激光倍频实验报告

篇一：激光谐振腔与倍频实验

激光谐振腔与倍频实验

a13组 03光信息陆林轩 033012017 实验时间：2006-4-25

[实验目的和内容]

1、学习与掌握工作物质端面呈布儒斯特角的钕玻璃激光器的调节，以获得激光红外输出。

2、掌握腔外倍频技术，并了解倍频技术的意义。

3、观察倍频晶体0.53?m绿色光的输出情况。[实验基本原理]

1、激光谐振腔

光学谐振腔是激光器的重要组成部分，能起延长增益介质的作用（来提高光能密度），同时还能控制光束的传播方向，对输出激光谱线的频率、宽度、和激光输出功率、等都产生很大的影响。

图1 激光谐振腔示意图

（1）组成：

光学谐振腔是由两个光学反射镜面组成、能提供光学正反馈作用的光学装置，如图1所示。两个反射镜可以是平面镜或球面镜，置于激光工作物质两端。两块反射镜之间的距离为腔长。其中一个镜面反射率接近100%，称为全反镜；另一个镜面反射率稍低些，激光由此镜输出，故称输出镜。

（2）工作原理：

谐振腔中包含了能实现粒子数反转的激光工作物质。它们受到激励后，许多原子将跃迁到激发态。但经过激发态寿命时间后又自发跃迁到低能态，放出光子。其中，偏离轴向的光子会很快逸出腔外。只有沿着轴向运动的光子会在谐振腔的两端反射镜之间来回运动而不逸出腔外。这些光子成为引起受激发射的外界光场。促使已实现粒子数反转的工作物质产生同样频率、同样方向、同样偏振状态和同样相位的受激辐射。这种过程在谐振腔轴线方向重复出现，从而使轴向行进的光子数不断增加，最后从部分反射镜中输出。所以，谐振腔是一种正反馈系统或谐振系统，具有很好的准直，选频和放大功能。

（3）种类：图2 谐振腔的种类

按组成谐振腔的两块反射镜的形状以及它们的相对位置，可将光学谐振腔区分为：平行平面腔，平凹腔，对称凹面腔，凸面腔等。平凹腔中如果凹面镜的焦点正好落在平面镜上，则称为半共焦腔；如果凹面镜的球心落在平面镜上，便构成半共心腔。对称凹面腔中两块反射球面镜的曲率半径相同。如果反射镜焦点都位于腔的中点，便称为对称共焦腔。如果两球面镜的球心在腔的中心，称为共心腔。

如果光束在腔内传播任意长时间而不会逸出腔外，则称该腔为稳定腔（满足，否则称为不稳定腔（满足1?g1.g2或0?g1.g2）。上述列举的谐振腔都属0?g1.g2?1）

稳定腔。

（4）本实验中的激光谐振腔：

本实验采用的是外腔式钕玻璃激光器。外腔式激光器的两个反射镜是放在激光棒的外侧，长度可调，频率可变，在激光棒的两侧按一定的角度贴有布儒斯特窗片。由于布儒斯特窗对p 偏振分量具有100%的透过率，从而输出线偏光。

2、激光倍频

(1)非线性光学基础

极化强度矢量和入射长的关系为：

p??(1)e??(2)e2??(3)e3??（1）

……分别是线性极化率，二阶非线性极化率，三阶非线性极化率……，?(2) ，?(1)，?(3)，且每加一次极化，?值减小七八个数量级。在入射光场比较小的时候，?

(2)

，?

(3)

等极小，

p与e成线性关系。当入射光场较强时，体现出非线性。只有在具有非中心对称的晶体中才可以观测到二阶非线性效应。二阶效应可用于实现倍频、和频、差频和参量震荡过程。其中二倍频技术是最基本，利用最广泛的一种技术。本实验就是要观测倍频技术。

(2)相位匹配及实现方法

除了要光强比较大还要实现相位匹配，才可以获得好的倍频效果。由倍频转换率公式：2

p2?sin(l??k/2)2

?d?l2?e?(2) ????

l??k/2p

可知，要获得最大的转换率，必须使l??k/2=0，因为l不为0，所以?k=0，即： ?k?2k1?k2? ?

2?

4?

?1

(n??n2?)?0 （3）

即 n?n

。可见基频光和倍频光在晶体中的传播速率是一样的。相位匹配的物理实

质就是使基频光在晶体中沿途各点激发的倍频光传播到出射面时，有相同的相位，可以相

互干涉增强，达到好的倍频效果。

(3)实现相位匹配条件的方法

对于一般介质，由于正常色散，高频光的折射率大于低频光的折射率，不能实现n?n

?

2?

的条件。而对于各向异性晶体，由于双折射效应，可以利用偏振光间的折射率关系，以实现相位匹配条件。

本实验采用负单轴晶体，如图3所示。由负单轴晶体的折射率椭球及相位匹配条件，以及由谐振腔输出线偏光可知，我们采用了o+o?e的第一类相位匹配，其匹配条件是

no??ne2?。除了相位匹配条件以外，晶体的有效长度ls和模式状况也需要考虑。

图3 负折射率晶体折射率椭球

注：本实验用的是负单轴铌酸锂晶体i类角度相位匹配，其匹配角理论值为?m?870[实验用具及装置图]

实验用具：he－ne激光器、光阑、钕玻璃固体激光器及光源、倍频晶体及多维调节架等。(其中钕玻璃为固体激光器；输出波长：最强辐射1.0627微米；泵浦：:氙灯)

装置图：

图4 实验原理图

[实验步骤]

1、利用he~ne激光器及光阑对钕玻璃激光器的光路进行准直。

其中he~ne激光器、光阑、钕玻璃激光器无需移动。根据计算对于钕玻璃激光当谐振腔约为70cm时，可以输出较强的1.06um激光。已知，钕玻璃棒长为20cm，所以在将半反镜和全反镜对称的放置在钕玻璃棒两侧，相距25cm，并且为了减小激光在晶体中衍射，使光从半反镜和全反镜的中央通过，将它们固定在工作台上。然后调节谐振腔后的半反镜，当该半反镜的

反射光与光阑的出射光在光阑小孔处重合时，再调节谐振腔前的全反镜，同样使它反射回的光与光阑处出射光小孔处重合，这样就完成了准直。

2、检验红外脉冲的功率强度

将以黑纸片放在半反镜的后面，然后关闭he~ne激光器。调节钕玻璃激光器的电源电流，注意充电电流不可超过70ma，使电压达到1300v时触发。触发完毕后，对高压电源进行短路放电。然后观察黑纸。如果激光脉冲把黑纸烧出一焦斑，证实有激光输出。以焦斑的大小判断激光功率的大小。若功率太小，则重复步骤1，以输出比较大功率的激光。

3、观察倍频光

拿开黑纸，换上倍频晶体。为了易于观察及安全，在离工作台2m左右的地方布置一个白屏。激发激光器时，因为激光功率比较大，会对人眼造成伤害，所以不要目视激光器，而仅仅观察白屏就够了。打开he~ne激光器，使激光照射到倍频晶体中央。如图5所示，令倍频晶体与半反镜间距为l，且l=20cm。由倍频晶体反射回激光点落在半反镜上的光斑与出射光斑的距离为a，入射角与反射角和为2?。有如下的几何关系：

tan2??

a

(4) l

转动晶体的角度，每转动一角度点亮一次激光，观察绿光亮点直至消失为止。记下ab之间的距离a。

图5 反射光斑与出射光斑夹角

[实验记录]

按照实验步骤1进行光路准直之后，我们对钕玻璃激光器的电源进行充电，当电压达到1300v 时触发，此时黑纸有一小部分被激光烧焦，形成一个白点(黑纸附在实验报告首页)。换上倍频晶体、将2?角调至7°左右之后，第一次触发只看到白色光，而没有观察到绿色倍频光；接着我们不断调整2?的角度，但多次触发都还是没有观察到绿色倍频光；请教老师之后，我们将倍频晶体沿着中心轴旋转90°，再次触发终于没有看到绿色倍频光。因为我们并不知道晶体的切割情况，所以只能不断尝试才能找到一个入射角，使得此时基频光与光轴刚好形成相位匹配角。

表2 入射角与绿光光强关系(l=22.30cm)注：其中2??arctan(

) l篇二：实验五激光倍频实验

实验五连续半导体泵浦固体激光器腔内倍频实验

? 实验目的

1．观察激光倍频现象，测量晶体在不同条件下的倍频转换效率η2．通过实验找出最佳位相匹配条件。

shg。

? 实验原理

激光倍频是指单一频率的激光入射到非线性光学介质，引起倍频光辐射的过程。激光倍频技术也称为二次谐波（shg）技术，是最先在实验上发现的非线性光学效应。1961年由franken 等人进行的红宝石激光倍频实验，标志着对非线性光学进行广泛实验和理论研究的开端。激光倍频是将激光向短波长方向变换的主要方法，已达到实用化的程度，有商品化的器件和装置，获得非常广泛的应用。

图5-1 franken等人1961年进行的红宝石激光倍频实验装置.

1．倍频光辐射

倍频光辐射属于强光和物质相互作用效应。其物理机制叙述如下：当光波电场 e入射到介质中，介质会产生感应电偶极矩p, 从而辐射出相应的光波。因此，p为e的函数：p=f(e)，

按级数展开：

p??0(???e????e2???????ei???) (5.1)

1

2

i

其中?0为真空介电常数，?(i)为极化率张量，此处考虑e的二次项的作用，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与pnl分别表示线性与非线性极化强度，在p的表达式中有2ω项出现，导致相应的电磁辐射中就有频率为2ω的光波，这就是倍频光，也称为二次谐波。

图5-2 倍频光辐射

2．倍频技术

（1）匹配方式：

?2??从pnl与e?2?的矩阵关系式可以看出，pi?2??是由ejek?j?k??e2j和

??

ejek?j?k?（且ejek）产生的。

按j?k和j?k两种情况划分：

1）平行式：基波的电矢量在某一特定线偏振方向上的分量的平方项产生倍频极化场。

2）正交式：基波的电矢量在两互相正交的特定偏振方向上的分量的乘积产生倍频极化场。不同的倍频晶体其非线性极化系数矩阵中矩阵元dil的分布不同，应采用不同的匹配方式。另外，还有直接关系到匹配方式的有效非线性系数def，对基波波矢k的方位角?也有各自程度不同的要求。这个问题在《激光技术》中有论述，

（2）相位匹配条件：

如果对应高能量的基波输入，在倍频晶体的另一端只有很弱的二次谐波输出的话，就失去了激光倍频的使用价值。因此，提高基波转化成二次谐波的效率是激光倍频技术的关键性问题。下面从一个比较简捷的标量形式（i类匹配）来求出倍频效率η设基波为平面单色波：e??eoe?i??t?k1z??c.c

shg的表达式：

图5-3 倍频晶体内各处产生的二次谐波的相干叠加

在晶体中z处，厚度为dz的一小段内感应的二次电偶极矩：

2?i?2?t?2k1z?

dp2??deffeoedz，dp2?将辐射相应的de2?，dp2?和de2?初相位相

同：

当de2?传播到l处时，相位移动为

?????z?k2?

2n

?2

ne

?i??2?t?2k1z?k2???z???

2

edz处的倍频电矢量de2??dp2??deffeo

令：?k?k2?2k1?k2??2k?

总倍频电矢量e2?为晶体内各点de2?的迭加：

e

2?

o

?

2?

?deffee

?

2?i2?too

?

e

ik2????kz

?

?dz

e?i?k??1?i?2?t?k2???

?deffee

?i?k

20

变形得：e

2?

sin??k?/2??i?2?t??k?/2?k2???

?deffe?e

?k?/2

20

倍频光强：

i2??e

2?2

??i

?2

?

22?sin??k?/2??deff???

?k?/2??

2

得：?shg

i2??sin??k?/2??

????max?? i??k?/2?

2

2

?sino?

已知：???1

?o?

??o

2?

故：?k?o，有：?shg??max，即：i2??imax

可见，高效率产生倍频光必须使?k?o，被称为pm（phase matching）条件，即相位匹配条件。

2?2?2???n?2? 2k??2n??2? ccuu

2??

??n?n

?k?o与?2?等价。其中n为折射率，u为相速度。?

??u?u

图5-4 倍频转换的效率与相位因子的关系曲线

?k?o的物理意义是：倍频晶体内各处产生的二次谐波的相位相同，在共振作用

下，使二次谐波不断增强。

由于倍频晶体必然存在着色散效应，n?n???，使?k?o，在一般情况下，不满足pm条件。为了解决这个问题，导致倍频相位匹配技术的产生。

（3）相位匹配方法：

目前，最常用，最主要的相位匹配方法是：在正常色散范围，利用各向异性晶体的双折射效应抵消色散，达到相位匹配的要求。这也是本实验所采用的方法。

1）角度匹配：

将基频光以特定的角度和偏振态入射到倍频晶体，利用倍频晶体本身所具有的双折射效应抵消色散效应.角度匹配是高效率产生倍频光辐射的最常用、最主要的方法。按基频光电场偏振态的配置方式，分为平行式和正交式，相应的角度匹配称为ⅰ类和ⅱ类相位匹配方式。在正常色散条件下，对于单轴晶体，可以得到相应于ⅰ类和ⅱ类方式匹配角的解析表示式。

让基频光与倍频晶体的光轴(z)形成夹角?m，使由色散造成的?k?o在双折射现象中得到补偿。对于正常色散的负单轴倍频晶体，e?为eo，e2?为ee，i类匹配方式，则

n??n0，n2??ne???

折射率曲面在ozy平面的截面如下图所示：在p点两曲线相交：ne??m??no，即：n2??n?，满足?k?o的相位匹配。?m称为相位匹配角。可由方程组：

?1cos2?msin2?m?n2??n2?n2

求得 oe?em?n??n?e?m?o

不同的相位匹配方式θ

m的表达式不同。

2）温度匹配：（??900）

利用倍频晶体内折射率随温度的变化关系的特性，使当t=tpm时，

n2??tpm??n??tpm?，达到相位匹配，tpm为匹配温度。

温度匹配与角度匹配相比有以下两个优点：

①在温度匹配中由于θ=90°，可以消除角度匹配导致的“光孔效应”，使二次谐波功率有较强的输出。

②温度匹配对θ的变化不敏感，具有“非临界性”，使二次谐波功率输出稳定。

激光并不是波阵面为无限大平面的严格单色波，而是高斯波。所以，以上推导出的pm条件，在实验中只能近似满足。在各种条件下的qm与tpm主要由实

图5-5 温度匹配篇三：nd：yag激光器倍频特性实验报告

nd:yag激光倍频特性

实验目的：1. 了解二次非线性光学效应 2. 了解二倍频晶体中相位匹配实验原理：当强光与物质作用后，表征光学的许多参量如折射率、吸收系数、散射截面等不再是常数，而是一个与入射光有关的变量，相应也出现了在线性光学中观察不到的许多新的光学现象，非线性光学的产生与研究大大加深了我们对光与物质相互作用本质的认识，同时也具有极其重要的实用价值。 1. 光学倍频光学倍频又称二次谐波，指在非线性介质中传播频率为ν的

激光，其中一部分能量转换到频率为2ν的光波中去，使在介质中传播的有频率为ν和2ν两种光波。从量化概念来说，这相当于两个光子在非线性介质内发生湮灭，并产生倍频光子的现象。在倍频过程中满足能量守恒何动量守恒定律。 2. 二次谐波的效率

由基波的能量（功率）转换成二次谐波的能量（功率）的比值，反映了介质的二次谐波效率，为：

??i2?i?

常用二次谐波非线性材料有kdp倍频晶体和ktp倍频晶体等。ktp晶体性能优于kdp晶体，非线性系数是后者的15倍，光损伤阈值也高（大于400mw/cm2）。 3. 相位匹配

相位匹配物理实质是：基频光在晶体中沿途各点激发的倍频光，在出射面产生干涉，只有相位匹配时才可干涉增强，达到好的倍频效率。相位匹配要求基频光和倍频光在晶体中的传播速度相等，即折射率相等，对于双折射晶体，基频光在晶体面上的入射则需要一定的角度相位匹配。实验中，ktp晶体是加工好的，只需垂直晶体面入射即可满足相位匹配条件。实验装置1. he-ne激光器 5. nd:yag振荡棒

2. 小孔光阑

3. 1064nm全反凹面镜m1

4. cr:yag调q晶体

9. 能量计 10. ktp晶体

4+

6. 输出镜m2

7. nd:yag放大棒

8. 平板玻璃

图1 实验光路示意图

本实验采用与“nd:yag激光器调q激光束放大特性”相同的实验装置，倍频晶体放置于放大级输出端后方。实验过程

实验中要特别注意眼睛不可直视yag输出激光以及he-ne激光，并小心精密操作设备。 1、倍频激光输出调节

（1）按照与前一实验相同步骤调整nd:yag激光器，放置调q晶体，放大级工作开启。（2）在nd:yag放大棒后加入ktp晶体，轻轻转动ktp角度，使ktp输出由一弱散斑汇聚成一耀眼亮点，即达到晶体最佳匹配效果。倍频后输出激光为1064nm和532nm两个波长，532nm激光为绿色。 2、倍频输出随输入变化特性测量与前一实验测量激光能量方法类似，在ktp输出后方放置一个平板玻璃，小角度反射，将剩余的1064nm激光反射至能量计，反射率8%。输入基频光强为：剩余激光光强为：

e出

?s??te???i?

?s??ti??

e??

e读

，e读为能量计测得的能量值；δs为nd:yag晶体棒截面积，?s??r2，8%

r=0.3cm；δt为单脉冲时间宽度，δt≈15ns。

? 根据能量守恒定律有： i2??i??i?

实验时，保持振荡级稳定工作，放大级泵浦电压从650v调至900v，间隔50v调一次，

用激光能量计记录平板玻璃反射的激光单脉冲能量，每次测量重复记录三个脉冲。每次记录前，必须对能量计进行复位，记录初始值。

联合“nd:yag激光器调q激光束放大特性”的实验数据及本实验记录数据，计算iω、iω′以及i2ω，并作出i2ω～iω的变化曲线。

图2 倍频激光输入输出特性曲线

实验现场