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1、激光谐振腔与倍频实验a13 组 03 光信息 陆林轩 033012017 实验时间：2006-4-25实验目的和内容1 、学习与掌握工作物质端面呈布儒斯特角的钕玻璃激光器的调节，以获得激光红外输出。2、掌握腔外倍频技术，并了解倍频技术的意义。3、观察倍频晶体0.53?m绿色光的输出情 况。实验基本原理1、激光谐振腔光学谐振腔是激光器的重要组成部分，能起延长增益介质的作用(来提高光能密度)，同 时还能控制光束的传播方向，对输出激光谱线的频率、宽度、和激光输出功率、等都产生很 大的影响。图 1 激光谐振腔示意图(1) 组成：光学谐振腔是由两个光学反射镜面组成、能提供光学正反馈作用的光学装置，如图1
2、 所 示。两个反射镜可以是平面镜或球面镜，置于激光工作物质两端。两块反射镜之间的距离为 腔长。其中一个镜面反射率接近 100%，称为全反镜；另一个镜面反射率稍低些，激光由此镜 输出，故称输出镜。(2) 工作原理：谐振腔中包含了能实现粒子数反转的激光工作物质。它们受到激励后，许多原子将跃迁 到激发态。但经过激发态寿命时间后又自发跃迁到低能态，放出光子。其中，偏离轴向的光 子会很快逸出腔外。只有沿着轴向运动的光子会在谐振腔的两端反射镜之间来回运动而不逸 出腔外。这些光子成为引起受激发射的外界光场。促使已实现粒子数反转的工作物质产生同 样频率、同样方向、同样偏振状态和同样相位的受激辐射。这种过程在谐
3、振腔轴线方向重复 出现，从而使轴向行进的光子数不断增加，最后从部分反射镜中输出。所以，谐振腔是一种 正反馈系统或谐振系统，具有很好的准直，选频和放大功能。(3) 种类：图 2 谐振腔的种类按组成谐振腔的两块反射镜的形状以及它们的相对位置，可将光学谐振腔区分为：平行 平面腔，平凹腔，对称凹面腔，凸面腔等。平凹腔中如果凹面镜的焦点正好落在平面镜上， 则称为半共焦腔；如果凹面镜的球心落在平面镜上，便构成半共心腔。对称凹面腔中两块反 射球面镜的曲率半径相同。如果反射镜焦点都位于腔的中点，便称为对称共焦腔。如果两球 面镜的球心在腔的中心，称为共心腔。如果光束在腔内传播任意长时间而不会逸出腔外，则称该腔为
4、稳定腔(满足，否则称为不稳定腔(满足1?g1.g2或0?gl.g2)。上述列举的谐振腔都属0?gl.g2?l)稳定腔。( 4)本实验中的激光谐振腔：本实验采用的是外腔式钕玻璃激光器。外腔式激光器的两个反射镜是放在激光棒的外侧， 长度可调，频率可变，在激光棒的两侧按一定的角度贴有布儒斯特窗片。由于布儒斯特窗对 p偏振分量具有100%的透过率，从而输出线偏光。2、激光倍频(1) 非线性光学基础极化强度矢量和入射长的关系为：p?(1)e?(2)e2?(3)e3?(1)分别是线性极化率，二阶非线性极化率，三阶非线性极化率，?(2) ，?(1)，?(3)，且每加一次极化，?值减小七八个数量级。在入射光场
5、比较小的时候，?(2)，?(3)等极小，p与e成线性关系。当入射光场较强时，体现出非线性。只有在具有非中心对称的晶体 中才可以观测到二阶非线性效应。二阶效应可用于实现倍频、和频、差频和参量震荡过程。 其中二倍频技术是最基本，利用最广泛的一种技术。本实验就是要观测倍频技术。(2) 相位匹配及实现方法 除了要光强比较大还要实现相位匹配，才可以获得好的倍频效果。由倍频转换率公式：2p2?sin(l?k/2)2?d?l2?e?(2)?l?k/2p可知， 要获得最大的 转换率， 必须 使 l?k/2=0 ， 因为 l 不为 0， 所以 ?k=0， 即： ?k?2k1?k2?2?4?1(n?n2?)?0(
6、 3 )即 n?n。可见基频光和倍频光在晶体中的传播速率是一样的。相位匹配的物理实 质就是使基频光在晶体中沿途各点激发的倍频光传播到出射面时，有相同的相位，可以 相互干涉增强，达到好的倍频效果。(3) 实现相位匹配条件的方法对于一般介质，由于正常色散，高频光的折射率大于低频光的折射率，不能实现n?n?2?的条件。而对于各向异性晶体，由于双折射效应，可以利用偏振光间的折射率关系，以 实现相位匹配条件。本实验采用负单轴晶体，如图3所示。由负单轴晶体的折射率椭球及相位匹配条件，以 及由谐振腔输出线偏光可知，我们采用了 o+o?e的第一类相位匹配，其匹配条件是no?ne2?。除了相位匹配条件以外，晶体
7、的有效长度ls和模式状况也需要考虑。图 3 负折射率晶体折射率椭球注：本实验用的是负单轴铌酸锂晶体i类角度相位匹配，其匹配角理论值为?m?870 实验用具及装置图实验用具：hene激光器、光阑、钕玻璃固体激光器及光源、倍频晶体及多维调节架等。(其中钕玻璃为固体激光器； 输出波长：最强辐射1.0627微米； 泵浦： :氙灯) 装置图：图 4 实验原理图实验步骤1、利用 hene 激光器及光阑对钕玻璃激光器的光路进行准直。其中 hene 激光器、光阑、钕玻璃激光器无需移动。根据计算对于钕玻璃激光当谐振腔 约为70cm时，可以输出较强的1.06um激光。已知，钕玻璃棒长为20cm，所以在将半反镜和
8、全反镜对称的放置在钕玻璃棒两侧，相距25cm，并且为了减小激光在晶体中衍射，使光从半 反镜和全反镜的中央通过，将它们固定在工作台上。然后调节谐振腔后的半反镜，当该半反 镜的反射光与光阑的出射光在光阑小孔处重合时，再调节谐振腔前的全反镜，同样使它反射 回的光与光阑处出射光小孔处重合，这样就完成了准直。2、检验红外脉冲的功率强度将以黑纸片放在半反镜的后面，然后关闭hene激光器。调节钕玻璃激光器的电源电流， 注意充电电流不可超过70ma，使电压达到1300v时触发。触发完毕后，对高压电源进行短路 放电。然后观察黑纸。如果激光脉冲把黑纸烧出一焦斑，证实有激光输出。以焦斑的大小判 断激光功率的大小。若
9、功率太小，则重复步骤1，以输出比较大功率的激光。3、观察倍频光拿开黑纸，换上倍频晶体。为了易于观察及安全，在离工作台2m左右的地方布置一个白 屏。激发激光器时，因为激光功率比较大，会对人眼造成伤害，所以不要目视激光器，而仅 仅观察白屏就够了。打开hene激光器，使激光照射到倍频晶体中央。如图5所示，令倍频 晶体与半反镜间距为1,且l=20cm。由倍频晶体反射回激光点落在半反镜上的光斑与出射光斑的距离为a,入射角与反射角和为2?。有如下的几何关系：tan2?a(4) l转动晶体的角度，每转动一角度点亮一次激光，观察绿光亮点直至消失为止。记下 ab 之间的距离a。图 5 反射光斑与出射光斑夹角实验
10、记录按照实验步骤 1 进行光路准直之后，我们对钕玻璃激光器的电源进行充电，当电压达到 1300v 时触发，此时黑纸有一小部分被激光烧焦，形成一个白点(黑纸附在实验报告首页)。 换上倍频晶体、将2?角调至7左右之后，第一次触发只看到白色光，而没有观察到绿色倍 频光；接着我们不断调整2?的角度，但多次触发都还是没有观察到绿色倍频光；请教老师之 后，我们将倍频晶体沿着中心轴旋转90，再次触发终于没有看到绿色倍频光。因为我们并 不知道晶体的切割情况，所以只能不断尝试才能找到一个入射角，使得此时基频光与光轴刚 好形成相位匹配角。表2入射角与绿光光强关系(1=22.30cm)注：其中 2?arctan()
11、 l 篇二：激光倍频实验11 激光倍频一 实验目的和内容1 学习工作物质端面呈布儒斯特角的釹玻璃激光器的调节。 2 掌握腔外倍频技术， 并了解倍频技术的意义。3 要求每人都调节一次釹玻璃激光器并从黑纸片被激光燃焦的程度，判别每人调节的精度高低。4、观察倍频晶体0.53 “ m绿色光的输出情况。二 实验基本原理1. 非线性光学基础光与物质相互作用的全过程，可分为光作用于物质，引起物质极化形成极化场以及极化 场作为新的辐射源向外辐射光波的两个分过程。原子是由原子核和核外电子构成。当频率为3的光入射介质后，引起其中原子的极化， 即负电中心相对正电中心发生位移r形成电偶极矩m?er，(1 )其中，e是
12、负电中心的电量。我们定义单位体积内原子偶极矩的总和为极化强度矢量p，p?nm，(2 )n是单位体积内的原子数。极化强度矢量和入射场的关系式为p?(1)e?(2)e2?(3)?e3?，(3)其中X 1，X 2, X 3,分别称为线性极化率，二级非线性极化率、三级非线性极化率，(1) (2)(3)并且X >>；x >>；x。在一般情况下，每增加一次极化，X值减少七八个数 量级。由于入射光是变化的，其振幅为e = e0sinw t,所以极化强度也是变化的。根据电磁 理论，变化的极化场可作为辐射源产生电磁波新的光波。在入射光的电场比较小时(比 原子内(2) (3)(1)的场强还小)
13、，X，X等极小，P与e成线性关系为p=X e。新的光波与入射光具有相同 的频率，这就是通常的线性光学现象。但当入射光的电场较强时，不仅有线性现象，而且非 线性现象也不同程度地表现出来，新的光波中不仅有入射地基波频率，还有二次谐波、三次 谐波等频率产生，形成能量转移，频率变换。这就是只有在高强度的激光出现以后，非线性 光学才得到迅速发展的原因。2 二阶非线性光学效应虽然许多介质都可产生非线性效应，但具有中心结构的某些晶体和各向同性介质(如气 体)，由于(3)式中的偶级项为零，只含有奇级项(最低为三级)，因此要观测二级非线性效 应只能在具有非中心对称的一些晶体中进行，如kdp (或kd*p)、li
14、no3晶体等等。现从波的耦合，分析二级非线性效应的产生原理，设有下列两波同时作用于介质：()()()e1?a1cos(3 1t?k1z)，(4) e2?a2cos(3 2t?k2z),( 5 )介质产生的极化强度应为二列光波的叠加，有p?(2)a1cos(31t?k1z)?a2cos(32t?k2z)2?(2)a1cos2(3 1t?k1z)?a2cos2(3 2t?k2z) ?2a1a2cos(3 1t?k1z)cos(3 2t?k2z)。( 6 )经推导得出，二级非线性极化波应包含下面几种不同频率成分：22p23 1?(2)2a1cos2(3 1t?k1z)2p2w 2?(2)2a22co
15、s(3 2t?k2z)2,( 8 )pw 1?w 2?(2)ala2cos(3 1?w 2)t?(kl?k2)z,(9) pw 1?w 2?(2)ala2cos(31?W 2)t?(kl?k2)z,(10)2p 直流,(11)从以上看出，二级效应中含有基频波的倍频分量(2w 1)、(2w 2)、和频分量(w 1+w 2)、 差频分量(w 1 - w 2)和直流分量。故二级效应可用于实现倍频、和频、差频及参量振荡等 过程。当只有一种频率为w的光入射介质时(相当于上式中w 1 = w 2=w ),那么二级非线性 效应就只有除基频外的一种频率(2w )的光波产生，称为二倍频或二次谐波。在二级非线性 效应中，二倍频又是最基本、应用最广泛的一种技术。第一个非线性效应实验，就是在第一 台红宝石激光器问世后不久，利用红宝石0.6943m激光在石英晶体中观察到紫外倍频激光。 后来又有人利用此技术将晶体的1.06p m红外激光转换成0.53p m的绿光，从而满足了水下 通信和探测等工作对波段的要求。当w 1Mw 2时，产生w
