激光倍頻實驗報告

篇一：激光諧振腔與倍頻實驗激光諧振腔與倍頻實驗a13組03光信息陸林軒033012017實驗時間：2006-4-25[實驗目的和內容]1、學習與掌握工作物質端面呈布儒斯特角的釹玻璃激光器的調節(jié)，以獲得激光紅外輸出。2、掌握腔外倍頻技術，并了解倍頻技術的意義。3、觀察倍頻晶體0.53?m綠色光的輸出情況。[實驗基本原理]1、激光諧振腔光學諧振腔是激光器的重要組成部分，能起延長增益介質的作用（來提高光能密度），同時還能控制光束的傳播方向，對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（1）組成：光學諧振腔是由兩個光學反射鏡面組成、能提供光學正反饋作用的光學裝置，如圖1所示。兩個反射鏡可以是平面鏡或球面鏡，置于激光工作物質兩端。兩塊反射鏡之間的距離為腔長。其中一個鏡面反射率接近100%，稱為全反鏡；另一個鏡面反射率稍低些，激光由此鏡輸出，故稱輸出鏡。（2）工作原理：諧振腔中包含了能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的激光工作物質。它們受到激勵后，許多原子將躍遷到激發(fā)態(tài)。但經(jīng)過激發(fā)態(tài)壽命時間后又自發(fā)躍遷到低能態(tài)，放出光子。其中，偏離軸向的光子會很快逸出腔外。只有沿著軸向運動的光子會在諧振腔的兩端反射鏡之間來回運動而不逸出腔外。這些光子成為引起受激發(fā)射的外界光場。促使已實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的工作物質產(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。這種過程在諧振腔軸線方向重復出現(xiàn)，從而使軸向行進的光子數(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)，具有很好的準直，選頻和放大功能。（3）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位置，可將光學諧振腔區(qū)分為：平行平面腔，平凹腔，對稱凹面腔，凸面腔等。平凹腔中如果凹面鏡的焦點正好落在平面鏡上，則稱為半共焦腔；如果凹面鏡的球心落在平面鏡上，便構成半共心腔。對稱凹面腔中兩塊反射球面鏡的曲率半徑相同。如果反射鏡焦點都位于腔的中點，便稱為對稱共焦腔。如果兩球面鏡的球心在腔的中心，稱為共心腔。如果光束在腔內傳播任意長時間而不會逸出腔外，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。（4）本實驗中的激光諧振腔：本實驗采用的是外腔式釹玻璃激光器。外腔式激光器的兩個反射鏡是放在激光棒的外側，長度可調，頻率可變，在激光棒的兩側按一定的角度貼有布儒斯特窗片。由于布儒斯特窗對p偏振分量具有100%的透過率，從而輸出線偏光。2、激光倍頻(1)非線性光學基礎極化強度矢量和入射長的關系為：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，?值減小七八個數(shù)量級。在入射光場比較小的時候，?(2)，?(3)等極小，p與e成線性關系。當入射光場較強時，體現(xiàn)出非線性。只有在具有非中心對稱的晶體中才可以觀測到二階非線性效應。二階效應可用于實現(xiàn)倍頻、和頻、差頻和參量震蕩過程。其中二倍頻技術是最基本，利用最廣泛的一種技術。本實驗就是要觀測倍頻技術。(2)相位匹配及實現(xiàn)方法除了要光強比較大還要實現(xiàn)相位匹配，才可以獲得好的倍頻效果。由倍頻轉換率公式：2p2?sin(l??k/2)2?d?l2?e?(2)????l??k/2p可知，要獲得最大的轉換率，必須使l??k/2=0，因為l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。相位匹配的物理實質就是使基頻光在晶體中沿途各點激發(fā)的倍頻光傳播到出射面時，有相同的相位，可以相互干涉增強，達到好的倍頻效果。(3)實現(xiàn)相位匹配條件的方法對于一般介質，由于正常色散，高頻光的折射率大于低頻光的折射率，不能實現(xiàn)n?n?2?的條件。而對于各向異性晶體，由于雙折射效應，可以利用偏振光間的折射率關系，以實現(xiàn)相位匹配條件。本實驗采用負單軸晶體，如圖3所示。由負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，晶體的有效長度ls和模式狀況也需要考慮。圖3負折射率晶體折射率橢球注：本實驗用的是負單軸鈮酸鋰晶體i類角度相位匹配，其匹配角理論值為?m?870[實驗用具及裝置圖]實驗用具：he－ne激光器、光闌、釹玻璃固體激光器及光源、倍頻晶體及多維調節(jié)架等。(其中釹玻璃為固體激光器；輸出波長：最強輻射1.0627微米；泵浦：:氙燈)裝置圖：圖4實驗原理圖[實驗步驟]1、利用he~ne激光器及光闌對釹玻璃激光器的光路進行準直。其中he~ne激光器、光闌、釹玻璃激光器無需移動。根據(jù)計算對于釹玻璃激光當諧振腔約為70cm時，可以輸出較強的1.06um激光。已知，釹玻璃棒長為20cm，所以在將半反鏡和全反鏡對稱的放置在釹玻璃棒兩側，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，將它們固定在工作臺上。然后調節(jié)諧振腔后的半反鏡，當該半反鏡的反射光與光闌的出射光在光闌小孔處重合時，再調節(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，這樣就完成了準直。2、檢驗紅外脈沖的功率強度將以黑紙片放在半反鏡的后面，然后關閉he~ne激光器。調節(jié)釹玻璃激光器的電源電流，注意充電電流不可超過70ma，使電壓達到1300v時觸發(fā)。觸發(fā)完畢后，對高壓電源進行短路放電。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，則重復步驟1，以輸出比較大功率的激光。3、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2m左右的地方布置一個白屏。激發(fā)激光器時，因為激光功率比較大，會對人眼造成傷害，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l，且l=20cm。由倍頻晶體反射回激光點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?。有如下的幾何關系：tan2??a(4)l轉動晶體的角度，每轉動一角度點亮一次激光，觀察綠光亮點直至消失為止。記下ab之間的距離a。圖5反射光斑與出射光斑夾角[實驗記錄]按照實驗步驟1進行光路準直之后，我們對釹玻璃激光器的電源進行充電，當電壓達到1300v時觸發(fā)，此時黑紙有一小部分被激光燒焦，形成一個白點(黑紙附在實驗報告首頁)。換上倍頻晶體、將2?角調至7°左右之后，第一次觸發(fā)只看到白色光，而沒有觀察到綠色倍頻光；接著我們不斷調整2?的角度，但多次觸發(fā)都還是沒有觀察到綠色倍頻光；請教老師之后，我們將倍頻晶體沿著中心軸旋轉90°，再次觸發(fā)終于沒有看到綠色倍頻光。因為我們并不知道晶體的切割情況，所以只能不斷嘗試才能找到一個入射角，使得此時基頻光與光軸剛好形成相位匹配角。表2入射角與綠光光強關系(l=22.30cm)注：其中2??arctan()l篇二：實驗五激光倍頻實驗實驗五連續(xù)半導體泵浦固體激光器腔內倍頻實驗?實驗目的1．觀察激光倍頻現(xiàn)象，測量晶體在不同條件下的倍頻轉換效率η2．通過實驗找出最佳位相匹配條件。shg。?實驗原理激光倍頻是指單一頻率的激光入射到非線性光學介質，引起倍頻光輻射的過程。激光倍頻技術也稱為二次諧波（shg）技術，是最先在實驗上發(fā)現(xiàn)的非線性光學效應。1961年由franken等人進行的紅寶石激光倍頻實驗，標志著對非線性光學進行廣泛實驗和理論研究的開端。激光倍頻是將激光向短波長方向變換的主要方法，已達到實用化的程度，有商品化的器件和裝置，獲得非常廣泛的應用。圖5-1franken等人1961年進行的紅寶石激光倍頻實驗裝置.1．倍頻光輻射倍頻光輻射屬于強光和物質相互作用效應。其物理機制敘述如下：當光波電場e入射到介質中，介質會產(chǎn)生感應電偶極矩p,從而輻射出相應的光波。因此，p為e的函數(shù)：p=f(e)，按級數(shù)展開：p??0(???e????e2???????ei???)(5.1)12i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度，在p的表達式中有2ω項出現(xiàn)，導致相應的電磁輻射中就有頻率為2ω的光波，這就是倍頻光，也稱為二次諧波。圖5-2倍頻光輻射2．倍頻技術（1）匹配方式：?2??從pnl與e?2?的矩陣關系式可以看出，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：1）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產(chǎn)生倍頻極化場。2）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。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，應采用不同的匹配方式。另外，還有直接關系到匹配方式的有效非線性系數(shù)def，對基波波矢k的方位角?也有各自程度不同的要求。這個問題在《激光技術》中有論述，（2）相位匹配條件：如果對應高能量的基波輸入，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值。因此，提高基波轉化成二次諧波的效率是激光倍頻技術的關鍵性問題。下面從一個比較簡捷的標量形式（i類匹配）來求出倍頻效率η設基波為平面單色波：e??eoe?i??t?k1z??c.cshg的表達式：圖5-3倍頻晶體內各處產(chǎn)生的二次諧波的相干疊加在晶體中z處，厚度為dz的一小段內感應的二次電偶極矩：2?i?2?t?2k1z?dp2??deffeoedz，dp2?將輻射相應的de2?，dp2?和de2?初相位相同：當de2?傳播到l處時，相位移動為?????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?為晶體內各點de2?的迭加：e2???deo?2??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：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。其中n為折射率，u為相速度。???u?u圖5-4倍頻轉換的效率與相位因子的關系曲線?k?o的物理意義是：倍頻晶體內各處產(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。由于倍頻晶體必然存在著色散效應，n?n???，使?k?o，在一般情況下，不滿足pm條件。為了解決這個問題，導致倍頻相位匹配技術的產(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抵消色散，達到相位匹配的要求。這也是本實驗所采用的方法。1）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抵消色散效應.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。按基頻光電場偏振態(tài)的配置方式，分為平行式和正交式，相應的角度匹配稱為ⅰ類和ⅱ類相位匹配方式。在正常色散條件下，對于單軸晶體，可以得到相應于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)象中得到補償。對于正常色散的負單軸倍頻晶體，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點兩曲線相交：ne??m??no，即：n2??n?，滿足?k?o的相位匹配。?m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θm的表達式不同。2）溫度匹配：（??900）利用倍頻晶體內折射率隨溫度的變化關系的特性，使當t=tpm時，n2??tpm??n??tpm?，達到相位匹配，tpm為匹配溫度。溫度匹配與角度匹配相比有以下兩個優(yōu)點：①在溫度匹配中由于θ=90°，可以消除角度匹配導致的“光孔效應”，使二次諧波功率有較強的輸出。②溫度匹配對θ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限大平面的嚴格單色波，而是高斯波。所以，以上推導出的pm條件，在實驗中只能近似滿足。在各種條件下的qm與tpm主要由實圖5-5溫度匹配篇三：nd：yag激光器倍頻特性實驗報告nd:yag激光倍頻特性實驗目的：1.了解二次非線性光學效應2.了解二倍頻晶體中相位匹配實驗原理：當強光與物質作用后，表征光學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)，而是一個與入射光有關的變量，相應也出現(xiàn)了在線性光學中觀察不到的許多新的光學現(xiàn)象，非線性光學的產(chǎn)生與研究大大加深了我們對光與物質相互作用本質的認識，同時也具有極其重要的實用價值。1.光學倍頻光學倍頻又稱二次諧波，指在非線性介質中傳播頻率為ν的激光，其中一部分能量轉換到頻率為2ν的光波中去，使在介質中傳播的有頻率為ν和2ν兩種光波。從量化概念來說，這相當于兩個光子在非線性介質內發(fā)生湮滅，并產(chǎn)生倍頻光子的現(xiàn)象。在倍頻過程中滿足能量守恒何動量守恒定律。2.二次諧波的效率由基波的能量（功率）轉換成二次諧波的能量（功率）的比值，反映了介質的二次諧波效率，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質是：基頻光在晶體中沿途各點激發(fā)的倍頻光，在出射面產(chǎn)生干涉，只有相位匹配時才可干涉增強，達到好的倍頻效率。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。實驗中，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。實驗裝置1.he-ne激光器5.nd:yag振蕩棒2.小孔光闌3.1064nm全反凹面鏡m14.cr:yag調q晶體9.能量計10.