脉冲激光器的调Q和倍频

1、脉冲激光器的调Q和倍频实验目的1. 熟悉Nd:YAG激光器的结构。2. 了解和掌握利用晶体的线性电光效应实现激光调Q的原理。3. 了解和掌握激光倍频技术的基本原理和倍频晶体相位匹配的方法。实验原理激光调Q技术就是使激光谢振腔的 Q值发生变化，使激光工作物质的受激辐射压缩在 极短的时间内发射的一种技术。具体的讲就是在光泵开始激励的初期，使腔内的损耗很大， Q值很低，这使激光振荡的阈值很高，使激光振荡不能形成，因而上能级的反转粒子数大量积累。当积累达到最大值时，突然时谐振腔的损耗变小，Q值突增，这时反转粒子数密度比阈值大得多，使激光振荡迅速建立， 腔内像雪崩一样以极快的速度建立起极强的振荡，于在极

2、短的时间内输出一个极强的激光脉冲。调Q激光脉冲峰值功率一般都高于兆瓦级，而脉冲宽度只有10-810-9秒，因而通常将这种脉冲称为激光巨脉冲。激光谐振腔内的损有多 种，用不同的方法来控制腔内不同的损耗，就形成了不同的调Q技术，例如控制反射损耗的有转镜调Q技术、电光调Q技术，控制吸收损耗的有染料调Q技术，控制衍射损耗的有声光调Q技术等。倍频技术就是将频率为 3的强激光束入射到某些非线性晶体，通过强光与物质的相互作用，产生2 3的二次谐波的技术。倍频技术是目前由较低频率的激光转换为较高频率激光的 最成熟和最常用的频率转换技术，也是最早被利用的非线性光学效应。当光与物质相互作用时，就会带起原子外层电子

3、的位移，产生电偶极矩m = er，其中e为负电中心的电荷量，r是负电中心相对于正电中心的距离。单位体积内偶极矩的总和为极化强度P , P二Nm,N是单位体积内的原子数。极化强度的大小和方向随外电场的变化而变化，这种极化场就会产生电磁波的辐射。如果入射到介质上光束的频率为 3，电场矢量为E -E0 cos t 二 E0 cos2炼：t由于光的作用，产生的极化强度P与外电场强度矢量 E之间的关系为P =(1) e川亶 EE 式中 ，为与时间、位置无关的常数，成为介质的极化系数，且有/ A /(2)a Z(3)(2)可简化当入射光很弱时，极化系数的高阶项都可忽略不计，则Pl =尤 E =咒 ”E。C

4、OSt其频率与入射光频率相这就表明弱光照射下， 介质的极化强度矢量与电场强度成线性关系,同。因此PL称为线性极化强度矢量，称为线性极化系数。当入射光很强时，极化系数的高阶项就不可忽略，介质的极化矢量与电场强度的关系不 能认为是简单的线性关系，而必须考虑高阶项的贡献。由于P和E不是线性关系，所以称之为非线性极化强度矢量。如果仅考虑到二次项，而三次项以上略去不计，则式的标量形式为P = E0 cos，t：；瓷E02 cos2 7=(1)E0 cos t - E02 - (2) E02 cos2 t2 2 2 2E0 cos t dE0 dE0 cos2 t1式中d，称为倍频系数。2可见，由于非线性

5、极化效应，使介质极化强度波中出现了23的二次谐波分量。这样从介质中出射的光中，既有频率为3的基波，又包含有频率为23的二次谐波，也就是倍频光。在相位失配的情况下，频率为3的强光入射到长度为 L的晶体后得到的倍频光强为i2.T(%/ ；。)3/22d2L22- n2 n sin2( ：k L/2)2(：k L/2)2(L)2“2.,/I2(%/J/222 | 2 d L其倍频转换效率sin2( ：k L/2)(k L/2)2k?为基频光的波矢， 所以%r .丄2 兀n2、式中 恐二k2.,-2k., k2.为倍频光的波矢,k(匕.，-n.)。%由以上二式可看出，当 =k = 0 (即n2 . =

6、 n.,)时，倍频光最强，倍频效率最高。所以将这种情况称为实现了相位匹配。k=0称为相位匹配条件。在实际的倍频装置中， 都希望获得最高的倍频转换效率，这就要在相位匹配的条件下工作。主要有两种：1、实际相位匹配，就是要使 n2 .二n.。对于具有正常色散的材料，e光和o光的折射率都是随频率升高而单调增大的，因而当倍频和基频光同属于 e光或o光时，相位匹配条件是无法满足的。但当这两种光分别属于不同的偏振态时，利用双折射现象，就可能是基频o光和倍频e光在某一特定的方向上，实现 n = n；国(日m)，如图1所示0 m角是光传播方向 与晶体光轴之间的夹角，此角称为相位匹配角。对于负单轴晶体，由于 ne

7、总小于n0,并且o光折射率n与光波法线方向B无关，e光 折射率与B有关。因而选用基频 o光和倍频e光，就可以找到一个特定的0 m角，在这个角度B m上，正好有n；=n :时（日m）。也就是说，光的基波沿0 m方向传播时，如果产生的倍频光也沿同一方向传播，当它是e光时，相位匹配条件就可以满足，这种匹配方式称之为 oo-e 匹配方式.对于正单轴晶体，它的 nne,它与负单轴晶体正好相反，它的匹配技术必须采用基波 为e光，倍频光为o光的ee-o匹配方式。否则，有关的两个折射率曲面就不能相交。2、温度匹配在这种匹配中，是控制警惕的温度，使相位匹配角0 m=90o。相位匹配式的温度 Tm称为相位匹配温度

8、。当晶体温度改变时，它的折射率就会发生变化。有些晶体，例如LiNbO3、KDP、ADP等，它们的折射率ne对温度变化的改变量比 no对温度变化的改变量大得多，因而有可能改 变晶体温度使 0 m=90o。实验装置倍频实验装置通常有三个基本部分组成，即非线性倍频晶体、 基频光源以及相位匹配与激励耦合元件等三部分组成。倍频晶体应根据倍频的工作频率和实际需要来选取。各向同性的介质和据有中心对称的晶体，他们的 （2）=0,不能用来产生二次谐波。因而倍频晶体要选用不具有对称中心的晶 体，此外还要求用作倍频晶体有较大的非线性极化系数（2），透明性要好，能实现相位匹配条件等。基频光源一般采用各种类型的激光器。

9、相位匹配与激励耦合元件，是根据所采用的倍频晶体的特性及具体实验条件而确定。倍频装置按倍频晶体放置位置的不同，分为腔外倍频（图2）和腔内倍频（图3）两种类型。1064nm激光，KTP晶体作倍频晶体，腔外倍具体实验装置如图 4。He-丽激光本实验采用电光调 Q的YAG激光器输出 频方式获得532nm绿光。测定KTP晶体的相位匹配角,图4He-Ne激光器用来调试 YAG激光器及测试匹配角。滤光片可以滤掉1064nm基频光只透过532nm倍频绿光。倍频晶体及角度调节组件采用插入式结构。紧固螺丝可以固定组件 在插入光路和移出光路的位置上。倍频组件移出光路时输出的是1064 nm的激光；插入光路时可以调节

10、晶体的匹配角，得到二次谐波的最佳匹配角。其中，d=57.5mm t是螺旋测微杆前进的距离，最小距离读数为1/100 mm角度分辨率=0.01 。YAG激光器的操作过程，开机前先检查急停开关应处于弹出状态。将钥匙开关顺时针旋转，整机上电。电源指示灯亮。按下“电源”开关，控制部分上电，可以听到冷却水泵的声音。 该激光器有两种控制方式，当选择外”控方式时，外接控制鼠标按键，进行手动控制，单 次触发放电。当选择“内”控方式后，再进行“频率选择”，此选择有1H z, 3H z, 5Hz可供选择。逆时针调节电压调节”旋钮，使充电电压处于低压状态启动。向上拨动预燃”开 关，“预燃”指示灯亮。向上拨动“晶压”开关，“晶压”指示灯亮。调节“晶压调节”设定所需晶压（晶压一般为 3800V）。向上拨动“退压”开关，“退压”灯亮，退压电路工作。向 上拨动“启动”开关，“启动”灯亮，此时发射激光。“频率”跟随闪动。调节“电压调