【正文】 對于 近紫外 、 可見及近紅外的基頻光。 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。在激光技術(shù)中已被廣泛采用。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。還可以用其它方法實現(xiàn)相位匹配條件 。 例如，對于負(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 。 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 。無疑，只當(dāng)干涉是相互加強(qiáng)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 。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。 通俗地說， 極化強(qiáng)度中與光波電場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。 光學(xué)倍頻來源于媒質(zhì)在 基頻光波電場作用下產(chǎn)生的二階非線性極化， 當(dāng)入射光很強(qiáng)時，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： P=X(1)E+X(2)E2 如果某點處入射光波表示為 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。 用非線性材料產(chǎn)生倍頻激光的器件稱為倍頻激光器。 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 。 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。 六、 實驗中注意事項： 本實驗輸出的激光為高峰值功率脈沖激光，做本實驗前必須佩戴防護(hù) 1064nm激光的防護(hù)眼鏡。 五 、 思考題 分析電光調(diào) Q 激光器的輸出特性。 1對不同工作電壓下的輸出脈沖進(jìn)行對比，并作簡要分析。 表 1 激光器靜態(tài)和動態(tài)輸出 輸入電壓（ V） 靜態(tài)輸出（ mJ） 動態(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，測量不同電壓時激光器輸出脈沖的平均能量。 測量激光器的輸出特性：改變脈沖泵浦能量，用能量計分別測量幾組靜、動態(tài)輸出能量，并填入下表。 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。 將激光電源改到關(guān)門狀態(tài)進(jìn)行關(guān)門實驗。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。 如圖 1 所示，將介質(zhì)偏振片插入光路。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(qiáng)，此時輸出的激光稱為靜態(tài)激光。 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(dá) HeNe 激光器上的三個反射光點重合。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。確定水泵及其控制線連接完好。 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 主動調(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 LE3 光譜響應(yīng)范圍 m、020μ J 分辨率 100μ J，不確定度 177。腔內(nèi)光子數(shù)密度達(dá)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。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率也逐漸變大，并最終達(dá)到飽和。 Cr4+:YAG 被動調(diào) Q 的工作原理 當(dāng) Cr4+:YAG 被放置在激光諧振腔內(nèi)時，它的透過率會隨著腔內(nèi)的光強(qiáng)而改變。角 。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。這樣，在調(diào)制晶體上加有 1/4 波長電壓的情況下，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。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。 帶起偏器的 Q 開關(guān)工作過程如下： Nd： YAG 棒在氙燈的激勵下產(chǎn)生無規(guī)則偏振光，通過偏振器后成線偏振光。 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。對于 m??? 、 KDP 晶體的 /2 4000VV? ? 左右。 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。zenn? 當(dāng)光沿 KDP 晶體 光軸ｚ方向傳播時，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)過長度為 l 的晶體后產(chǎn)生位相差： 339。30 0 6312xzn n n E??? 39。 63? 是電場方向平行于光軸的電光系數(shù)， 41? 是電場方向垂直于光軸的電光系數(shù)。 電光調(diào) Q 的基本原理 23 （ 1） KDP 晶體的縱向電光效應(yīng)： 本實驗所用的電光晶體為 KDP 晶體，屬于四方晶系 42m 晶類，光軸 C 與主軸 z 重和，未加電場時，在主軸坐標(biāo)系中 KDP 晶體的折射率橢球方程為： 2 2 2221oex y znn? ?? （ 3） 其中 no、 ne 分別為尋常光和異常光的折射率。 本實驗主要研究燈泵固體激光器的電光調(diào) Q 技術(shù)，所用的 Q 開關(guān)利用晶體的電光效應(yīng)制成，具有開關(guān)速度快、脈沖峰值功率高、脈沖寬度窄、器件輸出功率穩(wěn)定性較好等優(yōu)點，是一種已獲廣泛應(yīng)用的調(diào) Q 技術(shù) 。 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。這時腔內(nèi)會像雪崩一樣以極快的速度建立起極強(qiáng)振蕩，在短時間內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大量被消耗，轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)的光能量，并在輸出鏡端輸出一個極強(qiáng)的激光脈沖，其脈寬窄（ 106~109s 量級），峰值功率高（大于 MW），通常把這種光脈沖稱為巨脈沖。如果我們設(shè)法在泵浦開始時使諧振腔內(nèi)的損耗增大，即提高振蕩閾值，使振蕩不能形成，激光工作物質(zhì)上能級的粒子數(shù)大量積累。由公式（ 2）可知， Q 值與損耗率成反比變化，即損耗大Q 值就低，損耗小 Q 值就高。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。 激光器調(diào) Q 的概念 激光器的 Q 值又稱品質(zhì)因數(shù)，是表征激光諧振腔的腔內(nèi)損耗一個重要參數(shù)，其定義為腔內(nèi)貯存的能量與每秒鐘損耗的能量之比： 0=2Q ?? 腔 內(nèi) 貯 存 的 激 光 能 量每 秒 鐘 損 耗 的 激 光 能 量 （ 1） 式中 0? 為激光的中心頻率。一般情況下，自由運(yùn)轉(zhuǎn)的脈沖激光器輸出的激光脈沖的脈寬在幾百 μs～幾 ms 之間，峰值功率也較低。 22 實驗 四 Nd： YAG 激光器調(diào) Q 實驗 一、實驗?zāi)康? 了解利用晶體線性 電光 效應(yīng)實現(xiàn) 激光 調(diào) Q 的原理； 熟悉主動和被動調(diào) Q 固體激光器的 結(jié)構(gòu) ，并掌握其調(diào)試技術(shù)； 了解電光晶體的開關(guān)效率和延遲特性； 掌握調(diào) Q 激光器輸出 能量、脈沖寬度 的測 量 方法 。 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。 (3) 關(guān)機(jī)順序為：先把手動開關(guān)斷開，關(guān)掉預(yù)燃，最后關(guān)電鑰匙。 (2) 根據(jù)步驟 (1)的實驗結(jié)果，當(dāng)激光器的輸入能量（輸入電壓）在某一固定值的情況下，激光器的輸出能量有一最佳值。改變激光電源的電壓，測量激光電源電壓為 500V、 600V、 700V、 800V 和 900V 時的輸出輸入曲線。 (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）。 (2) 改變激光電源電壓，分別測量激光電源電壓為 500V、 600V、 700V、 800V 和 900V時的輸出能量值（若時間允許，可間隔 50V 測量）。 輸出鏡 激光晶體 全反鏡 HeNe 激光器 圖 8 激光器光路調(diào)整示意圖 2．激光器輸出 輸入 曲線的測定： (1) 在激光諧振腔調(diào)整完成后，開始測量激光器的 輸出 輸入曲線。若激光電源電壓增大至 850V 時仍無激光輸出，需要再次微調(diào)激光器的全反鏡和輸出鏡（微調(diào)！），至使輸出激光在感光相紙上打出光斑。當(dāng)激光電源顯示電壓值達(dá)到 500V 時，用感光相紙在激光器輸出鏡后接光斑。按下激光器啟動開關(guān)，“ START”鍵亮。 一切檢查無誤后 打開激光電源的鑰匙開關(guān)，檢查POS NEG PUMP POWER 1 2 5 6 3 4 9 10 圖 7 后面板控制示意圖 21 水冷系統(tǒng)工作是否正常。 (3)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(dá) HeNe 激光器上的三個反射光點重合。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。確定水泵及其控制線連接完好。 5% 1 含探頭（傳感器類 型：熱釋電） 12 輔助激光器 HN250 2mW、 、φ 36250mm 1 含激光電源 13 激光管夾持器 GCM180201M 1 14 磁性表座 GCM420201M 2 15 支桿 GCM030112M L76 2 16 調(diào)節(jié)支座 GCM030302M L 76 2 17 光闌 GCM5701M 1 開關(guān)型脈沖激光電源技術(shù)說明 ： A、額定參數(shù)： （ 1） 輸入電壓： AC220V 允許177。 所以，泵浦光在激光晶體輸入面上的光斑半徑應(yīng)該 0?? ，這樣可使泵浦光與基模振蕩模式匹配，在容易獲得基模輸出。 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。 fLR?0泵 浦 光 激 光 輸 出激 光 晶 體輸 出 鏡 圖 5 端面泵浦的激光諧振腔形式 如 圖 所示，則平凹腔中的 g 參數(shù)表示為： 1 11 1,Lg R? ? ? 2 21 Lg R?? （ 4） 根據(jù)腔的穩(wěn)定性 條件， 1201gg??時腔為穩(wěn)定腔。激光晶體的一面鍍泵浦光增透和輸出激光全反 膜，并作為輸入鏡，鍍輸出激光一定透過率的凹面鏡作為輸出鏡。在要求不嚴(yán)格的情況下， Nd3+： YAG 的連續(xù)器件的透過率一般選為 5%~20%，脈沖器件的透過率一般選為 50%~80%。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)。可見，激光器的閾值能量與很多環(huán)節(jié)有關(guān)?？梢?，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布并不一定能