的工作最为杰出。 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，这引起通用电气研究实验室工程师哈尔（Hall）的极大兴趣，在会后回家的火车上他写
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 -
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
半导体泵浦激光原理 一、实验仪器 1．808nm半导体激光器≤500mW 2．半导体激光器可调电源电流≤0~500mA 3．Nd:YVO4晶体3×3×1mm 4．KTP倍频晶体 2×2×5mm 5．输出镜（前腔片）φ6 R=50mm 6．光功率指示仪 2μW~200mW 6档 二、实验目的及意义 半导体泵浦0.53μm绿光激光器由于其具有波长短，光子能量高，在水中传输距离远和人眼敏感等优点。效率高、寿命长、体积小、可靠性好。近几年在光谱技术、激光医学、信息存储、彩色打印、水下通讯、激光技术等科学研究及国民经济的许多领域中展示出极为重要的应用，成为各国研究的重点。 半导体泵浦0.53μm绿光激光器适用于大学近代物理教学中非线性光学实验。本实验以808nm半导体泵浦Nd:YVO4激光器为研究对象，让学生自己动手，调整激光器光路，在腔中插入KTP晶体产生523nm倍激光，观察倍频现象，测量阀值、相位匹配等基本参数。从而对激光技术有一定了解。 三、实验原理 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，它保持不变，如果一个能量为hν21的光子接近，则它吸收这个光子，处于激发态E2。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E1-E2时才能吸收。 图13-1 光与物质作用的吸收过程 激发态寿命很短，在不受外界影响时，它们会自发返回到基态，并发出光子。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，会从高能态向地能态跃迁，并两个状态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、偏振太和相位完成相同。激光的产生主要依赖受激辐射过程。
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。
半导体泵浦激光器说明书 目的及意义 半导体泵浦0.53μm绿光激光器由于其具有波长短，光子能量高，在水中传输距离远和人眼敏感等优点。效率高、寿命长、体积小、可靠性好。近几年在光谱技术、激光医学、信息存储、彩色打印、水下通讯、激光技术等科学研究及国民经济的许多领域中展示出极为重要的应用, 成为各国研究的重点。 半导体泵浦0.53μm绿光激光器适用于大学近代物理教学中非线性光学实验。本实验以808nm半导体泵浦Nd：YVO4激光器为研究对象，让学生自己动手，调整激光器光路，产生1064nm激光。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。从而对激光原理及倍频等激光技术有一定了解。
一． 激光原理： 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hv21的光子接近，则它吸收这个光子，处于激发态E2。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 hv E 2 1 (a) 2 1 (b) 2 E 1 (c) 光与物质作用的吸收过程 E 2 1 (c) E 2 E 1 (a) 2 1 (b) 光与物质作用的自发辐射过程
光纤打标机和半导体及灯泵浦激光打标机三者 主 要 性 能 比 较 武汉百一机电工程有限公司
光纤激光打标机与灯泵浦激光器性能对比光纤激光打标机设备型号及性能 “武汉百一”的BY-YLP光纤激光打标机在激光打标应用方面具有许多独特的优势。 与传统的固体激光器使用晶体棒作为激光介质不同，光纤激光器的激光介质是很长的掺镱双包层光纤，并被高功率多模激光二极管所泵浦。 BY-YLP系列光纤激光打标机使用特点 1、光束质量极好，适用于精密、精细打标 BY-YLP系列光纤激光打标机光束质量比传统的灯泵浦固体激光打标机好得多，为基模（TEM00）输出，发散角是灯泵浦激光器的1/4。尤其适用于要求高的精密、精细打标。 2、体积小巧、搬运方便、实现便携化 BY-YLP采用光纤传输，由于光纤具有极好的柔绕性，激光器设计得相当小巧灵活、结构紧凑、体积小。其重量和占地面积分别是灯泵浦泵浦激光打标机的1/10和1/4，节省空间，便于搬运。且采用光纤传输决定了其能适应加工地点经常变换的要求，实现产品的便携化。 3、激光输出功率稳定、设备可靠性高 能量波动低于2%，确保激光打标质量的稳定；平均无故障使用时间可达10万小时以上，灯泵浦激光打标机的氪灯的使用寿命在800小时左右。4、效率高、能耗低、节省使用成本 电光转换效率为30%（灯泵浦激光打标机为3%），设备功率仅500－1000W，日均耗电10度，是灯泵浦激光打标机的1/10左右，长期使用可为用户节省大量的能耗支出。 5、自主知识产权的操作软件，操作简便、功能强大 可以标刻矢量式图形、文字、条形码、二维码等，可升级实现在线打标，自动打标日期、班次、批号、序列号，支持PLT、PCX、DXF、BMP等文件格式，直接使用SHX、TTF字库。 激光打标机系统组成
激光器泵浦灯3 杜秀兰 (电子工业部第五十三研究所 锦州 121000) 摘 要 本文详细介绍了两种固体激光器最常用的泵浦灯—脉冲氙灯和连续氪灯的种类、结构、三种封接形式的优缺点与抗冲击性能、发射光谱、效率、寿命等特性,提出了提高泵浦灯效率及寿命的方法。 关键词 激光器泵浦灯 脉冲氙灯 连续氪灯 封接 效率 寿命 1 序言 固体激光器可以用很多方法来泵浦,例如灯的辐射、太阳光的辐射、惰性气体中的击波发光、电子激发发光等等。在这些方法中,要属泵浦灯最为成熟,应用最广。其原因是:第一,制作工艺较为简单,使用方便;第二,适用范围广,能在脉冲或连续状态下工作。脉冲运转的激光器通常采用脉冲氙灯,而连续输出的激光器则采用连续氪灯。本文主要介绍泵浦固体激光器最常用的脉冲氙灯和连续氪灯。 2 种类和结构 脉冲氙灯又叫闪光灯,能在极短的时间内发出强光,象闪电一样一闪而过,是目前除激光器外最亮的光源。脉冲氙灯的管壁厚约1—1.5mm,内径为5—10mm,通常灯内充入200—400mmHg的氙气。脉冲氙灯虽有许多形状和尺寸,但类型只有两种———管形和球形。管形包括螺旋形、环形、U形、π形和直管形。直管形脉冲氙灯基本由玻璃或石英外壳、电极、安装灯头组成,如图1所示。 图1 直管形脉冲氙灯结构 连续氪灯通常用优质石英管制成,管壁的厚度比同尺寸的脉冲氙灯薄一些(为的是减小管壁温度梯度和热应力),一般不超过1mm。小型氪灯充气压为3—4atm,大型氪灯的充气压为2.5-3atm。氪灯的形状一般是直管形。 泵浦灯的灯管可以由在紫外光谱区透过的石英玻璃制成,也可以由掺氧化铈和氧化3 收稿日期:1998-05-18
灯泵浦激光器与半导体泵浦激光器比较 半导体及灯泵浦激光器都是采用ND:YAG（掺钕钇铝石榴石）晶体作为激光产生的材料，它可将808nm的可见光转换为1064nm的不可见的激光，但输出激光的另一个更关键的因素是使晶体棒输出激光的泵浦源，半导体泵浦是利用半导体二极管发出808nm的光波；而灯泵浦是利用氪灯发出的光来泵浦，但氪灯发出的光的光谱较广，只是在808nm处有一个稍大的峰值，其它波长的光最后都变成无用的热量散发掉了。因此半导体泵浦的激光器的转换效率比灯泵浦要高得多得多。优点如下： 一．免维护不需换氪灯 要更换氪灯，尤其是对于金属类打标，所需的能量较大，氪灯的寿命会更受影响半导体二极管的寿命长，其额定的工作时间大于10000小时，而氪灯的寿命只有几百小时（一般在400-600小时左右），所以灯泵浦激光器在工作一段时间后，都需更换氪灯。因此半导体泵浦激光器又称为免维护激光器，意指其工作无耗材，在相当长的时间内不需要维护。我公司为更有效的延长半导体激光器二极管泵浦源的使用寿命，采用了预燃加变频控制技术，即在保证发光管不受电流冲击的前提下，根据工作量和强度，最大幅度地减少通过发光二极管的电流密度，从而有效的延长了半导体二极管的使用寿命。根据不同用户的不同的生产任务，半导体激光器发光二极管的使用寿命可以保证在一年到三年之间。每台半导体泵浦打标机可节省换灯耗材费用为：大于12支灯/年*350元/支*3年=1.26万元。 灯泵浦激光打标机需常停机换氪灯,对于很多大的生产线是难以容忍的.由于氪灯的寿命不一，这样又有可能因为国产灯质量的不均衡造成氪灯使用上的更多的浪废！所以改用半导体打标机可以大大节省停工维护造成的人力和物力的损失。 二．省电 由于半导体泵浦的转换效率高，模式好，更易聚焦出高能量的更小面积的光点，标记同样的物体时，其所需的外部能量越小。同时其产生的废热也大大小于灯泵浦激光器，决定了其不需要灯泵浦激光器那样庞大的冷却系统。所以半导体泵浦的激光器系统的功耗比灯泵浦小得多。一个50W的灯泵浦激光标记机的功耗在6KW左右，而一个50W半导体激光标记机的功耗只在2KW左右，以三年为例，一天工作24小时，一个月工作28天，一度工业用电1.1元人民币，光耗电一项，一台半导体激光器就比一台灯泵浦激光器节省（6-2）KW*24小时*28天*12月*3年*1.1/度=10.645万元人民币！
半导体泵浦固体激光器综合实验 实验讲义 大恒新纪元科技股份有限公司 版权所有不得翻印 半导体泵浦固体激光器综合实验
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 a)掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法； b)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； c)了解固体激光器倍频的基本原理。 三、实验原理与装置 d)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。 e)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。 f)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： g)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。 h)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。 i)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。
半导体激光器调研报告 班级：电科 姓名：XXX 学号：20120xxx
半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器。由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。常用工作物质有砷化镓（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在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。 半导体二极管激光器是最实用最重要的一类激光器。它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用。 仪器简介： 半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生激光的器件。.其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式，光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器，一般是由砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。光泵式半导体激光器，一般用N型或P 型半导体单晶（如GaAS,InAs,InSb等）做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。在半导体激光器件中，性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。 工作原理： 根据固体的能带理论，半导体材料中电子的能级形成能带。高能量的为导带，低能量的为价带，两带被禁带分开。引入半导体的非平衡电子-空穴对复合时，把释放的能量以发光形式辐射出去，这就是载流子的复合发光。 一般所用的半导体材料有两大类，直接带隙材料和间接带隙材料，其中直接带隙半导体材料如GaAs（砷化镓）比间接带隙半导体材料如Si有高得多的辐射跃迁几率，发光效率也高得多。 半导体复合发光达到受激发射（即产生激光）的必要条件是：①粒子数反转分布分别从P型侧和n型侧注入到有源区的载流子密度十分高时，占据导带电子态的电子数超过占据价带电子态的电子数，就形成了粒子数反转分布。②光的谐振腔在半导体激光器中，谐振腔由其两端的镜面组成，称为法布里一珀罗腔。③高增益用以补偿光损耗。谐振腔的光损耗主要是从反射面向外发射的损耗和介质的光吸收。 半导体激光器是依靠注入载流子工作的，发射激光必须具备三个基本条件： （1）要产生足够的粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数； （2）有一个合适的谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡；