【正文】 管、充入的氣體和電極所構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。平行平面腔可以看作是曲率半徑為無窮大的球面腔，滿足 g1g2=1，屬于介穩(wěn)腔。 4I11/2 和 4I13/2 能級上的粒子很不穩(wěn)定，很快馳豫到基態(tài) 4I9/2上，故在 4I11/2 和 4I13/2 上的粒子數(shù)基本上為零。 Nd3+：YAG 的物理和化學(xué)性質(zhì)主要取決于 YAG 的性質(zhì)，具有良好的導(dǎo)熱性能和很大的硬度。 （ 五 ） 衍射光強波形的測量 13 1． 重復(fù)實驗 內(nèi)容（ 一 ） 的步驟，令觀察屏上的衍射光點最多。 2． 移開觀察屏，用激光功率計測出入射光強 0I 3． 利用光闌分別讓 0， ? 1， ? 2， ? 3?級衍射光打到激光功率計的光敏面上，測出 各級衍射光的強度 mI ， 衍射效率為 0IImm?? 4． 改變驅(qū)動電壓，測出對應(yīng)的衍射效率，作出 各級光的 衍射效率與驅(qū)動電壓的關(guān)系曲線。 5．改變聲光調(diào)制器的方位角，觀察不同入射角情況下的衍射光斑。根據(jù)推證， 當(dāng)入射光強為 Ii 時，布喇格聲光衍射的 0 級和 1 級衍射光強的表達式可分別寫成 : （ 12） 式中 v 是光波穿過長度為 L 的超聲場所產(chǎn)生的附加相位延遲。為此，可把 聲波通過的介質(zhì)近似看作許多相 距為 λ s 的部分反射、部分透射的鏡面。 衍射光場強度各項 取極大值的條件為： （ 5） 各級衍射的方位角為 ),2,1,0( ????m （ 6） 各級衍射光的強度為 （ 7） 由于 ，故各級衍射光對稱地分布在零級衍射 光兩側(cè)，且同級次衍射光的強度相等。若超聲頻率為 fs，那么光柵出現(xiàn)和消失的次數(shù)則為 2fs，因而光波通過該介質(zhì)后所得到的調(diào)制光的調(diào)制頻率將為聲頻率的兩倍。另外，顯而易見的是每隔 1/2Τ秒，振動即完全消失（圖 1b 中從上往下數(shù) 3， 5， 7， 9 行的瞬時），駐波的最大值也位于這些瞬時間隔的中間（ 2， 4， 6， 8， 10），而且每經(jīng)過這個時間間隔，在波腹處的振動的相位相反。驅(qū)動源提供的正弦高頻功率信號（見圖 1），通過匹配網(wǎng)絡(luò)加到壓電換能器上， 換能器發(fā)出的超聲波沿 x 正方向傳播，到達對面后，被全反射，反射波沿 x 負(fù)方向傳播，聲光介質(zhì)中就如同存在兩列頻率相同，振幅相等沿相反方向傳播的超聲波。的突變。 60 年代激光器的問世為聲光現(xiàn)象的研究提供了理想的光源，促進了聲光效應(yīng)理論和應(yīng)用研究的迅速發(fā)展。 4． 學(xué)會 測量聲光偏轉(zhuǎn)和聲光調(diào)制曲線。分別將靜態(tài)工作電壓置于倍頻失真點、接收信號波形失真最小、接 收信號波形幅度最大點（參考上一步驟的參數(shù)），旋轉(zhuǎn)λ /4 波片，觀察接收波形的變化情況，體會 1/4 波 片 對靜 態(tài)工作 點的影響和作用。 以下實驗是為了觀察靜態(tài)工作點對輸出波形的影響，實驗步驟與光路如下： 1） 將上一個實驗電路中的功率指示計探頭取下，換上光電二極管探頭，使系統(tǒng)光路按半導(dǎo)體激光器、起偏器、 LN 晶體、檢偏器、光電二極管探頭順序排列。仔細(xì)調(diào)整 LN 晶體的角度和方位，盡量使白屏上的激光光斑最暗（理論上講， LN 晶體的加入應(yīng)對系統(tǒng)的消光狀態(tài)無影響，但由于 LN 晶體本身固有的缺陷和激光光束的品質(zhì)問題，系統(tǒng)消光狀態(tài)將會變化）。這種圖案是典型的會聚偏振光穿過單軸晶體后形成的干涉圖案 5） 打開晶體驅(qū)動電源，將狀態(tài)開關(guān)打在直流狀態(tài)，順時針旋轉(zhuǎn)電壓調(diào)整旋鈕 ，調(diào)高驅(qū)動電壓，觀察白屏上圖案的變化。如果我們在晶體后放有一個檢偏器，我們就會觀察到在施加電場前后，通過檢偏器的光強會有變化。 在本實驗中，我們采用對 LN 晶體橫向施加電場的方式來研究 LiNbO3 晶體的電光效應(yīng)。它們的作用機理，都是由于電場對介質(zhì)極化的結(jié)果：即介質(zhì)中的分子在電場作用下被極化或原極化方向發(fā)生變化。 2． 掌握電光調(diào)制的工作原理及光路調(diào)整方法。二級電光效應(yīng)是指介質(zhì)折射率的變化與電場強度的平方成正比，是 Kerr 于 1875 年發(fā)現(xiàn)的，因此，也稱為 Kerr（克爾）效應(yīng)。一般又有橫向施 加電場（垂直于光軸）和縱向施加電場（平行于光軸）二種方式。一束沿通光方向傳播的線偏振光，將不會發(fā)生雙折射現(xiàn)象，不會被分解成 o 光 e 光，當(dāng)光穿過晶體離開時，其偏振態(tài)將不會發(fā)生變化，還是一個按原方向振動的線偏振光。實驗步驟和光路如下： 1） 將半導(dǎo)體激光器、起偏器、擴束鏡、 LN 晶體、檢偏器、白屏依次擺放，使擴束鏡緊靠 LN 晶體 2） 分別接連好半導(dǎo)體激光器電源（在激光功率指示計后面板上）和晶體驅(qū)動電源（千萬不可插錯位）將驅(qū)動電壓旋鈕逆時針旋至最低。這時起偏器與檢偏器相互垂直，系統(tǒng)進入消光的狀態(tài)。響應(yīng)的非線性就會在調(diào) 制時產(chǎn)生一個信號波形失真的問題，如果一個正弦驅(qū)動信號的靜態(tài)工作點在 0 或 Vλ /2處，還會出現(xiàn)信號倍頻現(xiàn)象。特別注意，接收信號波形失真最小、接受信號幅度最大，出現(xiàn)倍頻失真時的靜態(tài)工作點電壓。 2． 電 光晶體調(diào)制器應(yīng)滿足什么條件方能使輸出波形不失真 ？ 5 實驗 二 聲光效應(yīng)實驗 一、實 驗?zāi)康? 1． 觀察 聲光 相互作用現(xiàn)象 。其衍射光的強度、頻率、方向等都隨著超聲場的變化而變化。 當(dāng)聲波垂直入射到兩種介質(zhì)的分界面上時就會產(chǎn)生駐波。為了在聲光介質(zhì)中形成駐波，沿聲傳播方向上聲光介質(zhì)的兩個面要嚴(yán)格平行，平行度要優(yōu)于 5/? 。在駐波中，彼此相距 λ s/2 的各點完全不振動，這些點稱為波節(jié)。在超聲駐波的作用下，聲光介質(zhì)的折射率 變化 由下式表示： （ 3） 其中 n? 為聲致折射率改變幅值； s? 是超聲波的 圓 頻率； sk 是超聲波的波數(shù)。 設(shè)寬度為 q 的光波垂直入射寬度為 L 聲波柱，如圖 4 所示。 因此， 若能合理選擇參數(shù)，并使超聲場足夠強，可使入射光能量幾乎全部轉(zhuǎn)移到 +1 級（或 ?1 級）衍射 極值上 。對于相距 λ s 的兩個不同鏡面上的衍射情況，如圖 6b 所示， 由 C、 E 點反射的 2?、 3?光束具有 同相位 的條件 ， 其 光程差 FE＋ EG 必須等于光波波長的整數(shù)倍 ，即 （ 9） 考慮到 θ i＝θ d ，所以 niBs ??? ?sin2 （ 10） 或者 ssisiB fnn ????? 22s in ?? （ 11） 式中 θ i＝θ d＝θ B ， ?B 稱為布喇格角 。 四、實驗 內(nèi)容與 步驟 （一）超聲駐波場中光衍射的實驗觀察 1．按照圖 7 塔好光路； 2．開啟激光電源，點亮激光器； 3．令激光束垂直于聲光介質(zhì)的通光面入射，觀察屏上的光點，可觀察到三個光點，它們分別由透射光以及聲光介質(zhì)兩個通光面反射并進一步經(jīng)激光器輸出鏡反射的光線形成，如圖 8 所示，當(dāng)此三個光點在觀察屏上處于與聲傳播方向相同的一條直線上即可，這時可認(rèn)為入射光已垂直于聲 傳播方向。 V=df/2N 式中 d= 是光斑直徑， f=10MHz 為超聲波的頻率。 利用光柵公式求出光柵常數(shù)。 Nd3+是激活離子，從提高工作物質(zhì)的增益來看，其濃度應(yīng)越大越好，但由于Nd3+的半徑（ ?A ）大于 Y3+的半徑（ ?A ），將 Nd3+摻入 YAG 中有結(jié)構(gòu)上的困難，其濃度過大會造成材料的缺陷，因此 Nd3+的摻雜濃度通常嚴(yán)格控制在 %~%。在各激發(fā)態(tài)中， Nd3+在 4F3/2能級上 的壽命較長（約 230μ s），稱之為亞穩(wěn)態(tài)，也是激光的上能級。 2．固體激光器基本結(jié)構(gòu) 本實驗所用的實驗裝置如圖 3 所示，其中 Nd3+： YAG 激光器為長脈沖固體激光器 ，主要包括如下三個部分： （ 1） 工作物質(zhì) 本實驗選用 Nd3+： YAG 激光晶體棒為工作物質(zhì)。其中氙燈和氪燈不僅輻射強度和輻射效率高，而且具有較寬的發(fā)射譜帶，并與 Nd3+： YAG 等吸收譜有較好的匹配，通常脈沖激光器選用氙燈，連續(xù)激光器則選用氪燈。 泵浦 燈的工作過程是：先給貯能電容器充電至某一電壓、此電壓應(yīng)大于燈的點火電壓，小于其自閃電壓。然后控制開關(guān)元件（通常采用可控硅）按要求重復(fù)工作，而不需要再行觸發(fā)。腔內(nèi)產(chǎn)生的光子在激光器諧振腔的作用下往返得到放大，腔內(nèi)光子數(shù)急劇增加。理論分析得出，最佳透過率 Top應(yīng)滿足下式關(guān)系 optoptioptioptiopti TTaTa TaTalvG ????? ?????? )]1) [ l n (1( )]1) [ l n (1()(2 2210 （ 3） 可見，最佳透過率與工作物質(zhì)的 l, 腔內(nèi)的總損耗 ?i，小信號增益系數(shù) G0(?21)有關(guān)。 同時容易算出其束腰位置在晶體的輸入平面上，該處的光斑尺寸為： ? ?1220()L R L ????? （ 5） R1 為平面， R2， L 已知。為了保證激光器的調(diào)整精度， HeNe 激光器應(yīng)距 Nd： YAG激光器 2 米以上。當(dāng)激光電源顯示電壓值達到 500V 時，用感光相紙在激光器輸出鏡后接光斑。 (3) 繪出激光器的輸入電壓－輸出能量曲線，或 輸入能量輸出能量曲線（激光器充電電容為 100μ F）。 任何情況下嚴(yán)禁直視激光光路或直視激光器的反射光路，以免激光損傷人眼。如果諧振腔長度為 L,，則光在腔內(nèi)走一個單程所需時間為 nL/c, 其中 n 為折射率 ,c 為光速。 諧振腔的損耗 ? 一般包括有反射損耗、吸收損耗、衍射損耗、散射損耗和輸出損耗等。30 0 6312xzn n n E??? 39。 KDP 晶體具有縱向電光系數(shù)大，抗破壞閾值高的特點，但易潮解，故需要放在密封盒子內(nèi)使用。即電光開關(guān)迅速被打開，沿諧振腔軸線方向傳播的激光可自由通過調(diào)制晶體，而其偏振狀態(tài)不發(fā)生任何變化，這時諧振腔處于高 Q 值狀態(tài)，形成雪崩式激光發(fā)射。腔內(nèi)光子數(shù)密度達到最大值時，激光為最大輸出，此后，由于反轉(zhuǎn)粒子的減少，光子數(shù)密度也開始減低，則可飽和吸收體 Cr4+:YAG 的透過率也開始減低。 將全反射和輸出鏡分別裝在調(diào)整架上，調(diào)節(jié)各自的調(diào)整架，使 HeNe 光束盡量通過兩腔鏡的中心，并使 HeNe 光束由全反鏡、激光晶體和輸出鏡反射后到達 HeNe 激光器上的三個反射光點重合。 將激光電源改到關(guān)門狀態(tài)進行關(guān)門實驗。 1對不同工作電壓下的輸出脈沖進行對比，并作簡要分析。 27 實驗 五 Nd： YAG 激光器 倍頻 實驗 一、實驗?zāi)康? 掌握 激光倍頻 技術(shù) 的基本原理； 了解影響激光 倍頻 轉(zhuǎn)換效率的主要因素 。它們在空間中的分布就好比一個按一定規(guī)則排列的偶極矩陣列，偶極矩之間有一定的相對位相。還可以用其它方法實現(xiàn)相位匹配條件 。對于 近紫外 、 可見及近紅外的基頻光。此外還與媒質(zhì)的倍頻系數(shù)（二階非線性極化率）二次方成正比。無疑，只當(dāng)干涉是相互加強時才會有效地產(chǎn)生倍頻光輸出為此，陣列中各振蕩電偶極矩 間要保持恰當(dāng)?shù)奈幌嚓P(guān)系 ， 由此便產(chǎn)生了所謂位相匹配條件 k(2ω )=2k(ω ),它是產(chǎn)生光學(xué)倍頻的重要條件 ,其中k(ω )和 k(2ω )分別為基頻和倍頻光在媒質(zhì)中的波矢 。 用非線性材料產(chǎn)生倍頻激光的器件稱為倍頻激光器。 五 、 思考題 分析電光調(diào) Q 激光器的輸出特性。 將激光電源改到調(diào) Q 狀態(tài)，測量激光器的動態(tài)輸出，此時輸出的激光為調(diào) Q 激光，也稱動態(tài)激光或巨脈沖激光。確定無誤后啟動電源，在激光電源工作電壓 400V 時反復(fù)仔細(xì)微調(diào)輸出鏡和全反鏡，使激光輸出最強，此時輸出的激光稱為靜態(tài)激光。 三、 實驗設(shè)備 序號 名稱 型號 技術(shù)指標(biāo) 數(shù)量 附件 1 開關(guān)型脈沖 激光電源 250B 40 42 20 cm 1 含電源線、 Q 開關(guān)線、手動快門 2 水箱 DHP1 52 41 62 cm 1 含電源線 3 激光 器支架 70 25 25 cm 1 含四個底座 4 寬導(dǎo)軌 GCM720202M 100 600 mm 1 5 窄滑塊 GCM720211M 135 40 mm 6 6 寬滑塊 GCM720212M 135 65 mm 1 7 四維調(diào)節(jié)架 GCM250101M φ 20 mm 1 8 二維調(diào)節(jié)架 GCM081401M φ 20 mm 5 9 激光輸出鏡 φ 20 mm 2 10 主