【導(dǎo)讀】1．研究LN晶體的一次電光效應(yīng)特性，了解電場(chǎng)對(duì)晶體的作用機(jī)理。2．掌握電光調(diào)制的工作原理及光路調(diào)整方法。解調(diào)過(guò)程有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)。質(zhì)時(shí)，其傳輸特性就受到影響而改變，這種現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)。電光效應(yīng)按電壓與折射率變化的關(guān)系可分為：一級(jí)電光效應(yīng)和二級(jí)電光效應(yīng)。二級(jí)電光效應(yīng)是指介質(zhì)折射率的變化與電場(chǎng)強(qiáng)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)。泡克爾斯效應(yīng)一般發(fā)生在本來(lái)。Kerr效應(yīng)較明顯的材料一般有硝基笨等。其自然狀態(tài)是各向同性的，在被電。場(chǎng)極化后變?yōu)楦飨虍愋?，產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。而Pockels效應(yīng)則多發(fā)生在一些晶體如LiNbO3(鈮。發(fā)生變化，由單軸晶體變?yōu)殡p軸晶體。一般又有橫向施加電場(chǎng)和縱向施加電場(chǎng)（平行于光。由于橫向電場(chǎng)的Pockels效應(yīng)具有半波電壓低、線性度較好的特點(diǎn)，因此得。不可或缺的一項(xiàng)技術(shù)。以便施加均勻的電場(chǎng)。這將使經(jīng)過(guò)的光的偏振態(tài)發(fā)。的會(huì)聚偏振光經(jīng)過(guò)雙軸晶體時(shí)的干涉圖案。起偏器與檢偏器相互垂直，系統(tǒng)進(jìn)入消光的狀態(tài)。

　　

【正文】 2 2 2221oex y znn? ?? （ 3） 其中 no、 ne 分別為尋常光和異常光的折射率。加電場(chǎng)后，由于晶體對(duì)稱性的影響， 42m 晶類只有 63? 、 41? 兩個(gè)獨(dú)立的線性 電光系數(shù)。 63? 是電場(chǎng)方向平行于光軸的電光系數(shù)， 41? 是電場(chǎng)方向垂直于光軸的電光系數(shù)。 KDP 晶體外加電場(chǎng)后的折射率橢球方程是： 2 2 24 1 6 322 2 ( ) 2 1xyoex y z E y z E x z x ynn ??? ? ? ? ? ? （ 4） 當(dāng)只在 KDP 晶體光軸 z 方向加電場(chǎng)時(shí)上式變成： 2 2 263220 21xex y z E x ynn ?? ? ? ? （ 5） 經(jīng)坐標(biāo)變換，可求出此時(shí)在三個(gè)感應(yīng)主軸上的主折射率： 39。30 0 6312xzn n n E??? 39。30 0 6312yzn n n E??? （ 6） 39。zenn? 當(dāng)光沿 KDP 晶體 光軸ｚ方向傳播時(shí)，在感應(yīng)主軸 x’, y’兩方向偏振的光波分量由于晶體在這兩者方向上的折射率不同，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為 l 的晶體后產(chǎn)生位相差： 339。 39。 6322()y x o zn n l n V??????? ? ? （ 7） 式中 zzV El? 為加在晶體 z 向兩端的直流電壓。 使光波兩個(gè)分量產(chǎn)生相位差 /2? （光程差 /4? ）所需要加的電壓為 /2 30 634V n? ??? （ 8） KDP 晶體的電光系數(shù) 1263 10 /mV? ??? 。對(duì)于 m??? 、 KDP 晶體的 /2 4000VV? ? 左右。 （ 2）帶起偏器的電光調(diào) Q 原理 帶起偏器的 KDP 電光 Q 開關(guān)是一種應(yīng)用較廣泛的電光晶體調(diào) Q 裝置，實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1所示。 KDP 晶體具有縱向電光系數(shù)大，抗破壞閾值高的特點(diǎn)，但易潮解，故需要放在密封盒子內(nèi)使用。通常采用縱向方式，即 z 向加壓， z 向通光。 帶起偏器的 Q 開關(guān)工作過(guò)程如下： Nd： YAG 棒在氙燈的激勵(lì)下產(chǎn)生無(wú)規(guī)則偏振光，通過(guò)偏振器后成線偏振光。若起偏方向與 KDP 晶體 x（或 y）方向一致，并在 KDP 上施加一個(gè) /4V? 的外加電場(chǎng)。由于電光效應(yīng)產(chǎn)生的電感應(yīng)主軸 x’和 y’與入射偏振光的偏振方向成 45度角。這時(shí)調(diào)制晶體起到了一個(gè) 1/4 波片的作用，顯然，線偏振光通過(guò)晶體后產(chǎn)生了 /2? 的位相差，可見往返一次產(chǎn)生的總位相差為 ? ，線偏振光經(jīng)這一次往返后偏振面旋轉(zhuǎn)了 90 度，不能通過(guò)偏振器。這樣，在調(diào)制晶體上加有 1/4 波長(zhǎng)電壓的情況下，由介質(zhì)偏振器和 KDP24 調(diào)制晶體組成的電光開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，諧振腔的 Q 值 很低，不能形成激光振蕩。 雖然這時(shí)整個(gè)器件處在低 Q 值狀態(tài)，但由于氙燈一直在對(duì) YAG 棒進(jìn)行抽運(yùn)，工作物質(zhì)中亞穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)便得到足夠的積累，當(dāng)粒子反轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到最大時(shí)，突然去掉調(diào)制晶體上的 1/4波長(zhǎng)電壓。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(guò)調(diào)制晶體，而其偏振狀態(tài)不發(fā)生任何變化，這時(shí)諧振腔處于高 Q 值狀態(tài)，形成雪崩式激光發(fā)射。 欲使帶起偏器的 Q 開關(guān)得到理想的開關(guān)效果的關(guān)鍵之一是，必須嚴(yán)格保持 偏振器的起偏方向與調(diào) Q 晶體的 x 軸（或 y 軸）方向一致，以保證起偏方向與調(diào) Q 晶體的感應(yīng)主軸 x′、y′成 45176。角 。簡(jiǎn)便的調(diào)試方法是，在 KDP 晶體加電壓的狀態(tài)下，轉(zhuǎn)動(dòng)起偏器和晶體的相對(duì)方位，直到激光不能振蕩為止。 Cr4+:YAG 被動(dòng)調(diào) Q 的工作原理 當(dāng) Cr4+:YAG 被放置在激光諧振腔內(nèi)時(shí)，它的透過(guò)率會(huì)隨著腔內(nèi)的光強(qiáng)而改變。在激光振蕩的初始階段， Cr4+:YAG 的透過(guò)率較低（初始透過(guò)率），隨著泵浦作用增益介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)不斷增加，當(dāng)諧振腔增益等于諧振腔損耗時(shí)，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到最大值，此時(shí)可飽和吸收體的透過(guò)率仍為初始值。隨著泵浦的進(jìn)一步作用，腔內(nèi)光子數(shù)不斷增加，可飽和吸收體的透過(guò)率也逐漸變大，并最終達(dá)到飽和。此時(shí)， Cr4+:YAG 的透過(guò)率突然增大，光子數(shù)密度迅速增加，激光振蕩形成。腔內(nèi)光子數(shù)密度達(dá)到最大值時(shí)，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(guò)率也開始減低。當(dāng)光子數(shù)密度降到初始值時(shí)， Cr4+:YAG 的透過(guò)率也恢復(fù)到初始值，調(diào) Q 脈沖結(jié)束。 三、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 序號(hào) 名稱 型號(hào) 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(dòng)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(gè)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 主動(dòng)調(diào) Q 晶體 KDP 1 含 Q 開關(guān)電路 11 起偏器 φ 20 mm 1 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 帶起偏器的 KDP 電光開關(guān)原理圖 25 12 被動(dòng)調(diào) Q 晶體 Cr:YAG 1 13 YAG 晶體 1 含閃光燈泵 14 輔助激光器 HN250 2mW、 、φ 36250mm 1 含激光電源 15 能量計(jì) LE3 光譜響應(yīng)范圍 m、020μ J 分辨率 100μ J，不確定度 177。 5% 1 含探頭（傳感器類型：熱釋電） 16 示波器 200M 1 17 光電探測(cè)器 1 18 激光管夾持器 GCM180201M 1 19 磁性表座 GCM420201M 2 20 支桿 GCM030112M L76 2 21 調(diào)節(jié)支座 GCM030302M L 76 2 22 光闌 GCM5701M 1 四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求 連接好所有電纜，插上電源插頭，檢查電源輸出正極接線端子（ POS）和負(fù)極接線端子（ NEG）是否連接正確。確定水泵及其控制線連接完好。 仔細(xì)調(diào)節(jié)與 Nd:YAG 激光器同軸的 HeNe 激光器，使 HeNe 激光通過(guò)激光棒兩個(gè)端面中心，如圖 8 所示。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。若 HeNe 激光器不與實(shí)驗(yàn)臺(tái)平行，則需首先調(diào)整 HeNe 激光器的高低和俯仰并使其水平。 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(guò)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(dá) HeNe 激光器上的三個(gè)反射光點(diǎn)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(wú)誤后啟動(dòng)電源，在激光電源工作電壓 400V 時(shí)反復(fù)仔細(xì)微調(diào)輸出鏡和全反鏡，使激光輸出最強(qiáng)，此時(shí)輸出的激光稱為靜態(tài)激光。測(cè)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(wú)誤后啟動(dòng)電源，仔細(xì)微調(diào)兩塊諧振腔片，使激光器靜態(tài)激光輸出最強(qiáng)。 將激光電源改到關(guān)門狀態(tài)進(jìn)行關(guān)門實(shí)驗(yàn)。繞光軸轉(zhuǎn)動(dòng)電光 Q 開關(guān)使激光器輸出最小，此時(shí)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(cè)量激光器的動(dòng)態(tài)輸出，此時(shí)輸出的激光為調(diào) Q 激光，也稱動(dòng)態(tài)激光或巨脈沖激光。反復(fù)重復(fù)上述過(guò)程，使激光器的輸出最強(qiáng)。 測(cè)量激光器的輸出特性：改變脈沖泵浦能量，用能量計(jì)分別測(cè)量幾組靜、動(dòng)態(tài)輸出能量，并填入下表。 將電光晶體和偏振片從激光諧振腔中拿走，加入 Cr4＋ ： YAG 被動(dòng)調(diào) Q 晶體，仔細(xì)調(diào)整26 Cr4＋ ： YAG 被動(dòng)調(diào) Q 晶體的俯仰位置，使其反射光點(diǎn)與激光晶體反射光點(diǎn)重合， 觀察輸出能量，微調(diào)調(diào)整架，使激光輸出能量最大 。 表 1 激光器靜態(tài)和動(dòng)態(tài)輸出 輸入電壓（ V） 靜態(tài)輸出（ mJ） 動(dòng)態(tài)輸出（ mJ） 400 500 600 700 800 900 990 降低泵浦電壓到零， 然后從小到大緩慢增加，測(cè)量不同電壓時(shí)激光器輸出脈沖的平均能量。 1安裝光電探測(cè)器，取三個(gè)不同工作 電壓，分別測(cè)量輸出脈沖的脈寬。 1對(duì)不同工作電壓下的輸出脈沖進(jìn)行對(duì)比，并作簡(jiǎn)要分析。 1 關(guān)機(jī)順序?yàn)椋合劝咽謩?dòng)開關(guān)斷開，關(guān)掉預(yù)燃，最后關(guān)電鑰匙。 五 、 思考題 分析電光調(diào) Q 激光器的輸出特性。 將電光調(diào) Q 的測(cè)量結(jié)果與被動(dòng)調(diào) Q 的結(jié)果作比較。 六、 實(shí)驗(yàn)中注意事項(xiàng)： 本實(shí)驗(yàn)輸出的激光為高峰值功率脈沖激光，做本實(shí)驗(yàn)前必須佩戴防護(hù) 1064nm激光的防護(hù)眼鏡。 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。 嚴(yán)禁用手直接觸摸氙燈電極以及激光電源的輸出線，以免觸及高壓放電回 路造成人身傷害。 用光電探測(cè)器接收激光脈沖時(shí)，應(yīng)多次衰減至極為微弱，以免打壞探測(cè)器。 27 實(shí)驗(yàn) 五 Nd： YAG 激光器 倍頻 實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?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 。 二 、實(shí)驗(yàn) 原理 利用非線性晶體在強(qiáng)激光作用下的二次非線性效應(yīng)，使頻率為 ω 的激光通過(guò)晶體后變?yōu)轭l率為 2ω 的倍頻光，稱為倍頻技術(shù)，或二次諧波振蕩。 用非線性材料產(chǎn)生倍頻激光的器件稱為倍頻激光器。一般把入射激光稱為基頻光，由倍頻激光器出來(lái)的激光稱為倍頻光或二次諧波。 光學(xué)倍頻來(lái)源于媒質(zhì)在 基頻光波電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的二階非線性極化， 當(dāng)入射光很強(qiáng)時(shí)，入射光在晶體材料中感生的電極化強(qiáng)度 P 可能包含非線性項(xiàng)： P=X(1)E+X(2)E2 如果某點(diǎn)處入射光波表示為 E=E0cosωt ，則 可見，電極化強(qiáng)度中除了有直流成分外，還有頻率為 ω 的基頻和頻率為 2ω 的倍頻成分。與這些電極化強(qiáng)度成分相應(yīng)，有基頻極化波 P（ ω ）和倍頻極化波 P（ 2ω ），及其相應(yīng)的基頻次波幅射和倍頻次波輻射，即 E′ （ ω ）和 E′ （ 2ω ）。 通俗地說(shuō)， 極化強(qiáng)度中與光波電場(chǎng)二次方成比例的這一部分極化強(qiáng)度相當(dāng)于存在一種頻率為 2ω 的振蕩電偶極矩。基頻光波在媒質(zhì)中傳播的同時(shí)激勵(lì)起一系列這樣的振蕩電偶極矩。它們?cè)诳臻g中的分布就好比一個(gè)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(duì)位相。由于陣列中每個(gè)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(yīng)是這些光波互相干涉的結(jié)果。無(wú)疑，只當(dāng)干涉是相互加強(qiáng)時(shí)才會(huì)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 。 當(dāng)這兩個(gè)光波沿同一方向傳播時(shí)，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(duì)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(shí)現(xiàn)相位匹配 。 對(duì)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(lái) 實(shí)現(xiàn)相位匹配。 例如，對(duì)于負(fù)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(shí)驗(yàn)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(dāng)光波沿著與 晶體光軸成 θ m角的特殊方向 傳播時(shí) ，可以實(shí)現(xiàn) ne（ 2ω ） =n0（ ω ） ，即實(shí)現(xiàn)相位匹配，θ m稱為匹配 角 。還可以用其它方法實(shí)現(xiàn)相位匹配條件 。 28 當(dāng)滿足位相匹配條件時(shí)，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(zhǎng)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(xué)倍頻可將紅外激光轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢娂す?，或?qū)?可見激光轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄩL(zhǎng)更短的激光，從而擴(kuò)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(zhǎng)更短的激光可用多級(jí)倍頻。 本實(shí)驗(yàn)中的倍頻就是通過(guò)倍頻晶體實(shí)現(xiàn)對(duì) 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(dá)到相當(dāng)高的倍頻轉(zhuǎn)換效率。對(duì)于 近紫外 、 可見及近紅外的基頻