基于外腔面发射激光器的激光原理与技术实验研究

盖 磊

(中国海洋大学 物理与光电工程学院，山东 青岛 266100)

外腔面发射激光器综合了固体薄片激光器和垂直腔面发射激光器的优点，能同时获得高功率和高光束质量，且波长可以根据实际应用的需要进行设计，是近年来兴起的新型激光器件，在激光显示、激光光谱学、自由空间通信、非线性频率变换等科学研究、生产生活及国防军事领域都具有十分重要的应用.基于激光原理与技术在大学物理专业课程体系中的重要性，结合科技前沿的外腔面发射激光器，本文将其引入到实验教学中，对通过实验方法和技术验证理论知识有着重要的意义[1].

1 实验仪器

1.1 外腔面发射激光器

外腔面发射激光器的结构如图1所示.泵浦源采用光学激励，使用光纤耦合输出的半导体激光器为泵浦光源，泵浦光经过准直聚焦系统，以一定角度入射到半导体增益芯片上.增益芯片主要由前端的多量子阱(MQWs)有源区和后端高反射率的分布布拉格反射镜(DBR)组成，其中DBR在激光器中作为谐振腔的一个后端镜.耦合输出镜与DBR一起构成谐振腔，在激光器中起到调节稳定光腔和选模的作用.高热导率的热沉键合在半导体增益芯片最后端，为激光器提供散热[2-4].

图1 外腔面发射激光器结构图

1.2 实验仪器组成

实验仪器的主体组成部分如图2所示，主要由以下几个部分组成：① 泵浦源：为增益介质中工作物质的粒子提供可被吸收的能量，采用808 nm的光纤耦合输出的半导体激光器.② 准直聚焦系统：由两个消色差透镜构成，通过1:1耦合，安装于准直聚焦套筒之内，将光纤端面成像在增益芯片前端面.③ 增益芯片：底部是DBR，其前端面对泵浦波长镀减反膜，中间部分的多量子阱有源区为激光提供增益.④ 倍频晶体：采用非线性晶体LBO，用于倍频效应.⑤ 耦合输出镜：与DBR一起构成激光谐振腔，为受激辐射提供正反馈，将受激辐射进行放大，同时对激光频率进行选择，对其方向进行限制，并将部分激光耦合输出.⑥ 功率计：测量激光的输出功率，探头为热电探头.⑦ 光谱仪：测量输出激光的波长，实验中采用光纤耦合输入.⑧ 法布里-珀罗标准具：熔石英材质，波长调谐用标准具能把不同频率成分的光分开(实验中替换④的位置).

图2 实验仪器的主体组成

2 实验内容

2.1 激光基本原理实验

实验目的是让学生理解激光产生的基本原理，了解外腔面发射激光器的工作原理；学会激光器的调节方法，并领会光学谐振腔调节的要点；观察光泵浦激光产生的过程及各种横模模式；了解激光器的主要性能指标，并通过实验进行计算.

2.1.1 激光器谐振腔的设计

要使激光器的效率最佳，即充分利用激光光斑以扩大有源区内的激光模式体积，以及充分利用泵浦光以最大限度地减少能量浪费，就要求增益芯片上的泵浦光斑略比激光光斑大一些，此条件称为激光器的模式匹配.

λ为激光波长，L为谐振腔长度，R为输出镜的曲率半径，则增益芯片上激光光斑直径为

(1)

实验所用的泵浦准直聚焦系统使泵浦光斑在增益芯片上的直径为200 μm左右.利用公式(1)，可计算出使用不同曲率半径的输出镜时，满足激光模式匹配的谐振腔长度.图3为增益芯片上光斑直径与谐振腔长度的关系，标出的点为模式匹配点.

图3 增益芯片光斑直径与谐振腔长度关系图

2.1.2 激光器性能参数的测量与计算

在实验中完成谐振腔的搭建、准直与调试后，缓慢增加泵浦光功率，当达到激光器的泵浦阈值时，可产生激光输出，使用光谱仪测量激光波长和光谱线宽，如图4所示，即谱线的半高全宽度.

图4 激光光谱图

分别在同一透过率、不同曲率半径的输出镜和同一曲率半径、不同透过率的输出镜，在模式匹配的情况下，实际测量两种条件所构成的谐振腔中激光器的输出功率与泵浦功率的关系，得到激光器功率曲线.

图5 不同曲率半径输出镜的功率曲线

图6 不同透过率输出镜的功率曲线

2.1.3 激光横模的观察

光强在与轴向垂直的横截面内的稳定分布称为激光的横模，一般用TEMmn表示，TEM是电磁横波的缩写.在轴对称横模中，m、n分别表示光束横截面内在x方向和y方向出现的节点数.

谐振腔的反射镜主光轴与激活介质的轴线重合时，谐振腔满足对准条件，沿光轴具备旋转对称性，激光输出基横模.如果上述旋转对称性被破坏，激光将输出高阶横模.因此，在实验过程中，通过微调谐振腔镜的偏转、俯仰、x方向及y方向的位置，使激光器处于多横模工作状态，学生可直观的观察到激光器的不同横模模式，记录如表1所示.此时也可比较单模与多模条件下输出功率的大小.

2.1.4 激光器效率计算

实验中，学生可通过对激光器内量子效率、外量子效率(微分量子效率/斜效率)、光-光转换效率和电-光转换效率的计算，从不同角度了解激光器的性能并分析.计算所需实验数据(曲率半径100 mm，透过率0.3%)如表2所示，计算的激光器效率分别为：

表1 激光器不同横模及其光强分布图样

内量子效率：

(2)

外量子效率：

(3)

光-光转换效率：

(4)

电-光转换效率：

(5)

表2 激光器效率计算实验数据

2.2 激光频率变换技术实验

实验目的为理解激光非线性频率变换的基本原理；掌握相位匹配的概念及方式，了解影响倍频转换效率的主要因素；掌握腔内倍频调节的要点，了解倍频技术的优势及应用.

实验过程中在已经完成调试运行的基频激光器腔内插入倍频晶体LBO，用一面镀膜高反基频激光(HR@980 nm&AR@490 nm，980 nm反射率>99.9%)，一面镀膜增透倍频激光(AR@490 nm镀膜，490 nm透过率>95%)的耦合输出镜，实现倍频输出[5,6].

倍频产生的蓝光激光光谱输出，学生可用光谱仪测得，从而得到在980 nm和490 nm附近的基频光和倍频激光光谱，并可测出基频激光和倍频激光的光谱线宽.

倍频转化效率的理论值为

(6)

其中，ω为基频光频率，d为有效非线性系数，L为非线性晶体长度，Pω为基频光功率，nω和n2ω分别为基频光和倍频光的折射率，c为真空中光速，ε0为真空中介电常量，A为基频光束的横截面积.LBO是负双轴晶体，其相位匹配角的计算可通过实验提供的专业软件，计算基频激光波长为980 nm时，选用LBO的I类相位匹配.

从公式可以看出，满足相位匹配条件时，在晶体长度一定范围内，倍频转换效率η与晶体长度L2成正比(通过更换倍频晶体实现)；与基频光功率Pω成正比(通过改变泵浦光功率大小实现)；与基频光斑面积A大小成反比(通过改变晶体在谐振腔中的位置实现).

实验中，学生可通过逐渐改变泵浦光功率的大小，依次测量倍频激光的输出功率，作出如图7的基频激光输出功率曲线和倍频激光输出功率曲线，并计算出倍频激光器的倍频转换效率.具体实验过程中还可改变耦合输出镜的曲率半径、倍频晶体的尺寸和位置，重复基频激光和倍频激光的输出功率测量，从而作出不同曲率半径输出镜时输出功率曲线，进而比较分析实验结果.

图7 倍频激光器的输出功率曲线

2.3 激光波长调谐技术实验

实验目的为理解激光谱线加宽的基本概念；掌握多光束干涉相关知识内容及标准具的工作原理；了解激光波长调谐的原理和方式；学会标准具在调谐中的具体使用方法.

激光器的调试运行选用一面镀膜高反基频激光(HR@980 nm，AR@490 nm，980 nm反射率>99.9%)，一面镀膜增透调谐激光(AR@490 nm镀膜)耦合输出镜，设计、搭建、调节获得激光输出.

学生插入标准具后，通过对标准具进行俯仰及偏转角度调节，当标准具垂直于谐振腔光轴时，即可在原来已经振荡出光的谐振腔中重新获得激光输出.

实验中保持标准具的俯仰不变，微调标准具的偏转角度，即可改变激光入射到标准具表面的入射角，从而改变标准具的透射峰值波长，对激光器的振荡波长进行一定程度的调谐.图8为激光器的调谐曲线.

图8 可调谐激光器的输出波长

3 教学实践

在实际实验教学过程中，将本实验项目归入大学物理综合设计实验的提高层次中，通过专题式实验模式，供相关专业的同学在完成与之关联的基本和进阶层次后选做，实验采取2人小组协作的方式，要求学生最终以实验论文的形式完成实验，取得了良好的实验教学效果.

实验综合了激光原理与技术的主要内容，将物理学中的经典理论知识转化为实验教学内容，将书本上根据概念定律推导出的公式，用实验的方法来加以测量和验证.一方面巩固了学生对理论知识的理解和认识，另一方面也提供给学生实践动手的平台，实现理论联系实践，相互印证，彼此促进的目的.实验仪器涉及的实验内容需要学生应用多种方法和技术来完成实验，体现了实验项目的综合性.

实验仪器采用“积木式”搭建，有利于学生动手实践训练.实验内容给出了实验目标，提供了相关实验配件，外腔结构可以方便地在激光腔内插入相应的光学元件，学生需要自己设计实验方案，自主搭建并配置实验器材，最终独立完成实验全过程.这种方式能够调动学生的实验积极性，达到开拓学生思维，拓展课程深度，提高课程教学质量的目的.

4 结束语

外腔面发射激光器是处于当前科研前沿的新型激光器件.通过该实验可以完成激光基本原理实验、频率变化技术实验和波长调谐技术实验3个实验大项，共13个实验分项的实验内容.学生可以接触到最新的激光技术和科研成果，为将来的学习和科研打下基础.