【導讀】說明課程設(shè)計成績分“優(yōu)秀”、“良好”、“中”、“及格”、“不及格”五類；、晶體的電光效應實驗；、氦氖激光器調(diào)腔及其性能研究實驗。掌握激光器的工作原理，對激光產(chǎn)生的整個流程非常熟悉，使實踐動手能力得到一定的提高。觀察超聲駐波場的像，測量聲波的傳播速度。知道了布拉格衍射的實驗條件和特點，并通過對聲光器件衍射效率和帶寬等的測量，三．通過對聲光器件衍射效率和帶寬等的測量，加深對其概念的理解。折射率也隨著發(fā)生相應的周期性變化。五．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。級衍射光打到激光功率計的光敏面上，測出各級衍射光。二．2、將光強分布測量系統(tǒng)置于導軌另一端。四．4、讀出聲光調(diào)制器距光闌的距離。六．重復實驗內(nèi)容（一）的步驟，令觀察屏上的衍射光點最多。

　　

【正文】 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。由于陣列中每個電偶極矩都要輻射頻率為 2ω的光波 , 故偶極矩陣列的輻射應是這些光波互相干涉的結(jié)果。無疑，只當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?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 。當這兩個光波沿同一方向傳播時，此條件轉(zhuǎn)化為要求媒質(zhì)中倍頻光的折射率 n(2ω)等于基頻 光的折射率n(ω)。 對于 正常色散 材料，倍頻光的折射率 n(2ω)總是大于 基頻光的折射率 n(ω)，所以不可能實現(xiàn)相位匹配 。對于雙折射晶體， 晶體內(nèi) o 光和 e 光 的 折射率 不同，因此可以利用兩束光的折射率不同來實現(xiàn)相位匹配。例如，對于負單軸晶體，在正常色散情況下，滿足條件： ne（ 2ω）＞ ne（ ω）和 n0（ 2ω）＞ n0（ ω） ，但 o光的折射率面是球面， e 光的折射率面是橢圓 。則實驗中可選擇基頻入射光以 o 光形式入射，使諧波光以 e光形式出射，則 當光波沿著與 晶體光軸成 θ m 角的特殊方向傳播時，可以實現(xiàn) ne（ 2ω） =n0（ ω） ，即實現(xiàn)相位匹配，θ m 稱為匹配角 。還可以用其它方法實現(xiàn)相位匹配條件 。 當滿足位相匹配條件時，倍頻光功率密度正比于基頻光功率密度的二次方，也正比于晶體作用長度的二次方。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。 光學倍頻可將紅外激光轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢娂す?，或?qū)⒖梢娂す廪D(zhuǎn)變?yōu)椴ㄩL更短的激光，從而擴展激光譜線覆蓋的范圍。在激光技術(shù)中已被廣泛采用。為得到波長更短的激光可用多級倍頻。 本實驗中的倍頻就是通過倍頻晶體實現(xiàn)對 Nd:YAG 輸出的 1064nm 紅外激光的倍頻，將其倍頻成 532nm 的綠光。 目前已有許多種倍頻 晶體，且可達到相當高的倍頻轉(zhuǎn)換效率。對于近紫外 、 可見及近紅外的基頻光，常用的倍頻晶體有磷酸二氫鉀（ KDP）、磷酸二氫銨（ ADP）、磷酸二氘鉀（ DKDP）、砷酸二氘銫（ DCDA）、砷酸二氫銫（ CDA）等晶體 ， 轉(zhuǎn)換效率可高達 30％～ 50％，其損傷閾值大。鈮酸鋰（ LN）、鈮酸鋇鈉、鈮酸鉀、 α 型碘酸鋰等晶體 ， 它們的二次非線性電極化系數(shù)大，而且 LN、 BNN 等晶體的折射率對溫度敏感，并且與色散效應的溫度變化特性不同，可適當調(diào)節(jié)溫度實現(xiàn)非臨界匹配，它們適用于可見光區(qū)和中紅外區(qū)（ ）。 LN 在光照下易產(chǎn)生折射率變 化，有光損傷現(xiàn)象； BNN 的損傷閾值比 LN 高，但固熔區(qū)域較寬，組分易變動而導致光學均勻性變差，較難得到性能優(yōu)良的大型晶體；鈮酸鉀不存在固熔區(qū)，有可能得到光學性質(zhì)均勻的大型晶體； α 型碘酸鋰是水溶液生長晶體，能培養(yǎng)出光學質(zhì)量好的大型晶體，且損傷閾值比BNN 晶體高，缺點是不具有非臨界匹配能力。對于中紅外基頻光 ,常用晶體為 AgAsS、 GdGeAs、 Te、 CdSe等，轉(zhuǎn)換效率為 5％～ 15％左右。 KDP 晶體在 1064nm 光附近有高的有效非線性系數(shù)，導熱性良好，非常適合用于 YAG 激光的倍頻。KDP 晶體屬于負雙軸晶體，對它 的相位匹配及有效非線性系數(shù)的計算，已有大量的理論研究，通過 KTP的色散方程，人們計算出其最佳相位匹配角為： =90176。， 176。，對應的有效非線性系數(shù)deff=1012V/m。 倍頻技術(shù)通常有腔內(nèi)倍頻和腔外倍頻兩種。腔內(nèi)倍頻是指將倍頻晶體放置在激光諧振腔之內(nèi)，由于腔內(nèi)具有較高的功率密度，因此較適合于連續(xù)運轉(zhuǎn)的固體激光器。腔外倍頻方式指將倍頻晶體放置在激光諧振腔之外的倍頻技術(shù)，較適合于脈沖運轉(zhuǎn)的固體激光器。 長沙學院激光課程設(shè)計 第 22 頁 倍頻晶體 輸出鏡 小孔 Nd:YAG 晶體 偏振片 電光晶體 全反 鏡 HeNe 激光器 圖 1 電光調(diào) Q Nd:YAG 激光器腔外倍頻原理圖 ： 如圖 1 所示，仔細調(diào)整 HeNe 激光束使其與光學導軌平行。 將 Nd:YAG 激光器裝到導軌上，使 HeNe 激光束通過 Nd:YAG 晶體前后表面中心，并使其前后表面的發(fā)射像與 HeNe 激光束重合。 如圖 1 所示，將輸出鏡和全反鏡放置光學導軌上，調(diào)整它們的俯仰方位，使輸出鏡和全反鏡的工作面與 Nd:YAG 晶體的反射像重合。 打開激光電源的鑰匙開關(guān)，檢查水冷系統(tǒng)工作是否正常。確定無誤后啟動電源，在激光電源工作 電壓 400V 時反復仔細微調(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。測量激光器的靜態(tài)輸出特性后關(guān)閉激光電源。 如圖 1 所示，將介質(zhì)偏振片插入光路。再插入電光 Q 開關(guān)，調(diào)整電光 Q 開關(guān)的俯仰方位，使電光 Q開關(guān)的反射像與激光晶體的反射像重合。打開激光電源的鑰匙開關(guān)，檢查水冷系統(tǒng)工作是否正常。確定無誤后啟動電源，仔細微調(diào)兩塊諧振腔片，使激光器靜態(tài)激光輸出最強。 將激光電源改到關(guān)門狀態(tài)進行關(guān)門實驗。繞光軸轉(zhuǎn)動電光 Q 開關(guān)使激光器輸出最小，此時電光 Q 開關(guān)處于關(guān)門狀態(tài)（低 Q 值狀態(tài)）。 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。反復重復上述過程，使激光器的輸出最強。 關(guān)閉激光電源，在激光輸出鏡的外面插入 KDP 晶體，仔細調(diào)節(jié) KDP 倍頻晶體的上下左右位置，使 HeNe 激光束通過 KDP 倍頻晶體的中心。仔細調(diào)節(jié) KDP 倍頻晶體的俯仰方位，使其發(fā)射光點與激光晶體的反射光點重合。 打開激光電源，使激光器輸出調(diào) Q 巨脈沖。在激光泵浦電壓是 400～ 500V 的情況下，可看到激光器輸出 532nm 的綠色激光。繞光軸旋轉(zhuǎn) KTP 晶體，使激光器輸出 532nm 的綠色激光最強。 關(guān)機順序為：先把手動開關(guān)斷開，關(guān)掉預燃，最后關(guān)電鑰匙。 ： 一． 掌握晶體電光調(diào)制的原理和實驗方法； 二． 學習一種測量晶體半波電壓和電光常數(shù)的實驗方法； 三． 觀察電光效應引起的晶體光學性質(zhì)的變化和會聚偏振光的干涉現(xiàn)象。 ： 電光效應一般是指介質(zhì)在外加電場的作用下，其折射率將發(fā)生變化，當光波通過此介質(zhì)時，其傳輸特性就受到影響而改變，這種現(xiàn)象稱為電光效應。 一次電光效應和晶體的折射率橢球 由電場所引起的晶體折射率的變化，稱為電光效應 .通?？蓪㈦妶鲆鸬?折射率的變化用下式表示： 長沙學院激光課程設(shè)計 第 23 頁 n = n0 + aE0 +bE02+…… 式中 a 和 b 為常數(shù)， n0 為不加電場時晶體的折射率。由一次項 aE0 引起折射率變化的效應，稱為一次電光效應，也稱線性電光效應或普克爾（ Pokells）效應；由二次項 bE02 引起折射率變化的效應，稱為二次電光效應，也稱平方電光效應或克爾（ Kerr）效應。一次電光效應只存在于不具有對稱中心的晶體中，二次電光效應則可能存在于任何物質(zhì)中，一次效應要比二次效應顯著。光在各向異性晶體中傳播時，因光的傳播方向不同或者是電矢量的振動方向不同，光的折射 率也不同。如圖 1，通常用折射率球來描述折射率與光的傳播方向，振動方向的關(guān)系。 晶體的一次電光效應分為縱向電光效應和橫向電光效應兩種 .縱向電光效應是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播的方向平行時產(chǎn)生的電光效應；橫向電光效應是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播方向垂直時產(chǎn)生的電光效應 .通常 KD*P（磷酸二氘鉀）類型的晶體用它的縱向電光效應，LiNbO3(鈮酸鋰 ）類型的晶體 用它的橫向電光效應 .本實驗研究鈮酸鋰晶體的一次電光效應，用鈮酸鋰晶體的橫向調(diào)制裝置測量鈮酸鋰晶體的半波電壓及電光系數(shù)，并用兩種方法改變調(diào)制器的工作點，觀察相應的輸出特性的變化 . 電光調(diào)制原理 要用激光作為傳遞信息的工具，首先要解決如何將傳輸信號加到激光輻射上去的問題，我們把信息加載于激光輻射的過程稱為激光調(diào)制，把完成這一過程的裝置稱為激光調(diào)制器 .由已調(diào)制的激光輻射還原出所加載信息的過程則稱為解調(diào) .因為激光實際上只起到了 攜帶 低頻信號的作用，所以稱為載波，而起控制作用的低頻信號是我們所需要 的，稱為調(diào)制信號，被調(diào)制的載波稱為已調(diào)波或調(diào)制光 .按調(diào)制的性質(zhì)而言，激光調(diào)制與無線電波調(diào)制相類似，可以采用連續(xù)的調(diào)幅，調(diào)頻，調(diào)相以及脈沖調(diào)制等形式，但激光調(diào)制多采用強度調(diào)制 .強度調(diào)制是根據(jù)光載波電場振幅的平方比例于調(diào)制信號，使輸出的激光輻射的強度按照調(diào)制信號的規(guī)律變化 .激光調(diào)制之所以常采用強度調(diào)制形式 ,主要是因為光接收器一般都是直接地響應其所接受的光強度變化的緣故 . ： 一．驗證 LN 晶體在自然狀態(tài)下的單軸晶體特性和施加電壓后晶體變?yōu)殡p軸晶體的情況 二．研究 LN 晶體的電光特性和特征參量 三 ．研究靜態(tài)工作點對調(diào)制波形的影響 四．感性認識 1/4 波片對靜態(tài)工作點的影響和作用 五．感性認識光通信中的調(diào)制、傳輸、解調(diào)過程 ： 一．加直流電壓前后屏上顯現(xiàn)的晶體出射光強的變化，可判定晶體產(chǎn)生電光效應，其理由何在。 由定義可知： 介質(zhì)在外加電場的作用下，其折射率將發(fā)生變化，當光波通過此介質(zhì)時，其傳輸特性就受到影響而改變，這種現(xiàn)象稱為電光效應。 二 ． 電光晶體調(diào)制器應滿足什么條件方能使輸出波形不失真？ 工作在線性工作區(qū)。 ： 驅(qū)動電壓（ V） 激光功率 (um) 驅(qū)動電壓（ V） 激光 功率 (um) 驅(qū)動電壓（ V） 激光功率 (um) 0 350 22 750 長沙學院激光課程設(shè)計 第 24 頁 50 400 850 100 450 950 150 500 1000 28 200 550 1050 250 600 1100 300 650 1150 27 起偏器垂直檢偏器光屏圖案 晶體加偏壓光屏圖案（會聚光經(jīng)過雙軸晶體） 起偏器平行 檢偏器光屏圖案 晶體加偏壓光屏圖案（會聚光經(jīng)過雙軸晶體） 原始信號波形 接收信號波形失真最小 長沙學院激光課程設(shè)計 第 25 頁 接收信號波形幅度最大 接收信號波形倍頻 7 總結(jié)與體會： 8 注意事項： 嚴禁用手直接接觸各類高壓，以免觸及高壓放電回路造成人身傷害； 輸出和所用的激光為高峰值功率激光，所以任何情況下嚴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。 未盡事宜由指導老師現(xiàn)場 解答 。 參考文獻 [1]李湘銀 李卓 .《激光原理技術(shù)及應用》 .哈爾濱工業(yè)大學 .2021 [2]劉安玲 孫利平 .《激光原理技術(shù)實驗指導書》 .長沙大學 .2021.