激光实验非线性光学讲义.doc

固体激光倍频与和频一、实验目的：1、了解激光倍频的原理和意义；2、了解角度匹配的原理及调节方法；3、掌握KTP晶体（KTiOPO4磷酸氧钛钾）的匹配类型及匹配角度；4、了解KTP晶体匹配角的计算方法；5、掌握倍频效率的测量方法及倍频效率随注入能量的变化规律。二、实验原理： 1.非线性光学基础 光与物质相互作用的全过程，可分为光作用于物质引起物质极化形成极化场以及极化场作为新的辐射源向外辐射光波的两个分过程原子是由原子核和核外电子构成，当频率为的光入射介质后，引起介质中原子的极化，即负电中心相对正电中心发生位移r形成电偶极矩 其中e是负电中心的电量,我们定义单位体积内原子偶极矩的总和为极化强度矢量P， N是单位体积内的原子数极化强度矢量和入射场的关系式为： 其中（1），（2），（3）分别称为线性极化率二级非线性极化率三级非线性极化率并且（1）（2）（3）在一般情况下每增加一次极化，值减小七八个数量级由于入射光是变化的其振幅为以极化强度也是变化的根据电磁理论变化的极化场可作为辐射源产生电磁波新的光波在入射光的电场比较小时(比原子内的场强还小)，（2），（3），等极小，P与E成线性关系为：P=（1）E。新的光波与入射光具有相同的频率这就是通常的线性光学现象但当入射光的电场较强时不仅有线性现象而且非线性现象也不同程度地表现出来新的光波中不仅含有入射的基波频率还有二次谐坡三次谐波等频率产生，形成能量转栘频率变换这就是只有在高强度的激光出现以后，非线性光学才得到迅速发展的原因 2二级非线性光学效应虽然许多介质都可产生非线性效应，但具有中心结构的某些晶体和各向同性介质(如气体)，由于10-3式中的偶级项为零,只含有奇级项(最低为三级)，因此要观测二级非线性效应只能在具有非中心对称的一些晶体中进行，如KDP(或KD*P)、LiNO3晶体等。现从波的耦合，分析二级非线性效应的产生原理设有下列两波同时作用于介质： 介质产生的极化强度应为二列光波的叠加，有 经推导得出，二级非线性极化波应包含下面几种不同频率成分： 从以上看出，二级效应中含有基频波的倍频分量(21)、（22）、和频分量(1+2)，差频分量(1-2)、和直流分量故二级效应可用于实现倍频和频，差频及参量振荡等过程当只有一种频率为的光入射介质时(相当上式中1=2=)，那么二级非线性效应就只有除基频外的一种频率(2)的光波产生，称为二倍频或二次谐波在二级非线性效应中，二倍频又是最基本、应用最广泛的一种技术第一个非线性效应实验，就是在第一台红宝石激光器问世后不久利用红宝石06943m激光在石英晶体中观察到紫外倍频激光后来又有人利用此技术将晶体的1.06m红外激光转换成053m的绿光，从而满足了水下通信和探测等工作对波段的要求当1不等于2时，产生3=1+2的光波叫和频如入射的光波分别为和2，和频后得3，3=+2 (注意它数值上等于三倍频。但不是三倍频非线性效应过程)本实验将对和频进行观测。 3非线性极化系数非线性极化系数是决定极化强度大小的一个重要物理量在线性关系P=（1）E中，对各向同性介质（1）是只与外电场大小有关而与方向无关的常量；对各向异性介质，（1）不仅与电场太小有关而且与方向有关在三维空间里，是个二阶张量有9个矩阵元dij，每个矩阵元称为线性极化系数， 在非线性关系P=（2）E2中，（2是三阶张量，在三维直角坐标系中有27个分量鉴于非线性极化系数的对称性矩阵元减为18个分量，在倍频情况下 P和E的下角标x，y，z表示它们在三个不同方向上的分量，鉴于各种非线性晶体都有特殊的对称性，就像晶体的电光系数矩阵一样，有些dij值为零，有些相等，有些相反因此无对称中心晶体的dij，独立的分量数目仅是有限的几个例如KDP(或KD*P)晶体有： 其中d14=d25，在一定条件下，还可以有d14=d36又如铌酸锂晶体，有 其中d31=d15查阅有关资料，可得它们的具体数值实际工作中，我们总是希望选取dij值大性能稳定又经济实惠的晶体材料4.倍频光的脉冲宽度和线宽通过对倍频光脉冲宽度t和相对线宽的观测还可看到两种线宽都比基频光变窄的现象这是由于倍频光强与入射基频光强的平方成比例的缘故，图1中假设在t=t0时，基频和倍频光具有图1. 基频光与倍频光的脉宽的比较相同的极大值基频光在t1和t1，时功率为峰值的1/2，脉冲宽度t=t1-t1，而在相同的时间间隔内，倍频光的功率却为峰值的1/4，倍频光的半值宽度t2-t2t1-t1，即t2t1，脉冲宽度变窄同样道理可得到倍频后的谱线宽度也会变窄由于一般调Q脉冲激光器输出功率比较高，通常采用腔外倍频这种方法虽不如腔内倍频效率高但装置简单，便于调整和测量本实验就是采用了腔外倍频的装置结构 三、实验装置：实验装置见图10-6，并说明如下：-构成YAG激光器振荡级其中：是106m全反射镜；是LiNbO3，单块双450调Q晶体为YAG激光器的主体，包括YAG棒氙灯聚光和冷却系统：是输出端平面反射镜，对106m激光半透射半反射输出能量大干50mJ经边束调制的YAG调Q激光器产生的106m 激光是全偏振光，通常为偏振方向在竖直方向上的o光，以满足倍频晶体相位匹配o十o e的要求。YAG放大级没有谐振腔，仅对输入的1.06m的激光增强放大，放大后的能量大于200mJ，脉宽约20ns，线宽约O. 铌酸锂倍频晶体，将1.06m的红外激光转变成O53m的绿光后，晶体的入射面镀有对1.06m的增透膜出射面镀有对0.53m的增透膜倍频效率约10一15它置于有刻度的可调旋转台上，用以改变入射光的角度LiNbO3，晶体易损伤操作时要细心。对波长106m全反射，1.53m全透射的平面分光镜(也可用棱镜)，目的是将053m的绿光滤出，以便进行能量测量KD*P三倍频晶体将1.06m的红光与053m的绿光和频，产生035m紫外光(当用观察屏接收时可看到紫色荧光)晶体的输入窗口上注有对两束光偏振方向的要求。 石英分光棱镜将1.06m，0.53m和0.35m激光按不同角度出射，目的是把0.35m光分离出来，以便进行能量测量LPA-1A型激光功率能量计可测连续激光功率和脉冲激光能量，光谱响应范围02525m量程是0001mW/mJ1.999WJ内分四挡，分辨率为IuWAdWDG30光栅单色仪实验中用来鉴定倍频及和频后激光的波长值，当选用一块1200线m m光栅时，波长范围 380760nm波长准确度2,分辨率1狭缝宽度0.013mm，高度110mm影响倍频效率的参量：高效率的二次谐波转换取决与有关激光源和谐波发生器的一些参量：前者如功率密度、光束发散角和谱线宽度等；后者如非线形系数、晶体长度、角度和温度对于最佳工作点的偏移，晶体的吸收和不均匀性等。四、实验仪器： 示波器；热释电能量探头；连续光电探头；脉冲光电探头。五、实验内容及步骤：由于本实验具有强光和高压电，为保证安全，必须首先仔细阅读实验室注意事项，然后才开始操作1.调整激光器出射光方向，使其和基座导轨同方向并与轨上各光学器件处于等高的水平方向，这样便于接收调节检测YAG激光器输出光功率是否正常.微调YAG放大器基座，与激光器保持共轴，使输出功率最佳对1.06m不可见的红外激光除可用能量计准确测定其能量值外还可用烧斑纸对光的有无和能量的大小进行粗略检查。2.将倍频晶体、平面分光镜、能量计放置在同一水平高度上。3.转动倍频晶体，使106m的基频光以不同角度入射于晶体（可在已知的理论值附近20。范围内）每05。改变一次测出倍频光的能量与入射角的对应关系，画出I2-曲线，求出最佳值，并与理论值作比较从光强的变化中也可看出，当倍频光由弱的圆环或散开的光斑缩为一耀眼的光点时，即达到了最佳匹配状态，在我们对某一波长的激光进行能量测量时要注意将待测激光与其他波长的激光及闪光灯的荧光彻底分离开，防止后者中有部分光也同时进入能量计会影响到测量值的准确鉴于光束的发散，能量计与倍频晶体一般保持在10cm处在测量的过程中能量计放置的角度也会随着出射光方向的改变稍有变化。4.将倍频晶体固定在最佳倍频位置用能量计分别测出1.06m的输入光强及0.53m的倍频