激光倍頻實(shí)驗(yàn)報(bào)告講解

激光諧振腔與倍頻實(shí)驗(yàn)a13組03光信息陸林軒033012017實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2006-4-25[實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容]、學(xué)習(xí)與掌握工作物質(zhì)端面呈布儒斯特角的釹玻璃激光器的調(diào)節(jié)，以獲得激光紅外輸出。2、掌握腔外倍頻技術(shù)，并了解倍頻技術(shù)的意義。 3、觀察倍頻晶體0.53?m綠色光的輸出情況。[實(shí)驗(yàn)基本原理]、激光諧振腔光學(xué)諧振腔是激光器的重要組成部分，能起延長(zhǎng)增益介質(zhì)的作用(來(lái)提高光能密度)，同時(shí)還能控制光束的傳播方向，對(duì)輸出激光譜線的頻率、寬度、和激光輸出功率、等都產(chǎn)生很大的影響。圖1激光諧振腔示意圖組成：光學(xué)諧振腔是由兩個(gè)光學(xué)反射鏡面組成、能提供光學(xué)正反饋?zhàn)饔玫墓鈱W(xué)裝置，如圖1所示。兩個(gè)反射鏡可以是平面鏡或球面鏡，置于激光工作物質(zhì)兩端。兩塊反射鏡之間的距離為腔長(zhǎng)。其中一個(gè)鏡面反射率接近 100%，稱為全反鏡；另一個(gè)鏡面反射率稍低些，激光由此鏡輸出，故稱輸出鏡。工作原理：諧振腔中包含了能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激光工作物質(zhì)。它們受到激勵(lì)后，許多原子將躍遷到激發(fā)態(tài)。但經(jīng)過(guò)激發(fā)態(tài)壽命時(shí)間后又自發(fā)躍遷到低能態(tài)，放出光子。其中，偏離軸向的光子會(huì)很快逸出腔外。只有沿著軸向運(yùn)動(dòng)的光子會(huì)在諧振腔的兩端反射鏡之間來(lái)回運(yùn)動(dòng)而不逸出腔外。這些光子成為引起受激發(fā)射的外界光場(chǎng)。促使已實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)產(chǎn)生同樣頻率、同樣方向、同樣偏振狀態(tài)和同樣相位的受激輻射。這種過(guò)程在諧振腔軸線方向重復(fù)出現(xiàn)，從而使軸向行進(jìn)的光子數(shù)不斷增加，最后從部分反射鏡中輸出。所以，諧振腔是一種正反饋系統(tǒng)或諧振系統(tǒng)，具有很好的準(zhǔn)直，選頻和放大功能。種類：圖2諧振腔的種類按組成諧振腔的兩塊反射鏡的形狀以及它們的相對(duì)位置，可將光學(xué)諧振腔區(qū)分為：平行平面腔，平凹腔，對(duì)稱凹面腔，凸面腔等。平凹腔中如果凹面鏡的焦點(diǎn)正好落在平面鏡上，則稱為半共焦腔；如果凹面鏡的球心落在平面鏡上，便構(gòu)成半共心腔。對(duì)稱凹面腔中兩塊反射球面鏡的曲率半徑相同。如果反射鏡焦點(diǎn)都位于腔的中點(diǎn)，便稱為對(duì)稱共焦腔。如果兩球面鏡的球心在腔的中心，稱為共心腔。如果光束在腔內(nèi)傳播任意長(zhǎng)時(shí)間而不會(huì)逸出腔外，則稱該腔為穩(wěn)定腔(滿足，否則稱為不穩(wěn)定腔(滿足1?g1.g2或0?g1.g2)。上述列舉的諧振腔都屬0?g1.g2?1)穩(wěn)定腔。本實(shí)驗(yàn)中的激光諧振腔：本實(shí)驗(yàn)采用的是外腔式釹玻璃激光器。外腔式激光器的兩個(gè)反射鏡是放在激光棒的外側(cè)，長(zhǎng)度可調(diào)，頻率可變，在激光棒的兩側(cè)按一定的角度貼有布儒斯特窗片。由于布儒斯特窗對(duì)p偏振分量具有100%的透過(guò)率，從而輸出線偏光。、激光倍頻非線性光學(xué)基礎(chǔ)極化強(qiáng)度矢量和入射長(zhǎng)的關(guān)系為：p??(1)e??(2)e2??(3)e3?? (1)……分別是線性極化率，二階非線性極化率，三階非線性極化率……，？(2),?(1),?(3),且每加一次極化，?值減小七八個(gè)數(shù)量級(jí)。在入射光場(chǎng)比較小的時(shí)候， ?(2)，???(3)等極小，p與e成線性關(guān)系。當(dāng)入射光場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)，體現(xiàn)出非線性。只有在具有非中心對(duì)稱的晶體中才可以觀測(cè)到二階非線性效應(yīng)。二階效應(yīng)可用于實(shí)現(xiàn)倍頻、和頻、差頻和參量震蕩過(guò)程。其中二倍頻技術(shù)是最基本，利用最廣泛的一種技術(shù)。本實(shí)驗(yàn)就是要觀測(cè)倍頻技術(shù)。相位匹配及實(shí)現(xiàn)方法除了要光強(qiáng)比較大還要實(shí)現(xiàn)相位匹配，才可以獲得好的倍頻效果。由倍頻轉(zhuǎn)換率公式：2p2?sin(l??k/2)2?d?l2?e?(2)????l??k/2p可知，要獲得最大的轉(zhuǎn)換率，必須使l??k/2=0，因?yàn)閘不為0，所以?k=0，即：?k?2k1?k2??2?4??1(n??n2?)?0 (3)即n?n。可見基頻光和倍頻光在晶體中的傳播速率是一樣的。相位匹配的物理實(shí)質(zhì)就是使基頻光在晶體中沿途各點(diǎn)激發(fā)的倍頻光傳播到出射面時(shí)，有相同的相位，可以相互干涉增強(qiáng)，達(dá)到好的倍頻效果。實(shí)現(xiàn)相位匹配條件的方法對(duì)于一般介質(zhì)，由于正常色散，高頻光的折射率大于低頻光的折射率，不能實(shí)現(xiàn)n?n?2?的條件。而對(duì)于各向異性晶體，由于雙折射效應(yīng)，可以利用偏振光間的折射率關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)相位匹配條件。本實(shí)驗(yàn)采用負(fù)單軸晶體，如圖3所示。由負(fù)單軸晶體的折射率橢球及相位匹配條件，以及由諧振腔輸出線偏光可知，我們采用了o+o?e的第一類相位匹配，其匹配條件是no??ne2?。除了相位匹配條件以外，晶體的有效長(zhǎng)度ls和模式狀況也需要考慮。圖3負(fù)折射率晶體折射率橢球注：本實(shí)驗(yàn)用的是負(fù)單軸鈮酸鋰晶體i類角度相位匹配，其匹配角理論值為?m?870[實(shí)驗(yàn)用具及裝置圖]實(shí)驗(yàn)用具：he－ne激光器、光闌、釹玻璃固體激光器及光源、倍頻晶體及多維調(diào)節(jié)架等。(其中釹玻璃為固體激光器；輸出波長(zhǎng)：最強(qiáng)輻射1.0627微米；泵浦：:氙燈)裝置圖：圖4實(shí)驗(yàn)原理圖[實(shí)驗(yàn)步驟]、利用he~ne激光器及光闌對(duì)釹玻璃激光器的光路進(jìn)行準(zhǔn)直。其中he~ne激光器、光闌、釹玻璃激光器無(wú)需移動(dòng)。根據(jù)計(jì)算對(duì)于釹玻璃激光當(dāng)諧振腔約為70cm時(shí)，可以輸出較強(qiáng)的1.06um激光。已知，釹玻璃棒長(zhǎng)為 20cm,所以在將半反鏡和全反鏡對(duì)稱的放置在釹玻璃棒兩側(cè)，相距 25cm,并且為了減小激光在晶體中衍射，使光從半反鏡和全反鏡的中央通過(guò),將它們固定在工作臺(tái)上。然后調(diào)節(jié)諧振腔后的半反鏡,當(dāng)該半反鏡的反射光與光闌的出射光在光闌小孔處重合時(shí),再調(diào)節(jié)諧振腔前的全反鏡,同樣使它反射回的光與光闌處出射光小孔處重合,這樣就完成了準(zhǔn)直。、檢驗(yàn)紅外脈沖的功率強(qiáng)度將以黑紙片放在半反鏡的后面,然后關(guān)閉he~ne激光器。調(diào)節(jié)釹玻璃激光器的電源電流,注意充電電流不可超過(guò)70ma使電壓達(dá)到1300v時(shí)觸發(fā)。觸發(fā)完畢后，對(duì)高壓電源進(jìn)行短路放電。然后觀察黑紙。如果激光脈沖把黑紙燒出一焦斑，證實(shí)有激光輸出。以焦斑的大小判斷激光功率的大小。若功率太小，則重復(fù)步驟1，以輸出比較大功率的激光。、觀察倍頻光拿開黑紙，換上倍頻晶體。為了易于觀察及安全，在離工作臺(tái)2m左右的地方布置一個(gè)白屏。激發(fā)激光器時(shí)，因?yàn)榧す夤β时容^大，會(huì)對(duì)人眼造成傷害，所以不要目視激光器，而僅僅觀察白屏就夠了。打開 he~ne激光器，使激光照射到倍頻晶體中央。如圖 5所示，令倍頻晶體與半反鏡間距為I，且l=20cm。由倍頻晶體反射回激光點(diǎn)落在半反鏡上的光斑與出射光斑的距離為a，入射角與反射角和為2?。有如下的幾何關(guān)系：tan2??aI轉(zhuǎn)動(dòng)晶體的角度,每轉(zhuǎn)動(dòng)一角度點(diǎn)亮一次激光,觀察綠光亮點(diǎn)直至消失為止。記下 ab之間的距離a。圖5反射光斑與出射光斑夾角[實(shí)驗(yàn)記錄](méi)按照實(shí)驗(yàn)步驟1進(jìn)行光路準(zhǔn)直之后,我們對(duì)釹玻璃激光器的電源進(jìn)行充電,當(dāng)電壓達(dá)到1300v時(shí)觸發(fā),此時(shí)黑紙有一小部分被激光燒焦,形成一個(gè)白點(diǎn)(黑紙附在實(shí)驗(yàn)報(bào)告首頁(yè))。換上倍頻晶體、將2?角調(diào)至7°左右之后,第一次觸發(fā)只看到白色光,而沒(méi)有觀察到綠色倍頻光；接著我們不斷調(diào)整2?的角度,但多次觸發(fā)都還是沒(méi)有觀察到綠色倍頻光；請(qǐng)教老師之后,我們將倍頻晶體沿著中心軸旋轉(zhuǎn) 90°,再次觸發(fā)終于沒(méi)有看到綠色倍頻光。因?yàn)槲覀儾⒉恢谰w的切割情況,所以只能不斷嘗試才能找到一個(gè)入射角,使得此時(shí)基頻光與光軸剛好形成相位匹配角。表2入射角與綠光光強(qiáng)關(guān)系(I=22.30cm)注：其中2??arctan()I篇二：激光倍頻實(shí)驗(yàn)11激光倍頻一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容1 ．學(xué)習(xí)工作物質(zhì)端面呈布儒斯特角的釹玻璃激光器的調(diào)節(jié)。 2．掌握腔外倍頻技術(shù),并了解倍頻技術(shù)的意義。．要求每人都調(diào)節(jié)一次釹玻璃激光器并從黑紙片被激光燃焦的程度,判別每人調(diào)節(jié)的精度高低。.觀察倍頻晶體0.53卩m綠色光的輸出情況。二．實(shí)驗(yàn)基本原理1 ．非線性光學(xué)基礎(chǔ)光與物質(zhì)相互作用的全過(guò)程，可分為光作用于物質(zhì)，引起物質(zhì)極化形成極化場(chǎng)以及極化場(chǎng)作為新的輻射源向外輻射光波的兩個(gè)分過(guò)程。原子是由原子核和核外電子構(gòu)成。當(dāng)頻率為 3的光入射介質(zhì)后，引起其中原子的極化，即負(fù)電中心相對(duì)正電中心發(fā)生位移 r，形成電偶極矩TOC\o"1-5"\h\zm?er， (1)其中，e是負(fù)電中心的電量。我們定義單位體積內(nèi)原子偶極矩的總和為極化強(qiáng)度矢量 p，p?nm， (2)n是單位體積內(nèi)的原子數(shù)。極化強(qiáng)度矢量和入射場(chǎng)的關(guān)系式為p??(1)e??(2)e2??(3)?e3??， (3)其中x1,X2,x3,…分別稱為線性極化率， 二級(jí)非線性極化率、三級(jí)非線性極化率…，(1)(2)(3)并且x>>；x>>x…。在一般情況下，每增加一次極化， x值減少七八個(gè)數(shù)量級(jí)。由于入射光是變化的，其振幅為 e=eOsin31，所以極化強(qiáng)度也是變化的。根據(jù)電磁理論,變化的極化場(chǎng)可作為輻射源產(chǎn)生電磁波——新的光波。在入射光的電場(chǎng)比較小時(shí)(比原子內(nèi)(2)(3)(1)的場(chǎng)強(qiáng)還小)，x,x等極小，P與e成線性關(guān)系為p=xe。新的光波與入射光具有相同的頻率,這就是通常的線性光學(xué)現(xiàn)象。但當(dāng)入射光的電場(chǎng)較強(qiáng)時(shí),不僅有線性現(xiàn)象,而且非線性現(xiàn)象也不同程度地表現(xiàn)出來(lái),新的光波中不僅有入射地基波頻率,還有二次諧波、三次諧波等頻率產(chǎn)生,形成能量轉(zhuǎn)移,頻率變換。這就是只有在高強(qiáng)度的激光出現(xiàn)以后,非線性光學(xué)才得到迅速發(fā)展的原因。．二階非線性光學(xué)效應(yīng)雖然許多介質(zhì)都可產(chǎn)生非線性效應(yīng),但具有中心結(jié)構(gòu)的某些晶體和各向同性介質(zhì)(如氣體),由于(3)式中的偶級(jí)項(xiàng)為零,只含有奇級(jí)項(xiàng)(最低為三級(jí)),因此要觀測(cè)二級(jí)非線性效應(yīng)只能在具有非中心對(duì)稱的一些晶體中進(jìn)行，如 kdp(或kd*p)、lino3晶體等等?，F(xiàn)從波的耦合,分析二級(jí)非線性效應(yīng)的產(chǎn)生原理,設(shè)有下列兩波同時(shí)作用于介質(zhì)：()()()e1?a1cos(31t?k1z), (4)e2?a2cos(32t?k2z),(5)介質(zhì)產(chǎn)生的極化強(qiáng)度應(yīng)為二列光波的疊加,有p??(2)[a1cos( 31t?k1z)?a2cos(32t?k2z)]2??(2)[a1cos2( 31t?k1z)?a2cos2( 32t?k2z)?2a1a2cos(31t?k1z)cos(32t?k2z)] 。(6)經(jīng)推導(dǎo)得出,二級(jí)非線性極化波應(yīng)包含下面幾種不同頻率成分：22p231??(2)2a1cos[2(31t?k1z)]2p232??（2）2a2[2cos（32t?k2z）]2TOC\o"1-5"\h\z, （8）p31?32??（2）a1a2cos[（31?32）t?（k1?k2）z]， （9）p31?32??（2）a1a2cos[（31?32）t?（k1?k2）z], （10）2p直流， （11）從以上看出，二級(jí)效應(yīng)中含有基頻波的倍頻分量（231）、（232）、和頻分量（31＋32）、差頻分量（31-32）和直流分量。故二級(jí)效應(yīng)可用于實(shí)現(xiàn)倍頻、和頻、差頻及參量振蕩等過(guò)程。當(dāng)只有一種頻率為3的光入射介質(zhì)時(shí)（相當(dāng)于上式中31=32=3）,那么二級(jí)非線性效應(yīng)就只有除基頻外的一種頻率 （23）的光波產(chǎn)生，稱為二倍頻或二次諧波。在二級(jí)非線性效應(yīng)中,二倍頻又是最基本、應(yīng)用最廣泛的一種技術(shù)。第一個(gè)非線性效應(yīng)實(shí)驗(yàn),就是在第一臺(tái)紅寶石激光器問(wèn)世后不久， 利用紅寶石0.6943卩m激光在石英晶體中觀察到紫外倍頻激光。后來(lái)又有人利用此技術(shù)將晶體的 1.06卩m紅外激光轉(zhuǎn)換成0.53卩m的綠光，從而滿足了水下通信和探測(cè)等工作對(duì)波段的要求。當(dāng) 31工32時(shí)，產(chǎn)生33=31+32的光波叫和頻。如入射的光波分別為3和23,和頻后得到33,33=3＋23（注意,它數(shù)值上等于三倍頻,但不是三倍頻非線性效應(yīng)過(guò)程）。本實(shí)驗(yàn)將對(duì)和頻進(jìn)行觀測(cè)。．非線性極化系數(shù)非線性效應(yīng)系數(shù)是決定極化強(qiáng)度大小的一個(gè)重要物理量。（）（）在線性關(guān)系p=x1e中對(duì)各向同性介質(zhì)，x1是只與外電場(chǎng)大小有關(guān)而與方向無(wú)關(guān)的常量；對(duì)各向異性介質(zhì)，x（1）不僅與電場(chǎng)大小有關(guān)，而且與方向有關(guān)。在三維空間里，是個(gè)二階張量,有9個(gè)矩陣元dij,每個(gè)矩陣元稱為線性極化系數(shù)。（）（）在非線性關(guān)系p=x2e2中,x2是三階張量,在三維直角坐標(biāo)系中有27個(gè)分量,鑒于非線性極化系數(shù)的對(duì)稱性,矩陣元減為18個(gè)分量,在倍頻情況下?ex2???2?e?y??px??d11?d16??2?????ez??py???d21?d26?????2ee??yz??p??d?d3136??z????2ee?zy??2ee??xy?,（12）p和e的下角標(biāo)x,y,z表示它們?cè)谌齻€(gè)不同方向上的分量。鑒于各種非線性晶體都有特殊的對(duì)稱性,就像晶體的電光系數(shù)矩陣一樣,有些dij為零,有些相等,有些相反。因此無(wú)對(duì)稱中心晶體的dij,獨(dú)立的分量數(shù)目?jī)H是有限的幾個(gè)。例 kdp（或kd*p）晶體，有??2（a1?a2）22?000d14?dij??0000?0000??0?dij???d22?d?310d22d3100d330d2500d1500??0?d36??, （13）d1500?d22??0?0??, （14）其中d14=d25，在一定條件下，還可以有 d14=d36。又如鈮酸鋰晶體，有其中d31=d15。查閱有關(guān)資料，可得它們的具體數(shù)值。實(shí)際工作中，我們總是希望選取dij值大，性能穩(wěn)定又經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的晶體材料。．相位匹配及實(shí)現(xiàn)方法從前面的討論知道，極化強(qiáng)度與入射光強(qiáng)和非線性極化系數(shù)有關(guān)，但是否只要入射光足夠強(qiáng)，使用非線性極化系數(shù)盡量大的晶體，就一定能獲得好的倍頻效果呢？不是的。這里還有一個(gè)重要因素——相位匹配，它起著舉足輕重的作用。實(shí)驗(yàn)證明，只有具有特定偏振方向的線偏振光，以某一特定角度入射晶體時(shí)，才能獲得良好的倍頻效果，而以其他角度入射時(shí)，則倍頻效果很差，甚至完全不出倍頻光。根據(jù)倍頻轉(zhuǎn)換效率的定義p23n?3p， （15）經(jīng)理論推導(dǎo)可得（為突出物理圖象和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，理論推導(dǎo)在此不作詳細(xì)介紹）sin2（l??k/2）22 n??d?l?e3（l??k/2）2。 （16）n與l??k/2關(guān)系曲線見圖1。圖中可看出，要獲得最大的轉(zhuǎn)換效率，就要使l??k/2=0,I是倍頻晶體的通光長(zhǎng)度，不等于0，故應(yīng)?k=0,即相對(duì)光強(qiáng)-2n-n0n2nI??k/2圖1倍頻效率與I??k/2的關(guān)系?k?2k1?k2?就是使4??（n?n2?）?0?1, （17）n??n2?, （18）n3和n23分別為晶體對(duì)基頻光和倍頻光的折射率。也就是只有當(dāng)基頻光和倍頻光的折射率相等時(shí),才能產(chǎn)生好的倍頻效果,式（ 18）是提高倍頻效率的必要條件,稱作相位匹配條件。323由于V3=c/n,v23=c/n,V3和v23分別是基頻光和倍頻光在晶體中的傳播速度。 滿足（18）式，就是要求基頻光和倍頻光在晶體中的傳播速度相等。從這里我們可以清楚地看出，所謂相位匹配條件的物理實(shí)質(zhì)就是使基頻光在晶體中沿途各點(diǎn)激發(fā)的倍頻光傳播到出射面時(shí)，都具有相同的相位，這樣可相互干涉增強(qiáng)，從而達(dá)到好的倍頻效果。否則將會(huì)相互削弱，甚至抵消。實(shí)現(xiàn)相位匹配條件的方法。由于一般介質(zhì)存在正常色散效果，即高頻光的折射率大于低頻光的折射率，如n2w—n?大約為102數(shù)量級(jí)。?k豐0。但對(duì)于各向同性晶體，由于存在雙折射，我們則可利用不同偏振光間的折射率關(guān)系， 尋找到相位匹配條件，實(shí)現(xiàn)?k=0。此方法常用于負(fù)單軸晶體，下面以負(fù)單軸晶體為例說(shuō)明。圖2中畫出了晶體中基頻光和倍頻光的兩種不同偏振態(tài)折射率面間的關(guān)系。圖中實(shí)線球面為基頻光折射率面，虛線球面為基頻光折射率面，球面為o光折射率面，橢球面為e光折射率面，z軸為光軸。折射率面的定義：從球心引出的每一條矢徑到達(dá)面上某點(diǎn)的長(zhǎng)度，表示晶體以此矢徑為波法線方向的光波的折射率大小。實(shí)現(xiàn)相位匹配條件的方法之一是尋找實(shí)面和虛面交點(diǎn)位置，從而得到通過(guò)此交點(diǎn)的矢徑與光軸的夾角。圖中看到，基頻光中 o光的折射率可以和倍頻光中e光的折射率相等，所以當(dāng)光波沿著與光軸成 0m角方向傳播時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)相位匹配， 0m叫做相位匹配角，0m可從下式中計(jì)算得出?22??2(n??(no)o)sin?m?2??22??2(ne)?(no) ， 2圖2負(fù)單軸晶體折射率球面出幾種常用的數(shù)值。(19)?2?2?n,n,nooe式中都可以查表得到，表1列法線的夾角。為了減少反射損失和便于調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)中一般總希望讓基頻光正入射晶體表面。所以加工倍頻晶體時(shí)， 須按一定方向切割晶體， 以使晶體法線方向和光軸方向成 0m,見圖3。以上所述,是入射光以一定角度入射晶體,通過(guò)晶體的雙折射,由折射率的變化來(lái)補(bǔ)償正常色散而實(shí)現(xiàn)相位匹配的,這稱為角度相位匹配。角度相位匹配又可分為兩類。晶體第一類是入射同一種線偏振光,負(fù)圖3非線性晶體的切割單軸晶體將兩個(gè)e光光子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)倍頻的o光光子。第二類是入射光中同時(shí)含有o光和e光兩種線偏振光,負(fù)單軸晶體將兩個(gè)不同的光子變?yōu)楸额l的 e光光子,正單軸晶體變?yōu)橐粋€(gè)倍頻的o光光子。見表2相位匹配的方法除了前述的角度匹配外,還有溫度匹配,這里不作細(xì)述。在影響倍頻效率的諸因素中,除前述的比較重要的三方面外,還需考慮到晶體的有效長(zhǎng)度ls和模式狀況。圖4為晶體中基頻光和倍頻光振幅隨距離的變化。如果晶體過(guò)長(zhǎng),例l>ls時(shí),會(huì)造成倍頻效率飽和；晶體過(guò)短。例l<ls,則轉(zhuǎn)換效率比較低。ls的大小基本給出了倍頻技術(shù)中應(yīng)該使用的晶體長(zhǎng)度。模式的不同夜影響轉(zhuǎn)換效率,如高階橫模,方向性差,偏離光傳播方向的光會(huì)偏離相位匹配角。所以在不降低入射光功率的情況下,以ls2ls選用基橫?；虻碗A橫模為宜。圖4晶體中基頻光和倍頻光振幅隨距離的變化．倍頻光的脈沖寬度和線寬通過(guò)對(duì)倍頻光脈沖寬度t和相對(duì)線寬v的觀測(cè)，還可看到兩種線寬都比基頻光變窄的現(xiàn)象。這是由于倍頻光強(qiáng)與入射基頻光強(qiáng)的平方成比例的緣故。圖 5中，假設(shè)在t=tO時(shí)。基頻和倍頻光具有相同的極大值。基頻光在 t1和t1'時(shí)，功率為峰值的 1/2，脈沖寬度？t1=t1t1，而在相同的時(shí)間間隔內(nèi)，倍頻光的功率卻為峰值的 1/4，倍頻光的半值寬度t2t2<t1 t1,即?t2<?t1 ，脈沖寬度變窄。同樣道理可得到倍頻后的譜線寬度也會(huì)變窄。i3i23t1t2tt1t2t2't1''t1V1'V圖5基頻光與倍頻光的脈寬及相對(duì)線寬的比較V2 V2V三．實(shí)驗(yàn)用具與裝置圖本實(shí)驗(yàn)使用如下照片的實(shí)驗(yàn)裝置，原理圖中 a為he—ne激光管，它用于準(zhǔn)直及調(diào)釹玻璃棒的光路用,b是激光諧振腔的全反射鏡，c是兩端切成布儒斯特角釹玻璃棒,d設(shè)計(jì)釹玻璃激光器的半透介質(zhì)膜，e為倍頻晶體，它已經(jīng)按匹配角加工好，激光要垂直它的通光面通過(guò),倍頻晶體是裝在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，實(shí)驗(yàn)時(shí)可轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái),觀察晶體匹配角改變,倍頻的情況。假如基波光功率足夠強(qiáng)的話，可以取消透鏡f，使基波光直接入射晶體，也可以觀察到綠光。實(shí)驗(yàn)裝置圖篇三：實(shí)驗(yàn)五激光倍頻實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)五連續(xù)半導(dǎo)體泵浦固體激光器腔內(nèi)倍頻實(shí)驗(yàn)?實(shí)驗(yàn)?zāi)康?觀察激光倍頻現(xiàn)象，測(cè)量晶體在不同條件下的倍頻轉(zhuǎn)換效率 n2?通過(guò)實(shí)驗(yàn)找出最佳位相匹配條件。shg。?實(shí)驗(yàn)原理激光倍頻是指單一頻率的激光入射到非線性光學(xué)介質(zhì)，引起倍頻光輻射的過(guò)程。激光倍頻技術(shù)也稱為二次諧波(shg)技術(shù)，是最先在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)的非線性光學(xué)效應(yīng)。 1961年由franken等人進(jìn)行的紅寶石激光倍頻實(shí)驗(yàn)，標(biāo)志著對(duì)非線性光學(xué)進(jìn)行廣泛實(shí)驗(yàn)和理論研究的開端。激光倍頻是將激光向短波長(zhǎng)方向變換的主要方法，已達(dá)到實(shí)用化的程度，有商品化的器件和裝置，獲得非常廣泛的應(yīng)用。圖5-1franken等人1961年進(jìn)行的紅寶石激光倍頻實(shí)驗(yàn)裝置.?倍頻光輻射倍頻光輻射屬于強(qiáng)光和物質(zhì)相互作用效應(yīng)。其物理機(jī)制敘述如下： 當(dāng)光波電場(chǎng)e入射到介質(zhì)中，介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電偶極矩p,從而輻射出相應(yīng)的光波。因此，p為e的函數(shù)：p=f(e),按級(jí)數(shù)展開：p??O(???e????e2???????ei???) (5.1)12其中?0為真空介電常數(shù)，?（i）為極化率張量，此處考慮 e的二次項(xiàng)的作用，取e?e1e?i?t?c.c（2?）得：p??0??1?e1e?i?t??0??2?e12e?i2?t?c.c?pl?pnl （5.2）其中pl與pnl分別表示線性與非線性極化強(qiáng)度， 在p的表達(dá)式中有23項(xiàng)出現(xiàn)，導(dǎo)致相應(yīng)的電磁輻射中就有頻率為 23的光波，這就是倍頻光，也稱為二次諧波。圖5-2倍頻光輻射．倍頻技術(shù)（1） 匹配方式：?2??從pnl與e?2?的矩陣關(guān)系式可以看出， pi?2??是由ejek?j?k??e2j和??ejek?j?k?（且ejek）產(chǎn)生的。按j?k和j?k兩種情況劃分：）平行式：基波的電矢量在某一特定線偏振方向上的分量的平方項(xiàng)產(chǎn)生倍頻極化場(chǎng)。）正交式：基波的電矢量在兩互相正交的特定偏振方向上的分量的乘積產(chǎn)生倍頻極化場(chǎng)。不同的倍頻晶體其非線性極化系數(shù)矩陣中矩陣元dil的分布不同，應(yīng)采用不同的匹配方式。另外，還有直接關(guān)系到匹配方式的有效非線性系數(shù) def，對(duì)基波波矢k的方位角？也有各自程度不同的要求。這個(gè)問(wèn)題在《激光技術(shù)》中有論述，（2） 相位匹配條件：如果對(duì)應(yīng)高能量的基波輸入，在倍頻晶體的另一端只有很弱的二次諧波輸出的話，就失去了激光倍頻的使用價(jià)值。因此，提高基波轉(zhuǎn)化成二次諧波的效率是激光倍頻技術(shù)的關(guān)鍵性問(wèn)題。下面從一個(gè)比較簡(jiǎn)捷的標(biāo)量形式（i類匹配）來(lái)求出倍頻效率n設(shè)基波為平面單色波：e??eoe?i??t?k1z??c.cshg的表達(dá)式：圖5-3倍頻晶體內(nèi)各處產(chǎn)生的二次諧波的相干疊加在晶體中z處，厚度為dz的一小段內(nèi)感應(yīng)的二次電偶極矩：2?i?2?t?2k1z?dp2??deffeoedz,dp2?將輻射相應(yīng)的de2?,dp2?和de2?初相位相同：當(dāng)de2?傳播到I處時(shí)，相位移動(dòng)為?????z?k2?2n?2ne?i??2?t?2k1z?k2???z???2edz處的倍頻電矢量de2??dp2??deffeo令：?k?k2?2k1?k2??2k?總倍頻電矢量e2?為晶體內(nèi)各點(diǎn)de2?的迭加：e2???de2??deffee?2?i2?too?eik2????kz??dze?i?k??1?i?2?t?k2????deffee?i?k20變形得：e2?sin??k?/2??i?2?t??k?/2?k2????deffe?e?k?/220倍頻光強(qiáng)：i2??e2?2??i?2?22?sin??k?/2??deff????k?/2??2得：?shgi2??sin??k?/2??????max??i??k?/2?22?sino?已知：???1?o???o2?故：？k?o，有：？shg??max，即：i2??imax可見，高效率產(chǎn)生倍頻光必須使?k?o，被稱為pm(phasematching)條件，即相位匹配條件。k2??2?2?2???n?2? 2k??2n??2?ccuu2????n?n?k?o與?2?等價(jià)。其中n為折射率，u為相速度。???u?u圖5-4倍頻轉(zhuǎn)換的效率與相位因子的關(guān)系曲線?k?o的物理意義是：倍頻晶體內(nèi)各處產(chǎn)生的二次諧波的相位相同，在共振作用下，使二次諧波不斷增強(qiáng)。由于倍頻晶體必然存在著色散效應(yīng)， n?n???,使?k?o，在一般情況下，不滿足pm條件。為了解決這個(gè)問(wèn)題，導(dǎo)致倍頻相位匹配技術(shù)的產(chǎn)生。（3）相位匹配方法：目前，最常用，最主要的相位匹配方法是：在正常色散范圍，利用各向異性晶體的雙折射效應(yīng)抵消色散，達(dá)到相位匹配的要求。這也是本實(shí)驗(yàn)所采用的方法。）角度匹配：將基頻光以特定的角度和偏振態(tài)入射到倍頻晶體，利用倍頻晶體本身所具有的雙折射效應(yīng)抵消色散效應(yīng).角度匹配是高效率產(chǎn)生倍頻光輻射的最常用、最主要的方法。按基頻光電場(chǎng)偏振態(tài)的配置方式，分為平行式和正交式，相應(yīng)的角度匹配稱為i類和ii類相位匹配方式。在正常色散條件下，對(duì)于單軸晶體，可以得到相應(yīng)于i類和ii類方式匹配角的解析表示式。讓基頻光與倍頻晶體的光軸 （z）形成夾角？m，使由色散造成的?k?o在雙折射現(xiàn)象中得到補(bǔ)償。對(duì)于正常色散的負(fù)單軸倍頻晶體， e?為eo,e2?為ee,i類匹配方式，則n??n0 ，n2??ne???折射率曲面在ozy平面的截面如下圖所示：在p點(diǎn)兩曲線相交：ne??m??no,即：n2??n?,滿足？k?o的相位匹配。？口稱為相位匹配角?？捎煞匠探M：?1cos2?msin2?m?n2??n2?n2求得oe?em?n??n?e?m?o不同的相位匹配方式0m的表達(dá)式不同。）溫度匹配：（??900）利用倍頻晶體內(nèi)折射率隨溫度的變化關(guān)系的特性，使當(dāng)t=tpm時(shí)，n2??tpm??n??tpm?，達(dá)到相位匹配，tpm為匹配溫度。溫度匹配與角度匹配相比有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：在溫度匹配中由于0=90°，可以消除角度匹配導(dǎo)致的“光孔效應(yīng)”，使二次諧波功率有較強(qiáng)的輸出。溫度匹配對(duì)0的變化不敏感，具有“非臨界性”，使二次諧波功率輸出穩(wěn)定。激光并不是波陣面為無(wú)限大平面的嚴(yán)格單色波，而是高斯波。所以，以上推導(dǎo)出的 pm條件，在實(shí)驗(yàn)中只能近似滿足。在各種條件下的 qm與tpm主要由實(shí)圖5-5溫度匹配篇四：nd：yag激光器倍頻特性實(shí)驗(yàn)報(bào)告nd:yag激光倍頻特性實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.了解二次非線性光學(xué)效應(yīng)2.了解二倍頻晶體中相位匹配實(shí)驗(yàn)原理：當(dāng)強(qiáng)光與物質(zhì)作用后,表征光學(xué)的許多參量如折射率、吸收系數(shù)、散射截面等不再是常數(shù),而是一個(gè)與入射光有關(guān)的變量,相應(yīng)也出現(xiàn)了在線性光學(xué)中觀察不到的許多新的光學(xué)現(xiàn)象,非線性光學(xué)的產(chǎn)生與研究大大加深了我們對(duì)光與物質(zhì)相互作用本質(zhì)的認(rèn)識(shí),同時(shí)也具有極其重要的實(shí)用價(jià)值。1.光學(xué)倍頻光學(xué)倍頻又稱二次諧波，指在非線性介質(zhì)中傳播頻率為的激光，其中一部分能量轉(zhuǎn)換到頻率為 2V的光波中去，使在介質(zhì)中傳播的有頻率為 V和2V兩種光波。 從量化概念來(lái)說(shuō)，這相當(dāng)于兩個(gè)光子在非線性介質(zhì)內(nèi)發(fā)生湮滅，并產(chǎn)生倍頻光子的現(xiàn)象。在倍頻過(guò)程中滿足能量守恒何動(dòng)量守恒定律。 2.二次諧波的效率由基波的能量（功率）轉(zhuǎn)換成二次諧波的能量（功率）的比值，反映了介質(zhì)的二次諧波效率，為：??i2?i?常用二次諧波非線性材料有kdp倍頻晶體和ktp倍頻晶體等。ktp晶體性能優(yōu)于kdp晶體，非線性系數(shù)是后者的15倍，光損傷閾值也高（大于 400mw/cm2）。3.相位匹配相位匹配物理實(shí)質(zhì)是：基頻光在晶體中沿途各點(diǎn)激發(fā)的倍頻光，在出射面產(chǎn)生干涉，只有相位匹配時(shí)才可干涉增強(qiáng)，達(dá)到好的倍頻效率。相位匹配要求基頻光和倍頻光在晶體中的傳播速度相等，即折射率相等，對(duì)于雙折射晶體，基頻光在晶體面上的入射則需要一定的角度相位匹配。實(shí)驗(yàn)中，ktp晶體是加工好的，只需垂直晶體面入射即可滿足相位匹配條件。實(shí)驗(yàn)裝置he-ne激光器5.nd:yag振蕩棒小孔光闌1064nm全反凹面鏡m1cr:yag調(diào)q晶體9.能量計(jì)10.ktp晶體4+6.輸出鏡m27.nd:yag放大棒8.平板玻璃圖1實(shí)驗(yàn)光路示意圖本實(shí)驗(yàn)采用與“nd:yag激光器調(diào)q激光束放大特性”相同的實(shí)驗(yàn)裝置，倍頻晶體放置于放大級(jí)輸出端后方。實(shí)驗(yàn)過(guò)程實(shí)驗(yàn)中要特別注意眼睛不可直視 yag輸出激光以及he-ne激光，并小心精密操作設(shè)備。1、倍頻激光輸出調(diào)節(jié)（1）按照與前一實(shí)驗(yàn)相同步驟調(diào)整 nd:yag激光器，放置調(diào)q晶體，放大級(jí)工作開啟。（2）在nd:yag放大棒后加入ktp晶體，輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)ktp角度，使ktp輸出由一弱散斑匯聚成一耀眼亮點(diǎn)，即達(dá)到晶體最佳匹配效果。倍頻后輸出激光為 1064nm和532nm兩個(gè)波長(zhǎng)，532nm激光為綠色。2、倍頻輸出隨輸入變化特性測(cè)量與前一實(shí)驗(yàn)測(cè)量激光能量方法類似，在ktp輸出后方放置一個(gè)平板玻璃，小角度反射，將剩余的1064nm激光反射至能量計(jì)，反射率8%。輸入基頻光強(qiáng)為：剩余激光光強(qiáng)為：e出?s??te???i??s??ti??e??e讀,e讀為能量計(jì)測(cè)得的能量值； Ss為nd:yag晶體棒截面積，？s??r2,8%r=0.3cm ;St為單脈沖時(shí)間寬度， St~15ns。?根據(jù)能量守恒定律有：