首页 > 论文范文 > 自然科学论文 > 物理学论文 > 光学论文 > 有关LD泵浦Nd:YVO4固体激光器测数测量实验研究

有关LD泵浦Nd:YVO4固体激光器测数测量实验研究

2020-02-27 315 上传者：管理员

摘要：光路的准直调节是LD泵浦Nd:YVO4固体激光器性能参数测量实验的核心和障碍。文中选用逐步调节参照方法，其作为一种全新的光路调节方法较传统光路调节方法操作难度更小，且实现光路准直更便利，使光学倍频现象的观察更方便。

关键词：
LD泵浦Nd:YVO4固体激光器
光学倍频
光路调节
实验研究
加入收藏

自1985年国际上首次报道了LD泵浦Nd:YVO4固体激光器以来，LD泵浦Nd:YVO4固体激光器已广泛应用于光谱、光学储存、相干通信、彩色显示、激光雷达、光学测量、引力波探测、医疗、二次谐波产生、参量振荡及压缩态光场产生等多种领域[1-3]。另外，LD泵浦Nd:YVO4固体激光器实验已成为高校光电专业必修的一个经典实验。通过实验，学生不但可以深刻理解LD泵浦Nd:YVO4固体激光器的工作原理，同时可以掌握复杂光路的准直调整方法，以及倍频激光器性能参数的测量方法。但自该实验在高校光电信息科学与工程专业开设以来，学生普遍反映其光路准直调节方法难度大，倍频光现象难以观察到。因此，实验失败率高，实验教学效果较差。传统的光路调节方法是将参考光源的高度调节与俯仰调节一并进行，而且没有考虑到倍频晶体与激光晶体的中心高度可能并不一致，对此只进行晶体架的俯仰调节。经过多次实验摸索，我们提出了逐步调节参照的方法，对传统光路调整方法做了改进。此调节方法不仅简单且易操作，而且大大提高了实验成功的概率。

1、实验装置及原理

图1为LD泵浦Nd:YVO4固体激光器原理图，主要包括:1.泵浦光源(808nm近红外光)；2.会聚物镜:3.激光晶体(利用Nd:YVO4晶体得到1064nm近红外激光)；4.倍频晶体(利用KTP晶体进行腔内倍频得到532nm绿激光)；5.输出物镜；6.He-Ne激光器。图1倍频激光器原理图泵浦源采用纵向泵浦方式，半导体激光器发出的红色矩形光斑经会聚物镜耦合到激光晶体上，在泵浦光的作用下，Nd:YVO4晶体内部粒子通过受激辐射产生大量的1064nm的光子，经采用Ⅱ类相位匹配的KTP晶体的非线性作用转换成532nm的光子。当固体激光器谐振腔内满足激光产生的阈值条件后，绿光形成自激振荡连续输出[4-7]。根据激光产生原理，要提高绿光输出成功率要解决以下问题:1.如何调整参考光源沿固体激光器的腔轴水平，且保持泵浦源、会聚物镜、激光晶体、倍频晶体和输出镜的中心在同一高度；2.如何使会聚物镜最大程度耦合泵浦光。

2、光路调试技巧

2.1 参考光源的水平校准

本实验采用He-Ne激光器作为参考光源。参考光源的目的是使所有光学器件同光轴。首先将He-Ne激光器(记所在位置为O点，如图2所示)固定在一个高度，此时暂不用调节激光器的高度。然后，在He-Ne激光器出光口附近处放一小孔光屏，调节小孔光屏高度，使激光束完全通过小孔(记小孔光屏所在的位置为A点)；再将小孔光屏移到在与OA所成直线同轴的B点，OB长度要尽可能的大，观察He-Ne激光器出射的激光束是否可以完全通过小孔中心。如果小孔光屏在B点时，He-Ne激光器发射的激光束未完全通过小孔，只需调节He-Ne激光器光源的俯仰调节旋钮及小孔光屏的高度，直到激光束完全通过小孔即可(注意，此时不需要调节激光器的高度)。只需反复在A，B两点重复上述操作，直至激光俯仰校准至较理想状态，即无论小孔光屏位于近处(A点)还是远处(B点)，激光束都可以穿过其中心即可。

图2参考光源调节示意图

2.2 调节激光晶体和倍频晶体

He-Ne激光器的俯仰校准完成后，激光束已严格平行于工作台面，此后严禁再调节激光器俯仰旋钮。在调节光学导轨上构成谐振腔的各器件平面与He-Ne激光器激光束严格垂直之前，必须先调节各器件的中心，使其处于同一高度。下面先进行激光晶体和倍频晶体的调节，见图3。

图3调节激光晶体和倍频晶体的中心调节示意图

首先将激光晶体置于光学导轨上靠近He-Ne激光器一端。以激光晶体中心的高度作为谐振腔的中心高度，调节He-Ne激光器的高度，使激光束穿过晶体中心。完成上述步骤后，固定He-Ne激光器位置不动。然后，移去激光晶体，换上倍频晶体，调节倍频晶体支架上的上下、左右螺丝，使激光束严格穿过其中心(注意并不需调节晶体架的二维调节旋钮，螺丝的作用是调整晶体中心位置，二维调节旋钮的作用是在确定好晶体中心位置后调节使之垂直于光轴)。至此，两块晶体的中心高度已完全一致。2.3激光束光路同轴准直将倍频晶体和激光晶体分别固定在光学导轨的两端，其中倍频晶体靠近激光器一端，激光晶体靠近泵浦激光器一端(如图4所示)。现在只需让He-Ne激光器激光束同时穿过两块晶体的中心，就可以同时使激光束的高度和左右完成校准。此时，激光束不仅平行于工作台面，而且与两块晶体中心连线同轴。

图4光路同轴准直示意图

∗特别注意∗:此步骤的前提是光学导轨与工作台面严格平行。若发现，无论如何反复调节，依然未能使激光束同时穿过两块晶体的中心，说明光学导轨与工作台面并不平行。此时，若以准直光源为标准，则需调节光学导轨远离激光器一端底部旋钮；若以光学导轨为标准，则需同时调节激光器的高度和俯仰调节旋钮。

2.4 固体激光器谐振腔的光路同轴准直

在完成激光束光路同轴准直后，接下来进行固体激光器谐振腔的光路同轴准直。在He-Ne激光器与光学导轨之间放置一块带十字划线的小孔光屏，调节光屏以使激光束穿过小孔中心。此时，小孔光屏靠近光学导轨一面上有倍频晶体反射回来的光斑(如图5a所示)，调节倍频晶体的二维调节旋钮，使光斑与小孔光屏上的十字叉线中心重合。倍频晶体上(面对激光晶体一侧)同样会出现一个红色光斑(如图5b所示)，调节激光晶体架上的二维调节旋钮，直到红色光斑会聚到倍频晶体的中心。此时，He-Ne激光器出射的激光束传输路径即为腔轴的位置，前后移动两块晶体，反复调节使激光束穿过两块晶体的中心。

图5小孔光屏和晶体上的光斑调节示意图

2.5 泵浦光源调节

完成上述步骤后，倍频晶体和激光晶体的反射(或透射)表面已经垂直于腔轴。所以在进行泵浦光沿腔轴准直时，可以选择倍频晶体或激光晶体作为参考。先移除导轨上的所有晶体，在光学导轨远离激光器一端固定泵浦光源，调节泵浦光源架上的上下、左右固定螺丝，使He-Ne激光束尽量穿过其中心。打开泵浦光源驱动开关，将电流调到0.5mA左右，泵浦光源发出矩形红色激光。通过泵浦光源的二维调节旋钮，调节矩形光斑在小孔光屏的位置，使其中心与小孔光屏的十字叉线中心重合。之后，将激光晶体固定在靠近泵浦光源一侧，微调泵浦光源架二维调节旋钮，确保矩形光束的中心位置仍然通过激光晶体中心(如图6所示)。反复若干次，直到激光晶体在近处和远处时，矩形光束的中心位置都可以通过激光晶体中心，即调节完成。若多次调节仍无法通过激光晶体中心，说明泵浦光源上下及左右位置仍未校准，需重新校准泵浦光源。

图6晶体上红色矩形光斑示意图

2.6 会聚物镜的调整

暂时拿掉激光晶体，将会聚物镜放入光路，并尽量靠近泵浦源，调节物镜的上下、左右移动旋钮及二维调节旋钮，使小孔光屏面向光学导轨一侧出现衍射环，且衍射环的中心与屏中心重合。当屏上只出现一组衍射环时(如图7a所示)，会聚物镜的光轴同腔轴已严格重合，固定汇聚物镜。当屏上出现多组衍射环时(如图7b所示)，会聚物镜的光轴未与腔轴重合，此时应重复此步骤直至屏上只出现一组衍射环。

图7小孔光屏上的衍射环示意图

2.7 激光晶体的调整

将激光晶体放在会聚物镜前，微调泵浦源上的二维调节旋钮，使泵浦光通过会聚物镜后的矩形光斑中心通过激光晶体中心。然后，将激光晶体缓慢移向会聚物镜，直到晶体中心出现聚焦亮点，固定激光晶体。此后，再微调激光晶体架的二维调节旋钮，使反射的光斑与小孔光屏上的十字叉线中心重合。

2.8 倍频晶体的调整

将倍频晶体贴近激光晶体放置，微调倍频晶体上的二维调节旋钮，使其反射光斑与小孔光屏上的十字叉线中心重合。

2.9 输出物镜的调整

将激光腔输出物镜靠近倍频晶体放置，微调输出物镜的二维调节旋钮，使其在小孔光屏上的反射的光斑与十字叉线中心重合。

2.10 光学倍频现象的观察

关闭He-Ne激光器，将泵浦光源功率调至最大。若上述步骤都已调节好，只要功率稍微增大即可观察到倍频光(绿光，如图8所示)。

图8实际调试出光效果图

微调输出物镜二维调节旋钮，即可将输出光强调到最大。若观察不到倍频绿光，微调输出物镜二维调节旋钮，直至倍频光出现。

3、结束语