【正文】 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。 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更短的激光，從而擴(kuò)展激光譜線覆蓋的范圍。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 ，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 。 當(dāng)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 )?；l光波在媒質(zhì)中傳播的同時激勵起一系列這樣的振蕩電偶極矩。一般把入射激光稱為基頻光，由倍頻激光器出來的激光稱為倍頻光或二次諧波。 用光電探測器接收激光脈沖時，應(yīng)多次衰減至極為微弱，以免打壞探測器。 將電光調(diào) Q 的測量結(jié)果與被動調(diào) Q 的結(jié)果作比較。 1安裝光電探測器，取三個不同工作 電壓，分別測量輸出脈沖的脈寬。反復(fù)重復(fù)上述過程，使激光器的輸出最強(qiáng)。確定無誤后啟動電源，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)。測量激光器的靜態(tài)輸出特性后關(guān)閉激光電源。若 HeNe 激光器不與實(shí)驗(yàn)臺平行，則需首先調(diào)整 HeNe 激光器的高低和俯仰并使其水平。 5% 1 含探頭（傳感器類型：熱釋電） 16 示波器 200M 1 17 光電探測器 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。此時， Cr4+:YAG 的透過率突然增大，光子數(shù)密度迅速增加，激光振蕩形成。簡便的調(diào)試方法是，在 KDP 晶體加電壓的狀態(tài)下，轉(zhuǎn)動起偏器和晶體的相對方位，直到激光不能振蕩為止。 雖然這時整個器件處在低 Q 值狀態(tài)，但由于氙燈一直在對 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，突然去掉調(diào)制晶體上的 1/4波長電壓。若起偏方向與 KDP 晶體 x（或 y）方向一致，并在 KDP 上施加一個 /4V? 的外加電場。 （ 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。 39。 KDP 晶體外加電場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 方向加電場時上式變成： 2 2 263220 21xex y z E x ynn ?? ? ? ? （ 5） 經(jīng)坐標(biāo)變換，可求出此時在三個感應(yīng)主軸上的主折射率： 39。另外，本實(shí)驗(yàn)也簡單了解 可飽和吸收體調(diào) Q 技術(shù)。由于調(diào)節(jié)腔內(nèi)的損耗實(shí)際上是調(diào)節(jié) Q 值，因此這種產(chǎn)生巨脈沖的技術(shù)被稱為調(diào) Q 技術(shù)，也稱為 Q 開關(guān)技術(shù)。 由于固體激光器存在弛豫振蕩現(xiàn)象，產(chǎn)生了功率在閾值附近起伏的尖峰脈沖序列，從而阻礙了激光脈沖峰值功率的提高。 假定腔內(nèi)貯存的激光能量為 E，光在腔內(nèi)走一個單程能量的損耗率為 ? ，則光在一個單程中對應(yīng)的損耗能量為 E? 。 二、實(shí)驗(yàn)原理 調(diào) Q 技術(shù)是獲得短脈沖高峰值功率激光輸出的重要方法。 五 、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。利用同樣方法可以測量激光器在其它輸出鏡透過率情況下的輸出輸入曲線。每個電壓處測量 3 次并取輸出能量的平均值作為輸出能量值。 (6)在激光器輸出激光后，繼續(xù)微調(diào)激光器的全反鏡和輸出鏡，直到打到相紙上的激光光斑均勻、圓整，然后減小激光器電壓至激光器剛能出光，此時注入的泵浦能量為激光器的閾值能量。順時針方向旋轉(zhuǎn)可變電位器，此時可以看到激光電源顯示的電壓值逐漸變大。 (4)檢查激光器的電源與激光頭之間以及激光頭和水箱之間的連接是否正確以及激光電源的多圈電位計(jì)逆時針旋至最小。 (2)仔細(xì)調(diào)節(jié)與 Nd:YAG 激光器同軸的 HeNe 激光器，使 HeNe 激光通過激光棒兩個端面中心，如圖 8 所示。 19 三、 實(shí)驗(yàn)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 YAG 晶體 1 含閃光燈泵 11 能量計(jì) LE3 光譜響應(yīng)范圍 μ m、 020μ J 分辨率 100μ J，不確定度 177。故當(dāng) 2LR? 時腔穩(wěn)定。 5．固體激光器的模式匹配技術(shù) 圖 5 是典型的平凹腔型結(jié)構(gòu)圖。 4．最佳輸出耦合條件的選取 所謂最佳輸出耦合條件是指在一定輸出能量的情況下獲得最大激光輸出的輸 出腔鏡透過率條件。理論上可以推導(dǎo)閾值增益系數(shù)應(yīng)滿足如下條件： Rlith avG 12121 ln)( ?? （ 1） 其中 )( 21vGth 為閾值增益系數(shù)， ?i 是腔內(nèi)除去輸出損耗外的其它腔內(nèi)損耗系數(shù)， R 為輸出腔鏡的反射率， l 為工作物質(zhì)的長度 。 3．激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)特性 在脈沖氙燈發(fā)出的泵浦光的作用下， Nd3+： YAG 晶體被激發(fā)，可實(shí)現(xiàn)粒子 數(shù)反轉(zhuǎn)分布，并產(chǎn)生受激輻射。本實(shí)驗(yàn)采用脈沖氙燈側(cè)面泵浦激光晶體，因此對側(cè)面泵浦所用的聚光腔作以簡介。在圖 4所示的預(yù)燃式電源中包括了充放電電路、預(yù)燃電路和觸發(fā)電路，燈一經(jīng)觸發(fā)，它便可維持其小電流（約 100~200mA）輝光放電。燈的觸發(fā)方式有兩種：外觸發(fā)式――脈沖高壓通過繞在燈管上的17 觸發(fā)絲來觸發(fā)泵浦燈；內(nèi)觸發(fā)式――脈沖高壓直接通過燈的電極來觸發(fā)泵浦燈。燈管和電極之間用過渡玻璃直接封接或氣泡封接，管內(nèi)充入適量的氙氣。本實(shí)驗(yàn)中選用脈沖氙燈對激光棒進(jìn)行泵浦，其一般由燈管、充入的氣體和電極所構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。 目前常用的泵浦光源有惰性氣體燈（氙燈、氪燈）、鹵化物燈、半導(dǎo)體激光器等。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。因此，四能級系統(tǒng)的激光振蕩閾值較三能級系統(tǒng)低很多。 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。它有五條主要吸收帶，這些吸收帶的中心波長分別是 m、 m、 m、 m 和 m，其中 m 的吸收帶較強(qiáng)。 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。 二、實(shí)驗(yàn)原理 1． Nd3+： YAG（摻釹釔鋁石榴石）晶體的光譜及物化特性： Nd3+： YAG 晶體是以釔鋁石榴石晶體（簡稱 YAG，分子式為 Y3 Al3O12）為基質(zhì)，摻雜適量的三價稀土元素釹離子（ Nd3+）構(gòu)成的，其中 Nd3+置換 YAG 中的部分釔離子（ Y3+），晶體呈淡紫色。 （ 五 ） 衍射光強(qiáng)波形的測量 13 1． 重復(fù)實(shí)驗(yàn) 內(nèi)容（ 一 ） 的步驟，令觀察屏上的衍射光點(diǎn)最多。 讀出聲光調(diào)制器距光 闌 的距離。 2． 移開觀察屏，用激光功率計(jì)測出入射光強(qiáng) 0I 3． 利用光闌分別讓 0， ? 1， ? 2， ? 3?級衍射光打到激光功率計(jì)的光敏面上，測出 各級衍射光的強(qiáng)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。 3． 當(dāng)入射光 充滿通光面時，數(shù)出衍射條紋的數(shù)目 N，利用下式計(jì)算聲光介質(zhì)中的聲速 Ⅴ 。 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。 三、實(shí)驗(yàn) 儀器 光學(xué)導(dǎo)軌， HeNe 激光器及電源，駐波聲光調(diào)制器及其驅(qū)動源，可變光闌，聲光調(diào)制器，透鏡，觀察屏， 光強(qiáng)分布測量系統(tǒng)， 光電接收器，示波器， 支架若干 。根據(jù)推證， 當(dāng)入射光強(qiáng)為 Ii 時，布喇格聲光衍射的 0 級和 1 級衍射光強(qiáng)的表達(dá)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。圖 6a 表示在同一鏡面上的衍射情況， 入射光 1 和 2 在 B、 C 點(diǎn)反射的 1?和 2?同相位 的條件 ， 必須使 光程差 ACBD等于光波波長的整 數(shù) 倍 ，即 ： ?s 入射光 ?i 衍射光 ?i+?s 2? 非衍射光 圖 5 布喇格聲光衍射 聲波 si m??? ??isnLL ??4 20 ??+q/2 q/2 ki L/2 cos1l +L/2 x d=xl ks ? y 圖 4 垂直入射情況 9 （ 8） 要使聲波面上所有點(diǎn)同時滿足這一條件，只有使 θ i＝θ d ，即入射角等于衍射角時才能實(shí)現(xiàn)。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。 當(dāng)入射光與聲波面間夾角滿足一定條件時，介質(zhì)內(nèi)各級 衍射光 會相互干涉， 各高級次衍射光將互相抵消，只出現(xiàn) 0 級和 +1 級（或 ?1級） （視入射光的方向而定）衍射光 ， 即產(chǎn)生布拉格衍射， 如圖 5 所示。 衍射光場強(qiáng)度各項(xiàng) 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(qiáng)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(qiáng)度相等。由出射波陣面上各子波源發(fā)出的次波將發(fā)生相干作用，形成與入射方向?qū)ΨQ分布的多級衍射光，這就是拉曼 —納斯衍射。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。 現(xiàn)在，我們來討論在超聲駐波的作用下，聲光介質(zhì)折射率的變化以及光通過時的衍射情況。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。這種有兩個彼此相對的行波組成的振動稱為駐波。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(dá)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。 FSG1080 型 聲光效應(yīng) 實(shí)驗(yàn)儀 由兩部分構(gòu)成 ，一是聲光晶體：聲光晶體由壓電換能器（ X0?切石英晶體）和聲光互作用介質(zhì)（ ZF6）組成。的突變。聲 駐波是由波長、振幅和相位相同，傳播方向相反的兩束聲波疊加而成的。 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(jìn)了聲光效應(yīng)理論和應(yīng)用研究的迅速發(fā)展。 當(dāng)光波通過此介質(zhì)時，就會產(chǎn)生光的衍射。 4． 學(xué)會 測量聲光偏轉(zhuǎn)和聲光調(diào)制曲線。 五、 思考題 1．加直流電壓前后屏上顯現(xiàn)的晶體出射光強(qiáng)的變化，可判定晶體產(chǎn)生電光效應(yīng)，其理由何在。分別將靜態(tài)工作電壓置于倍頻失真點(diǎn)、接收信號波形失真最小、接 收信號波形幅度最大點(diǎn)（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(diǎn)的影響和作用。 5） 旋轉(zhuǎn)電壓調(diào)節(jié)旋鈕改變靜態(tài)工作點(diǎn)，觀察示波器上的波形變化。 以下實(shí)驗(yàn)是為了觀察靜態(tài)工作點(diǎn)對輸出波形的影響，實(shí)驗(yàn)步驟與光路如下： 1） 將上一個實(shí)驗(yàn)電路中的功率指示計(jì)探頭取下，換上光電二極管探頭，使