（材料学专业论文）晶体非线性光学系数测量平台中的数据采集与处理.pdf

山东大学硕士学位论文 晶体非线性光学系数测量平台中的数据采 集与处珊a - - d ：木，足 摘要：非线性光学系数是非线性光学晶体的重要参数。如果晶体不能实现位相匹 配，或者晶体的部分非线性光学系数不参与位相匹配，则非线性光学系数一般通 过m a k e r 条纹法进行测定。本文重点研究和实现了m a k e r 条纹法测量晶体非线 性光学系数的数据采集和数据处理。 m a k e r 条纹法测量非线性光学系数的实验平台包括激光器、转台、探测器、 门控积分仪等许多仪器。光源、探测器、样品、转台等同步性要求强，人工操作 难以实现这种同步。m a k e r 条纹法所采集的光电信号是微弱信号，受干扰能力差， 需要大量采集数据，采集的数据越多，结果就会越精确。m a k e r 条纹法通常采用 比较法进行测量，实验结果的重复性要求高。根据本实验平台数据采集的特点， 须使用自动化仪器和计算机技术相结合，才能很好地完成数据的采集工作。在研 究了各种仪器接口的基础上，专门设计了软件p o r t m a s t e r 控制数据的采集，实现 了数据采集的自动化，采集的数据精确度高，极大地提高了实验效率。 m a k e r 条纹实验的关键是采集晶体样品在不同转角下的倍频光功率。晶体转 角由转台精确地控制，在一定转角下的倍频光功率经探测器后由门控积分仪积分 平均后输出。整个实验过程由计算机通过软件p o r t m a s t e r 进行控制，本文详细讨 论了实验过程的时序控制及如何提高实验数据的准确性等问题。 进行一次m a k e r 条纹法实验，将采集上千组数据，采用计算机软件进行数据 处理是比较方便的。目前，专门处理m a k e r 条纹数据的软件较少，功能也不完善， 有些仅适用于中高级晶体，不能处理低对称性晶体的实验数据。根据m a k e r 条纹 法理论公式及实验数据的特点，专门设计了数据处理软件m a k e r d p 。在m a k e r d p 中，既可以根据输入的理论公式绘制曲线，也可以导入实验数据，绘制实验曲线， 并且可以将理论曲线和实验曲线绘在同一个图中进行比较。在m a k e r d p 中对实 验数据进行拟合及分析后，可以计算出晶体的非线性光学系数。m a k e r d p 不但 适用于中高级晶体，对低对称性晶体也是适用的。 本测量平台所用的仪器和软件可适应m a k e r 条纹方法的多种变化，具有广阔 的应用前景。 关键词：非线性光学系数；m a k e r 条纹法；数据采集；数据处理 i v 山东大学硬士学位论文 d a t aa c q uisitio na n dp ro c e ssin gin s e c o n d o r d e ro p tic ain o ni - n e a r c o e f ficie n tm e a surin gpia t f or m a b s t r a c t - s e c o n d - o r d e ro p t i c a ln o n l i n e a rc o e f f i c i e n t sa r et h ei m p o r t a n t p a r a m e t e rf o ro p t i c a ln o n l i n e a rc r y s t a l s s e c o n d 一0 r d e ro p t i c a ln o n l i n e a r c o e f f i c i e n t sa r em e a s u r e du s i n gm a k e rf r i n g e r s ，i fc r y s t a l sc a n t a c h i e v ep h a s em a t c h ，o rs o m ec o e f f i c i e n t sa r en o ti n c l u d e di np h a s em a t c h t h i st h e s i sc h i e f l yr e s e a r c h e da n dr e a l i z e dd a t aa c q u is i t i o na n dd a t a p r o c e s s i n gi nt h em e a s u r e m e n to fs e c o n d - o r d e ro p t i c a ln o n l i n e a r c o e f f i c i e n tu s i n gm a k e rf r i n g e r s t h ee x p e rim e n t a l pla tf o r m o fs e c o n d - o r d e r o p tic a ln o n lin e a r c o e f f i c i e n t sm e a s u r i n gu s i n gm a k e rf r i n g e r sc o n s i s t so fl a s e r ，r o t a t i n g p l a t f o r m ，d e t e c t o r ，g a t e di n t e g r a t o r s， e t c t h e r e q u i s i t e s y n c h r o n i z a t i o no fl a s e r ，d e t e c t o r ，s a m p l e ，a n dr o t a t i n gp l a t f o r mi ss o r i g i dt h a tm a n u a lo p e r a t i o nc a n tb ea c h i e v e d p h o t o e l e c t r i cs i g n a l s t h a ta r ea c q u i r e db ym a k e rf r i n g e r sa r ew e a ko n e s ，t h e ya r es u s c e p t i b l e o fd i s t u r b a n c e s t h em o r ed a t aw eg a t h e r ，t h ee x a c t e rr e s u l t sw e 1 1g e t s ow en e e dt og a t h e ra sm a n ya sd a t a t h em a k e rf r i n g e r st e c h n i q u ew eu s e d i sar e l a t i v em e a s u r e m e n t ，i tn e e dh i g hr e p e t i t i o n b a s e do nt h ef e a t u r e s o fo u rd a t ag a t h e r i n g ，w em u s tc o m b i n et h ea u t o m a t e di n s t r u m e n t sa n d c o m p u t e rt e c h n o l o g yt oa c c o m p lis ho u rt a s k so fd a t ag a t h e r i n gw e l1 w e s t u d i e da 1 1s o r t so fi n s t r u m e n t sp o r t s ，a n dd e s i g n e ds p e c i f i c a l l yt h e s o f t w a r ep o r t m a s t e rt oc o n t r o ld a t ag a t h e r i n g i tm a k e sd a t ag a t h e r i n g a u t o m a t a b l e ，a n de n h a n c e st h ea c c u r a c yo fg a t h e r i n gr e s u l t sa n d t h e e f f i c i e n c yo fe x p e r i m e n t sg r e a t l y t h ec r u c i a lq u e s t i o ni nm a k e rf r i n g e r se x p e r i m e n ti sh o wt og a t h e r t h eg e n e r a t e ds e c o n d 。h a r m o n i c p o w e ro fc r y s t a l s a m p l e si nd if f e r e n t r o t a t i n ga n g l e s t h ea n g l e sa r ec o n t r o l l e db yr o t a t i n g p l a t f o r m a c c u r a t e l y t h es e c o n d h a r m o n i cp o w e risd e t e c t e db yd e t e c t o r sa n d i n t e g r a t e db yg a t e di n t e g r a t o r s ，t h e nisa v e r a g e da n de x p o r t e d t h ew h o l e p r o c e s si sc o n t r o l l e db yc o m p u t e rv i ap o r t m a s t e r t h i st h e s i sd e t a i l e d l y d e p i c t e dt h es e q u e n c ec o n t r o li ne x p e r i m e n ta n dh o wt oi m p r o v et h e a c c u r a c yo fe x p e r i m e n t a ld a t a ，e t c h u n d r e d s o f d a t aa r ec o ll e c t e dine a c he x p e r i m e n t ，a n ditis c o n v e n i e n tt om a n a g ed a t ab yc o m p u t e rs o f t w a r e a tp r e s e n t ，s p e c i f i c s o f t w a r et op r o c e s sm a k e rf r i n g e r sa r ef e w ，a n dt h ef u n c t i o no ft h e mi s n o tp e r f e c t s u c ha s ，s o m ea r eo n l ys u i t a b l ef o rm e d i a la n dh i g hs y m m e t r y c r y s t a l s ，b u ta r e n o tf o rl o ws y m m e t r yc r y s t a l s w es p e c i f i c a l l yd e s i g n e d d a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r em a k e r d p ，b a s e do nt h et h e o r yf o r m u i a so fm a k e r f r i n g e r sa n dt h ef e a t u r e so fe x p e r i m e n t a ld a t a w ec a nd r a wc u r v e sb a s e d o nt h ei n p u tf o r m u l a s w e a ls om a yi n p u te x p e r i m e n t a ld a t aa n dd r a w v 山东大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a lc u r v e s i no n ec h a r t ，e x p e r i m e n t a lc u r v ea n dt h e o r yc u r v e a r ec o m p a r e d w ec a nc a l c u l a t et h es e c o n d o r d e ro p t i c a ln o n l i n e a r c o e f f i c i e n t s ，a f t e ri n t e g r a t i n ga n da n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t ai n m a k e r d p m a k e r d pi ss u i t a b l eb o t hf o rm e d i a la n dh i g hs y m m e t r yc r y s t a l s a n df o rl o ws y m m e t r yc r y s t a ls t h ei n s t r u m e n ta n ds o f t w a r ei nt h i se x p e r i m e n t a lp l a t f o r ma c c o m m o d a t e c h a n g e si nm a k e rf r i n g e r st e c h n i q u e ，a n di sp r e d i c t e dt ou s ew i d e l y k e y w o r d s ：n o n li n e a ro p t i c a lc o e f f i c i e n t ：m a k e rf r i n g e st e c h n i q u e ：d a t a a c q u i s i t i o n ：d a t ap r o c e s s i n g 山东大学硕士学位论文 符号说明 电场强度 真空绝对介电常数 电极化率 电极化强度 非线性光学系数 非线性光学系数的简化下标形式 角频率 晶体转角，折射角 高斯激光的光点半径( 孔径) 光速 透射光功率 透射因子 反射修正因子 投影因子 沿通光方向的晶体厚度 相干长度 折射率 总不确定度 系统误差不确定度 随机误差不确定度 非线性光学系数平均值 v n e x 尸 触枷秒凰c凡r加啪，如刀“钆一z 山东大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：翌主墅日 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：埠导师签名： 日 期：掣、 山东大学硕士学位论文 1 引言 当光在介质中传播时，介质中的价电子在光电场的作用下产生相对于原子的 电荷位移，引起介质的极化，产生受迫振动，辐射出光场频率的二倍、三倍、 频率的电磁波【1 l ，即产生二次谐波、三次谐波、。 在激光出现以前，由于光电场强度与原子内场强相比甚为微弱，一般只考虑 介质极化的线性性质，就是直接与场强度成正比的性质。弱光作用下的全部光学 现象，如光的折射、反射、吸收、散射等，是线性光学的研究范围。 激光是一种特殊的光【2 1 ，在一个量子态中有几亿亿个光子。光子兼并度比普 通光增加2 0 个量级，必然引起光学现象的飞跃。高兼并度的激光具有高亮度、 非常好的单色性、相干性和方向性。激光的光频电场强度，与原子内场强相比， 已不可忽略。因此，光波导致的介质极化，除传统弱光中的电场线性项外，非线 性项即萨，等便不可忽略。 可将极化强度表达为光电场强度作用的各项非线性项和线性项的和【3 】： 尸= 8o ( x g + g 2 萨+ ) c 3 f + ) ( 1 一1 ) 式中与酽，矿，等有关的效应称为非线性光学效应，具有非线性光学效应 的晶体称为非线性光学晶体。 非线性光学是现代光学的一个新领域，是研究在强光作用下物质的响应与场 强呈现的非线性关系的科学，这些光学效应称为非线性光学效应。 在众多的非线性光学效应中，倍频效应( 二阶非线性光学效应) 是最引人注 目，也是研究得最多的非线性光学效应。1 9 6 1 年f r a n k e n 等人利用红宝石激光器 获得的相干强光舻6 9 4 3 n m ) 透过石英晶体时，产生了扣3 4 7 2 n m 的二次谐波 【3 】，其光波频率恰好是基频光频率的两倍，即所谓的倍频效应，从而开创了二阶 非线性光学及其材料的新领域。 非线性光学材料是材料学科中的一个非常重要的领域，其基本原理及器件的 设计思想已基本完成，当前的关键问题应是研究与寻求性能更加理想、实用的非 线性光学晶体材料【4 】。这必将进一步推动光信息处理、光通信以及光计算等信息 领域的发展，带来巨大的社会效益和经济效益。 山东大学硕士学位论文 新型优良的非线性光学材料的制备和应用，在这一领域已经有不少材料投入 了实际应用【铜。但是波段红移和非线性光学系数之间的矛盾，使得非线性光学 材料的进一步优化遇到了极大的困难，这一问题的解决，必然会极大推动非线性 光学材料的优化制各与实际应用，因而也成为非线性光学学科中迫切需要解决的 焦点问题m 。低对称性晶体是一类及其丰富的材料资源，占目前已发现可供研究 晶体的一半以上；低对称晶体各向异性及潜在的应用开拓了一个广阔的研究开发 领域。 非线性光学晶体的主要应用是激光频率转换，优良的激光频率转换晶体应具 有如下性质8 】： 1 ) 晶体的非线性系数要大； 2 ) 晶体能够实现位相匹配，最好能实现最优位相匹配，要求具有适当大小 的双折射率； 3 ) 透光波段宽，透明度要高； 4 ) 抗光损伤能力强，即晶体的激光损伤阈值要大； 5 ) 晶体的激光转换效率要高； 6 ) 容易获得大尺寸( 在位相匹配方向达几厘米的可用长度) 和高光学质量 ( 折射率均匀性好，散射小) 的晶体； 7 ) 晶体的物化性能稳定，硬度大，物理化学性能稳定，不易潮解，温度变 化带来的影响要小； 8 ) 晶体易于加工，价格低廉等。 用于频率转换的非线性光学晶体的应用，首先要看其非线性效应的大小，非 线性效应的大小是由非线性光学系数来表征的。非线性系数的标定对于非线性光 学晶体的研究具有决定性影响【9 1 。 非线性光学系数冰是三阶张量，共有2 7 个分量，考虑张量固有对称性后将 减少为1 8 个分量【1 1 。由诺依曼原理【1 】可知，用三阶张量描述的二阶非线性光学性 质只能存在于2 0 种压电晶体中，由于各晶类晶体结构对称性的影响，勘k 的1 8 个分量还将进一步减少。若考虑克莱门原理【1 1 ，独立分量还将进一步减少。但即 便只有一个分量，测量该非线性光学系数也是一件不容易的事。 测定晶体非线性光学系数的方法主要有两种【3 ，8 】： 2 山东大学硕士学位论文 1 ) 位相匹配二次谐波发生( s e c o n dh a r m o n i cg e n e r a t i o n ，简称s h g ) 法。 在基频功率小于1 w 的情况下，位相匹配过程能够给出较大的二次谐波强度，因 此，该法可用于非线性光学系数的绝对测量，在过去较长时间内，对k d p 和a d p 晶体的绝对测量最多。当然也可用于非线性光学系数的相对测量，通常以k d p 和a d p 晶体的7 ( 3 6 作为参比； 2 ) m a k e r 条纹法n j 。有些晶体( 譬如石英晶体) 不能实现位相匹配，也 有一些晶体的部分非线性光学系数不参与位相匹配，其非线性系数需要用其他方 法测定。1 9 6 2 年，m a k e r 等在不能实现位相匹配的倍频效应实验中发现倍频光强 度随晶体样品转动而出现近似周期性的变化条纹，称为m a k e r 条纹，通过这些条 纹可以测定非线性光学系数，也可用k d p 晶体作为参考晶体来测出代测晶体的 非线性光学系数相对值。 正如蒋民华院士所说，“需求牵引，单晶为本 ，这不仅是晶体材料实验室 的理念，也具有很现实的指导意义。目前，低对称性新功能晶体的探索是晶体材 料的重要发展方向i n l , 低对称性晶体非线性光学系数的测定显得格外重要。一般 采用m a k e r 条纹法测量低对称性晶体的非线性光学系数。但由于仪器、技术等各 方面的原因，目前关于这方面的报道较少。 本文重点讨论和实现了m a k e r 条纹法测量晶体非线性光学系数的数据采集 与数据处理。 m a k e r 条纹法测量晶体非线性光学系数具有实验仪器同步性要求强、采集的 数据多、实验结果的重复性要求高等特点。本实验平台中，使用自动化仪器和计 算机技术相结合n 耵，由专门设计的软件p o r t m a s t e r 控制数据的采集，实现了数 据采集的自动化，采集的数据精确度高，极大地提高了实验效率。专门设计的实 验数据后期处理软件m a k e r d p 不但适用于中高级晶体，对低对称性晶体也是适 用的。测量软件是测试平台的一个重要组成部分。 在研究、探索非线性光学晶体材料的过程中，往往要随时测试所研究晶体有 无非线性光学现象，非线性系数的大小，晶体能否实现相位匹配等晶体性能，只 有掌握了所研究晶体的这些重要性能参数，才能判定晶体有无研究价值n 钔。因而 本测量平台对实验室建设意义重大，测量所用的仪器和软件可适应m a k e r 条纹方 法的多种变化，具有广阔的应用前景。 山东大学硕士学位论文 2m a k e r 条纹法测量晶体非线性光学系数 2 1 二次非线性光学系数 光在无吸收的透明介质中传播时，光频电场e ( ) 与介质相又作用引起介 质电极比。介质中电极化强度尸可按光波电场e 的幂级数展开【l 】： 尸= o ( 炻十x 2 髓十x 3 e e e 十) ( 2 1 ) 如果假设在各向异性晶体中传播的光频电场分量局、风、局相应的角频率分 别为i 、6 ) 2 、6 ) 3 ，电极化矢量尸= ( 尸l 、p 2 、p 3 ，) 。式( 2 一1 ) 式可写为： p j 一- - - 岛眈日弓( q ) + z ? 毛( q ) 巨( 哆) + z 2 弓( q ) 邑( ：) 骂( 鸭) + 】 ( 2 - 2 ) ( 2 _ 2 ) 式中第二项： f 回2 z ? 毛( q ) 邑( 吐) ( 2 - - 3 ) 称为二次非线性电极化，即介质中电极化强度与光波电场强度的二次方成正比。 而z 称为二阶非线性极化系数，并形成三阶张量1 1 。 假设频率为1 和2 的两束强激光光波，其电场分别为 局( 6 ) 1 ) - - e j o c o s ( l t ) ，鼠( 2 ) = e k o c o s ( 6 ) 2 t ) 代入( 2 2 ) 式得： f 圆2 岛硭喝。c o s q f ) ( c o s 啄) 2 岛z 寺弓。脚s ( o h t + c 0 2 f ) + c o s ( a ) l t - c 0 2 f ) 】 ( 2 _ 4 ) 鼍圆( q + 哆) + p ( q 一哆) 其中： 只g ( q - i - 吐) 2 i 1 z 呈上k c o s ( q f + 哆f ) ( 2 - - 5 ) f g ( q 一哆) 2 吉岛z ? 毛。c o s ( c o l t - 吐f ) ( 2 - 6 ) ( 2 - - 5 ) 式描述了和频效应；而( 2 - - 6 ) 式则描述了差颁效应。可见当两频率不 同的单色强激光相遇时产生混频( 和频及差频的统称) 极化场是必然的。在持殊 情况下，即l = 6 ) 2 时，则有 4 山东大学硕士学位论文 j d i ( 2 ) ( q + 咤) 印( 2 ) ( 2 7 ) f 2 ( q 一吐) 印( o ) ( 2 8 ) ( 2 7 ) 式中的p ( 2 ( i ) ) 就是介质中产生的倍频极化场；而( 2 - - 8 ) 式中的p ( 0 ) 是直流极化场。 介质中这些不同频率的极化波将各自辐射出与其相应极化波同频率的光波， 从而出现倍频、混顾及光整流等非线性光学效应。 二阶非线性极化系数z ? 也称为二阶非线性光学系数，在研究倍频效应时又 称为倍频系数。在非线性光学中它是决定二次非线性极化强度及其辐射相应光波 强弱的一个重要参数。 非线性光学系数z ? 是三阶张量，共有2 7 个分量，考虑张量固有对称性后 将减少为1 8 个分量。由诺依曼原理可知，用三阶张量描述的二阶非线性光学性 质只能存在于2 0 种压电晶体中，由于各晶类晶体结构对称性的影响，z ? 的1 8 个分量将进一步减少。若考虑克莱门原理，独立分量还将进一步减少。但即便只 有一个分量，测量该非线性光学系数也是一件不容易的事。 由三阶张量的固有对称性，z ? 可写成简化下标形式并用矩阵表示： z ? = ( f = 1 ，2 ，3 ；n = l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 )( h ) 用矩阵表示为： fz l lz 1 2z 1 3z 1 4 z 1 5 z 1 6l ( z i n ) = lz 2 lz 2 2z 2 3z 2 ，z 2 5z 2 6l ( 2 1 0 ) l z 3 lz 3 2 z 3 3z mz 3 5 z 3 6j 考虑克莱门对称性时各晶类的二阶非线性极化系数矩阵裂3 1 见表2 1 。 5 山东大学硕士学位论文 表2 一l 考虑克莱门对称性时各晶类的二阶非线性极化系数矩阵表 晶系 ( ) c i n ) fz l l z 1 2z 1 3 筋4z 1 5 z 1 61 三斜晶系 i z 1 6z 2 2z 2 3 z 2 4 z 1 4 z 1 2l 、z 1 5 - ，2 4 筋3 筋3z 1 3z 1 4 ( 1 0 ) 1 0 o0 z 1 4o z 1 6 、if ，z l l 筋2z 1 3 o z 1 5 z 1 61 单斜晶系 lz 1 6z 2 2z 2 30 z 1 40 ll 00o z 2 40z 1 2l l o 0 0 z 2 3o z 1 4 ( 4 )i z l 5z 2 4 z 3 3 0 z 1 3 o ( 6 ) f ，o 00 z 1 4oo 、1 1 0 0o0 z 1 50 、i 正交晶系 l 000 o 批ol l 000 z 2 4o 0 l l o 00oo z 1 4 ( 1 ) l z l 5z 2 4z 3 30 o0j ( 3 ) 1 0 0o0 z 1 50 1 f ，0 o0 z 1 4 z 1 5 0 1 l 000 z 1 5o ol 1 00 0 一z 1 5z 1 4 o l l z l 5z 1 5z 3 3o o o | ( 2 )l z l 5 - z 1 5 o 00 z n 4 ( 2 ) 四方晶系 f ，o 000 z 1 50 1 f ，o 0 o 加o0 、 l 00 0 舭0 0i l 000o z 1 4 o l l 筋5 筋5z , 3 3 0o q ( 2 )l o 00o 0 筋4 ( 1 ) f0o0 00 0 l0 000o0i l 0 0ooo o j ( 。) fz l l - z l l oo z 1 5 - z 2 21 fz 1 1 筋l 00 0 0 1 三方晶系 i - z 2 2z 2 2 0 z 1 5 o - z 1 1 i1 0o000 - z l ll l 筋5 z 3 30 o 0 凡l o 000o o 凡 6 山东大学硕士学位论文 f ，o 000 z 1 5 - x 2 2 、 l z 2 2z 2 2 0 z 1 50 o t , x 1 5 筋5z 3 3 00 0 3 ) 六方晶系 兰。，量。，| 3 ，；s ；1 5 ； 。：， z 控- 孑z 丝0 ：0 ：0 ： z 2 2 。：， f ，。0 。0 。0 三。，吾”： ，：盟：勉三0 。o 孑2 2 l z l 5z 1 5z 3 30 0o j ( 2 )l 0 00000 j ( 1 ) 立方晶系 f0 00 z 1 40 0 1 l 0000 z 1 4 0 i t , o 0 0 0 0 筋4 ( 1 ) 2 2m a k e r 条纹法测量晶体非线性光学系数 m a k e r 条纹法，是m a k e r 等人在1 9 6 2 年做不能实现位相匹配的倍频效应实 验中发现的。当一个平面平行的晶体统垂直于激光束的轴旋转时，倍频光强随之 出现近于周期性变化的曲线，称之为m a k e r 条纹，它表现了极化场与二次谐波间 的干涉现象。图2 1 示出的是石英晶体的m a k e r 条纹，从图中可知，曲线上相 邻的n 。的峰值随晶体转动角度口的增加而下降。通过对m a k e r 条纹的分析， 可以测定非线性光学系数。下面以a d p 、k d p 和石英晶体为例进行说明。 7 山东大学硕士学位论文 石荚晶片 砖光片 “) 、 ，光电、 甚2 0 艇 靛 翼 歌1 0 曩 审 o 麓转a 度( 度) 6 ) 图2 一l 倍频光强厦与晶体厚度的关系 ( a ) 实验装置示意图，( b ) m a k e r 条纹 j j e r p h a g n o n 和s k k u r t z 在1 9 7 0 年对a d p 、k d p 和石英晶体的m a k e r 条纹进行了仔细地研究，并给出了倍频光功率随转角8 而变化的m a k e r 条纹公式 【3 】： 咖等删咿之( 去) ( s i 吗) ( 2 _ 1 1 ) 式中，r 0 为高斯激光的光点半径( 孔径) ；c 为光速；p 。为透射光功率；丁 为透射因子；r ( 功为反射修正因子；s ( 功为投影因子；，为沿通光方向的晶体厚 度；厶为相干长度n 们。 透射因子与基频光电矢量和入射面( 即基频光波矢与表面法线组成的平面) 的夹角有关。当基频光电矢量平行于入射面时 乙( p ) 2 j-夏忑2丽cos0 ，五。( a ) = 三! 互! 婴型墨! 刍詈芝砉耋美琶竺塞詈砉；删 其中p l 和0 2 为折射角。当基频光的电矢量与入射面垂直时 即) 2 丽2 c o s 0 = 坐咝等墨氅产 若入射角8 = 0 ( 即垂直入射时) ，岛= 0 2 = 0 ，则透射因子可修正为 w ，2 寿 = 半 反射因子- ( 0 ) 为 ，( 。) = 面1 葫2 南4 8 山东大学硕士学位论文 其中a l = ( 甩l 一1 ) ( n l + 1 ) ；a 2 - ( n 2 1 ) ( 刀2 + 1 ) ，当，z 2 时，可 近似地认为 邶川+ 器 相干长度，c ( o ) 为 “o ) 2 柄 q - 1 2 ) 式中a 为基频光波长。 投影因子与点群和晶体方位的关系，如表2 - - 2 所示。 表2 2 投影因子s ( 们与点群及晶片取向的关系 片电矢量电矢量 缸点转ils ( 囊向e l 3 3 z 五- ( 0 1 i ) 旬 甸 旬 l 6 m 2 如3 a 一1 0 1 )n 飘g 敏工t l ，蛔3 ， 如( 口)静| i糕= i搿i i ，f 1 3 ，1 6 自n _ ，4 _ ， 勋( 五一)l i l lj - = l静t i口 l 3 3 6 ，由，” t 2 啊。 z _( 1 1 0 )l 毒iaj 2 瞄( 以+ 蛔( 一 ) 2 3 3 毋 将s i n ( 7 【，2f c ( e ) ) = l ( 即p 2 。的诸峰值) 连接起来，形成m a k e r 条 纹的包迹。在0 = 0 处出现最大值： l ( 。) = 罡( 。) = 可5 1 2 t r 2z 血巧( 。) ) ，( 咿( 。赢p 2 ( 2 - - 1 3 ) 于蹦= 黪蚪掣c 志，2 警 若以k d p 为参考晶体，则待测晶体非线性光学系数的相对值为 班鑫= 鬻，2 襁惫( 2 - - 1 4 ) 式中m = 鲥氅器趔 9 山东大学硕士学位论文 图2 2m a k e r 条纹测试装置 1 、2 、3 一光电倍增管；4 一参考晶片；5 一y a g 激光器；6 一待测晶体； 7 ，8 一激光光度计积分器；9 一记录仪：f 一镜片： p l 一起偏器；p 2 一检偏器；e 一分光片 图中，参考晶片固定在m a k e r 条纹的第一个极大值的位置上。起偏器沿水平 方向振动，检偏器的振动方向视待测晶体非线性光学系数加而定。待测晶体的 方位可查问表2 _ - 2 ，测试时其转速为l7 - - 2 0 s 。参考晶片和待测晶体的两 个信号分别由两个激光光度计积分器接收，并由双信道记录仪记录。 因此，测出m a k e r 条纹的包迹的最大值( o ) ，用( 2 1 2 ) 式确定出相干 长度如( 0 ) ，并将有关的折射率刀l 、1 2 代入式( 2 - - 1 3 ) ，就可以得到待测晶体的 加。 或者求出待测晶体的i r a ( 0 ) 后，用相同的方法求出k d p 的j k d p ( o ) ，结合有关 的折射率疗1 、甩2 ，可由式( 2 一i 4 ) 算出待测晶体的相对非线性光学系数。 在实际工作中，精确地测定晶体的二阶非线性光学系数比较困难，故在实际 工作中，多以k d p 晶体的灼6 ( = o 5 3 l0 q 2 m v 。1 ) 为标准，对其他晶体进行 相对测量，而取其相对值【引。 m a k e r 条纹法主要用于不能实现位相匹配的晶体的非线性光学系数的测试， 能得到最多不同类型的结果，并且测试精度较高。 l o 山东大学硕士学位论又 31m a k er 条纹实验装置 3 数据测量平台 参考现有的文献“”7 ”“，本实验平台中采用的实验装置原理如图3 一l 所示。实验装置如图3 2 所示。 光阑晶体滤色片 圉3 1m a k e r 条纹实验装置原理图 图3 - - 2m a k e r 条纹实验装置图 山东大学硕士学位论文 n d ：y a g 激光器发出的激光脉冲( 波长为1 0 6 4 n m ，脉冲宽度为1 0 n s ，光 束直径为l m m ) ，经分光片分成两束，一束经光电二极管，探测光信号作为积分 仪的触发信号，另一束用光阑对其发散角进行限制，经过起偏器得到与晶轴平行 或垂直的的基频单色线偏振光n 幻，基频光经聚焦系统后入射进入晶体，产生倍频 光。基频、倍频混合光波经滤色片时滤去基频光，仅让倍频光波透过，倍频光的 单色性得以提高。因为倍频光是偏振光，倍频光经检偏器( 检偏器的振动方向视 待测晶体非线性光学系数而定) 使偏振光通过，限制非偏振光，进一步提高了倍 频光的纯度。经过一系列处理的高纯度的倍频光经光电倍增管放大信号，最后信 号由b o x c a r 门控积分平均系统进行采集，并将光强信号转换为光功率信号。 激光器可根据需要发出单个的或是连续的脉冲信号。待测晶体放在转台上， 电位移控制器可以精确控制其转动角度( 分辨率o 0 0 1 2 5 。) 。b o x c a r 门控积分 仪可以对多个激光脉冲信号进行平均以提高测量精度。 激光器、转台、门控积分仪等主要的仪器既可手动操作，也可通过仪器的指 令系统进行控制。由于m a k e r 条纹法测量非线性光学系数的数据量非常大，因而 不宜采用手动操作。本实验平台将激光器、转台、门控积分仪等通过仪器的 r s 2 3 2 乜接1 2 1 与计算机进行了连接。仪器系统的大部分操作由计算机通过专门编 制的通用软件p o r t m a s t e r 进行控制。 进行一次m a k e r 条纹实验需要采集上千组数据，一组数据为( p ，p ：。) ，其 中口为晶体转角，尸。为倍频信号强度。采集一组数据的过程是：通过指令控制 转台将晶体转动一个角度，延时等待b o x c a r 门控积分仪采集并平均r 。信号，读 取r 。信号。 。 仪器调试及实验过程中要经常变换数据采集方式，因而要经常变换仪器指 令，p o r t m a s t e r 满足了这方面的要求，简化了操作，提高了工作效率。 下面对实验平台中的主要仪器作简要介绍。 3 1 1 激光器系统 激光器系统用于提供实验必须的1 0 6 4 n m 激光脉冲。激光应具有入射功率高、 有合适的激光输出模式( 基横模或低阶横模) 、谱线宽度窄、光束发散角小等特 点 2 0 1 。本测试平台采用镭宝光电技术有限公司( l a b e s to p t r o n i e sc o ，l t d ) 公司 生产的s u n l i t e 系列n d ：圩激光器系统。型号为s u n l i g h t 2 0 0s g r - 1 0 脉冲固体 1 2 山东大学顷士学位论文 调q 单纵模1 0 5 3 激光器，外形尺寸9 6 0 r r g n x 4 8 0 m m x 2 0 0 m m ( l x w x h ) 。如图 3 3 。 圈3 - 3 澈光器外观田 激光器工作原理：本激光器振荡级完成基频激光输出，产生的激光波长处于 红外光波段，即波长为1 0 5 3 m n 模式为单纵模；再经过削波器削波使激光脉冲 宽为l i l s 。经过四个激光放大级激光输出达到所需的强基频光脉冲一一2 0 嘶吖脉 冲 l h z ；削波器不工作时，经过放大后得到1 川球冲 1 h z 此时的脉宽为1 5 2 0 n s 。此后可以通过不同的非线性晶体，得到不同波长的激光输出。 参数指标 输出波长： 1 0 5 3 r t m 输出能量：e 1 0 5 3 。2 0 0 m j ( 1 h z l n s ) e 1 0 5 3 1 j ( 1h z g l 5 2 0 n s ) 激光模式：单纵模( 1 h z ) 脉宽： 1 n s ( 1 0 ) 能量稳定度： 5 1 0 5 3 n m 重复频率： 1 h z 312 光电倍增管 光电倍增管用于放大倍频激光信号。采用北京卓立汉光仪器有限公司生产的 p m t h s i v l - c r l 3 1 型光电倍增管探测器。见图3 - 4 。 主要特点： 山东大学硕士学位论文 侧窗式，具有电、磁、光屏蔽。 可与谱仪系列、样品室、滤光片轮等匹配连接。 内置e 6 7 8 1 1 a 专用管座并焊接分压电阻。 标准b n c 插头输出信号。 专用耐高压b n c 插头输入稳定高压。 可内置l 也1 2 、r 2 1 2 u h 、1 p 2 8 、c r l 3 l 、r 1 0 5 、1 p 2 1 、r 1 0 5 u h 、9 3 1 a 、 c r l l 4 等光电倍增管。( 如光电倍增管室内置c r l 3 1 型光电倍增管，则型号为 p m t h s 1 c r l 3 1 ) 。 应用范围： 荧光分光光度计、拉曼光谱仪、气相液相色谱仪、浊度计、直读光谱仪、 生化医疗检测仪器、油水分析、测汞仪、硫、氮氧化物环境检测仪器、化学发光 仪器。 主要技术指标 波长范围：1 8 5 9 0 0 r i m 最大响应度：4 0 0 r i m 阴极灵敏度：7 4 m a 侧 阴极面积：8 x 2 4 m m 打纳极增益：lx 1 0 7 阳极暗电流：3 x 1 0 母a 阳极和阴极间最大电压：1 2 5 0 v 1 4 山东大学硕士学位论又 o 图3 4 光电倍增管探测器外观图 光谱响应 盯 i 十 、 i l ；、j -、 1 一1 一 l ；，l l ；】i f i ，l | 謇善晷量霉墓量器毫呈星誊垦量 碹长“砧 图3 5 光电倍增管探测器典型光谱响应曲线 313 旋转台一r l ( 1 0 0 高精度电控旋转台 e 5 5 幽譬 山东大学硕士学位论支 待测晶体放在旋转台上，旋转台用来旋转晶体。采用北京卓立汉光仪器有限 公司生产的r a k l 0 0 高精度电控旋转台。见图3 6 。 r a k 系列电控旋转台通过步进电机驱动，实现角度调整自动化。精加工蜗 轮蜗杆或齿轮传动，角度调整无极限。精密轴系设计，保证精度高，承载大。步 进电机与传动件通过进口高品质弹性联轴器连接，排除空间和加工形位误差。旋 转台面外圈刻度直观。标准接口，方便信号传输。手动手轮配置，电控手动均可。 可换装伺服电机。 主要技术指标 型号：r a k l 0 0 重复定位精度：( 00 0 5 0 最太静转矩：4 0 n c m 虽大速度：2 5 。i 把c 中心最大负载：5 0 k g 3 14 电移台控制器 图3 6r a i ( 1 0 0 高精度电控旋转台外观图 传动比：】舯：1 步进电机( 18 0 ) ：4 2 b y g h l 0 额定工作电流l7 a 分辨率( 8 细分) ：00 0 1 2 5 。 自重：l5 4 k g 屯移台控制器用于控制旋转台的旋转，从而控制晶体的旋转。采用北京卓立 汉光仪器有限公司生产的s c 3 0 0 旋转台控制器。见图3 7 。 s c 3 0 0 系列步进电机控制箱是一款1 - 3 轴点对点( p t p ) 位置定位集成控制 系统，特别针对位移台旋转台的控制，内置驱动性能优良的步进电机驱动器， 控制功能强；控制面板人机化设计，简洁明了操作简便，在不接