跨领域新材料在激光原理实验教学中的应用研究

针对激光原理中的光学谐振腔实验,提出一种跨领域的新材料替换传统平面镜的实验教学方案。将人们日常生活中经常接触到的交通领域的棱镜型反光膜用于实验过程中,一方面可以调动学生的兴趣,提高学生的创新意识;另一方面,该材料的超强反光效果和逆反射性能,有效克服了平面镜谐振腔调试难度大,消耗时间长的缺点。通过与平面镜谐振腔的调试过程和实验结果做对比,培养学生的学科交叉能力,同时也能够很大程度上提高激光原理实验教学的效率和质量。

LD泵浦Nd∶YVO_4/KTP/BBO紫外激光器

本文报道在国内首次实现的ＬＤ泵浦的四倍频连续紫外激光器的实验结果．首先研究了ＬＤ泵浦的Ｎｄ∶ＹＶＯ４激光器，在普通平－平腔结构下，得到斜效率５５．６８％，激光输出波长１０６４ｎｍ；利用ＫＴＰ作为倍频晶体，实现腔内倍频，在泵浦功率１１．８５Ｗ时得到绿光（５３２ｎｍ）输出１．３５Ｗ，光－光转换效率１１％；用ＢＢＯ晶体进行外腔谐振倍频。

单谐振腔外部Q值的计算方法

通过对带有耦合器的单驻波腔进行等效电路分析,推导出可计算带有耦合波导的单谐振腔外部Q值的反射相位法,该方法通过计算不同频率的反射相位来确定谐振频率和外部Q值。详细叙述了在CSTMicrowave Studio中用谐振模式求解法、直接时域跟踪法和反射相位法进行计算的步骤;用这3种方法分别计算了二次发射微波电子枪的外部Q值并和实验测量结果做了比较。结果显示3种计算方法都有很高的精度,但反射相位法的速度最快,耗时1 071 s。计算发现外部Q值与耦合口长度的4.1次方成反比。

外腔半导体激光器在谐振式光学陀螺中的应用研究

陀螺是一种高精度的惯性传感器件,作为第二代陀螺的谐振式光纤陀螺,在理论上精度高于第一代干涉型光学陀螺。但是谐振式光学陀螺对光源有一个苛刻的要求,需要光源的调谐范围要宽,线宽要窄。一般达到要求的光源体积都很大,不利于谐振陀螺的小型化和成品化。基于谐振式陀螺的检测原理,提出了一种基于外腔半导体激光器的谐振陀螺控制方案,对光源的调制信号进行了分析,提出了温度恒定,控制电流的控制方案。并对外腔激光器电流特性和谐振陀螺入谷信号进行了分析。

垂直外腔面发射激光器的模拟分析

垂直外腔面发射激光器芯片的生长工艺要求精确到nm量级,制作成本高,有必要用软件对设计好的VECSEL芯片进行仿真,实现优化。通过PICS3D软件对已经设计好的一个底发射的VECSEL芯片结构进行仿真,获得了量子阱有源区的带隙结构、材料增益曲线及子腔谐振谱线等特性。结果表明,InGaAs/GaAsP/AlGaAs材料体系能够有效地吸收808 nm的泵浦光,产生足够多的光生载流子(电子—空穴对),这些载流子能轻易地渡越应变补偿层,被量子阱俘获,产生复合发光。其发光带隙1.25 eV,相应波长992 nm,接近设计波长980 nm。InGaAs的材料增益峰值波长正好在980 nm处,增益系数高达4 000 cm-1。InGaAs/GaAsP/AlGaAs量子阱的谐振峰值波长为983 nm,与980nm的分布布拉格反射镜(DBR)的反射中心波长非常接近,其峰值功率高达23 dB,理论上能够获得较大的输出功率。

外腔共振和频系统中阻抗匹配的理论研究

外腔共振是提高和频效率的有效方法.实现外腔共振高效和频需要基频光高效地耦合到外部谐振腔中,因此系统要达到阻抗匹配.本文分别建立了双波长和单波长外腔共振和频系统的理论模型,分析了腔增强因子与耦合腔镜反射率、入射基频光功率等参数的依赖关系,通过数值模拟获得最优化的共振光耦合腔镜反射率,使系统达到阻抗匹配,提高和频效率.研究表明,无论双波长还是单波长外腔共振和频系统,共振基频光的最佳耦合腔镜反射率只会随着另一束共振或者不共振的基频光入射功率的增加而减小,而其本身的入射功率变化则影响较小;进一步分析表明,若共振基频光的耦合腔镜反射率超过阻抗匹配值,和频光功率将会迅速减小,而小于阻抗匹配值时,和频光功率减少速度相对较慢,因此实验过程中要尽量避免过耦合的情况出现.本文的理论分析过程将对外腔和频实验有一定的指导意义.

光泵浦半导体垂直外腔面发射激光器的原理与应用

光泵浦半导体垂直外腔面发射激光器(OPS-VECSEL)是二极管泵浦的多量子阱增益介质半导体激光器。近年来,光泵浦垂直外腔面发射激光器作为半导体能带工程的新成果,在理论和实验方面均取得了令人触目的进展。该器件具有较高的输出功率、卓越的光束质量和紧凑的结构。薄片式的激活介质避免了棒状介质的热透镜效应,周期性共振增益(PRG)结构提高了多量子阱内的受激辐射截面,分布布拉格反射器(DBR)减少了谐振腔的损耗。相对于晶体棒作激活介质的固体激光器来说,这种新型激光器可以通过半导体能带工程提供更加广泛的波长选择范围。它克服了电泵浦边发射和电泵浦面发射半导体激光器的限制,可以提供近衍射极限的基模或TEM01模的圆形光斑。

光源振动实现激光自混合干涉外腔调制

从外腔长度高频调制的自混合干涉信号解调出外腔反射面低频振动信号的波形。为了实现外腔长度相对外腔反射面振动的高频调制,提出一个激光源振动方案,将激光二极管模块安装在长约23 mm,直径约13 mm的电磁激励振子上,用正弦信号激励电磁振子驱动激光源做振幅约四分之一波长,频率约7 kHz的正弦振动。采用傅里叶变换相位解包裹方法和数字信号处理从自混合干涉信号中解调出正弦波、三角波和方波激励外腔反射面振动的信号波形,最小可分辨振幅约0.02波长的振动波形。正弦振动的激光源的光束强度或偏振方向不随调制信号变化,优于外腔中插入相位调制器件的方法。实验测量表明,激光源正弦振动可以实现激光自混合干涉的外腔调制。

双端输出外腔谐振倍频的运转特性研究

准相位匹配晶体外腔谐振倍频是获得高效率短波长激光稳定输出的技术之一。为消除高功率激光抽运时非线性级联过程的影响、提高倍频激光的输出功率,本文设计了一种双端输出倍频谐振腔。首先在实验上比较了双端和单端输出谐振倍频过程的倍频效率和输出功率;并在理论上分析了双端腔型下基频光与倍频光相对相位的变化对于倍频输出光功率的影响,通过控制相对相位可以获得高的倍频光输出功率。实验结果与理论分析基本吻合。

新型电调谐傅立叶变换外腔激光器研究

介绍了一种新型的带有液晶或微反射镜阵列的傅立叶变换外腔结构 ,这种腔结构可以广泛应用于半导体激光器和高功率掺稀土离子的双包层光纤激光器。用它不仅可以实现扩展增益 ,快速、高精度、重复性好的宽范围调谐 ,可变波长间隔的多波长激光运转 ,而且还可以在外腔中插入周期极化晶体实现腔内倍频。

1967~2033 nm波段硅基可调谐外腔半导体激光器设计与仿真

2μm波长附近可调谐半导体激光器在分子光谱学和光通信领域中有广阔的应用前景。基于绝缘体上硅(SOI)平台,对2μm波长附近可调谐半导体激光器的外腔部分进行了设计优化。分析了不同尺寸光波导的模式损耗特性、单个微环谐振腔受总线波导耦合间距的作用以及总线波导光反馈终端对外腔半导体激光器性能的影响。并提出了一种具有高工艺兼容度的多模环形光波导光反馈结构。所设计的可调谐半导体激光器硅基外腔可通过环形波导上的镍铬合金微加热器进行0.1 nm/K的高精度调谐,对单个微加热器施加3.2 V电压时,调谐范围可达66 nm(1967~2033 nm)。

基于KTP键合晶体的Hansch-Couillaud双波长外腔频率锁定机理

基于KTP键合晶体采用Hansch-Couillaud频率锁定技术实现了双波长外腔同时共振,理论和实验上分别研究了基于键合KTP晶体的HC频率锁定方案.研究表明,与采用单KTP晶体的结果相比,采用键合KTP晶体进行HC锁频时,能将激光频率分别锁定到e1光或e2光的共振峰值.实验中将环形腔腔模频率锁定到938nm激光器的输出频率上,1583nm激光器的输出频率锁定到环形腔腔模频率上,从而实现了三者之间的相位关联锁定.

基于MgO∶PPLN晶体的1560 nm激光外腔谐振倍频器

报道了一台基于掺氧化镁周期极化铌酸锂(MgO∶PPLN)晶体的1560nm激光外腔谐振倍频器。理论分析了MgO∶PPLN晶体的极化周期容差、吸收损耗以及热透镜效应导致的倍频腔模式匹配效率变化对外腔谐振倍频效率的影响,实验搭建了由国产的MgO∶PPLN晶体和反射腔镜构成的外腔谐振倍频腔,实验研究了不同长度的MgO∶PPLN晶体对外腔谐振倍频效率的影响,并设计出小型化外腔谐振倍频器。利用长度为10mm的MgO∶PPLN倍频晶体,控制MgO∶PPLN晶体的温度为53.45℃,注入功率为1.7W的1560nm基频光,此时最佳谐振倍频效率达84.1%,倍频激光在3h内的输出功率稳定性优于±0.17%。所研制的小型化稳定输出780nm激光的外腔谐振倍频器可用于1560nm非经典光场的制备和基于铷原子的量子存储研究。