基于半导体泵浦激光器的光学二倍频研究目的和意义

半导体泵浦532nm 绿光激光器由于具有波长短，光子能量高，体积小，效率高，可靠性高，寿命长，在水中传输距离远和对人眼敏感等优点，近几年在光谱技术，激光医学，信息存储，彩色打印，水下通讯等领域展示出极为重要的作用，从而成为各国研究的热点。 半导体泵浦532nm 绿光激光器适用于大学近代物理教学中的非线性光学实验。本实验以808nm 半导体激光泵浦Nd 3+: YVO 4激光器为研究对象，在激光腔内插入倍频晶体KTP ，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。

一、实验目的

1、 掌握光路调整基本方法，观察横模，测量输出红外光与泵浦能量的关系，斜效率和阈值；

2、 测量半导体激光器注入电流和功率输出的变化关系，了解激光原理及倍频等激光技术。

二、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。爱因斯坦从辐射与原子的相互作用的量子论观点出发提出：在平衡条件下，这种相互作用过程有三种，也就是受激吸收，受激辐射和自发辐射。

假定一个原子，其基态能量为E 1，第一激发态的能量为E 2，如图1所示。如果原子开始处于基态，在没有外界光子入射时，原子的能级状态将保持不变。如果有一个能量为2121hv E E =-的光子入射，则原子就会吸收这个光子而跃迁到第一激发态。原子的跃迁必须符合跃迁选择定则，也就是入射光子的能量21hv 等原子的能级间隔21E E -时才能被吸收（为叙述的简单起见，这里假定自发辐射是单色的）。

激发态的寿命很短，在不受外界影响时，它们会自发地返回到基态并发射出光子。自发辐射与外界作用无关，由于原子的辐射都是自发地，独立地进行的，所以不同原子发射的光子的发射方向和初相位都是随机的，各不相同的，如图2所示。

如果有一个能量为2121hv E E =-的光子入射，则原子就会在这个光子的激励下产生新的光子，即引起受激辐射，如图3所示，受激辐射发射的光子与外来光子的频率、发射方向、偏振态和初相位完全相同。激光就是受激辐射过程产生的。

量子阱（QW），是与电子的德布罗意波长可比的微观尺度上的势阱，是由两种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。量子阱是一种二维材料，在量子力学发展早期，量子阱概念即被提出，其相关技术与应用研究持续深入，量子阱激光器是量子阱的代表性应用领域。 　

　受量子阱宽度、阱壁限制，在量子阱中，载流子仅能够在与阱壁平行的二维平面内自由运动，不能向垂直方向运动。与三维材料相比，量子阱中的电子态、声子态、元激发、相互作用等均存在较大差别。根据新思界产业研究中心发布的 《2022-2026年量子阱行业深度市场调研及投资策略建议报告》 显示，受以上因素影响，应用在半导体材料领域，量子阱会呈现出独特的电学、光学性能，并可以通过改变材料组分、掺杂成分、材料结构、薄层厚度等对量子阱的特性进行调控。

半导体激光器体积小、可靠性高，具有可调制电流、可输出高速激光的特点，并且可与集成电路兼容，是一种重要的激光器类型，预计2020-2025年，全球半导体激光器市场规模将以9.6%左右的年均复合增速快速增长。量子阱激光器是半导体激光器的一种，量子阱一般应用在激光二极管的有源区，窄带隙有源区夹在宽带隙半导体材料中间，或者与之交替重叠，当载流子被限制在有源层内时，即形成量子阱。

根据新思界产业研究中心发布的 《2022-2026年量子阱激光器行业深度市场调研及投资策略建议报告》 显示，量子阱激光器具有频率小、阈值电流低、谱线宽度窄、输出功率高、调制速度快、温度适应范围宽等特点，是半导体激光器中的主流产品之一。量子阱激光器主要包括量子线激光器、量子点激光器两大类。相较来说，受量子点独特性能的影响，量子点激光器在阈值电流、温度适应性、增益效果等方面更具优势，未来应用前景更为广阔。 　

　量子阱激光器在激光加工、激光医疗、检验检测、环保等领域应用广泛，研发价值大。2019年，中国科学院半导体研究所团队突破了刻蚀与钝化等核心工艺，研制出新型锑化物半导体量子阱激光器，其单管和巴条组件分别实现1.62瓦和16瓦的室温连续输出功率，综合性能达到国际一流水平。

新思界 行业分析 人士表示，量子阱是一种二维材料，在传统半导体材料性能开发接近物理极限的情况下，拥有独特性能的二维材料开发与应用受到关注，量子阱市场空间正在快速增长。现阶段，半导体激光器是量子阱的主要应用市场，量子阱概念是随着量子力学发展而提出，未来在量子力学领域同样具有广阔发展空间。由此来看，未来量子阱行业发展前景良好。

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得到了广泛的应用。

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