激光倍頻實(shí)驗(yàn).doc

11 激光倍頻一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容1 學(xué)習(xí)工作物質(zhì)端面呈布儒斯特角的釹玻璃激光器的調(diào)節(jié)。2 掌握腔外倍頻技術(shù)，并了解倍頻技術(shù)的意義。3 要求每人都調(diào)節(jié)一次釹玻璃激光器并從黑紙片被激光燃焦的程度，判別每人調(diào)節(jié)的精度高低。4 觀察倍頻晶體0.53m綠色光的輸出情況。二 實(shí)驗(yàn)基本原理1 非線性光學(xué)基礎(chǔ)光與物質(zhì)相互作用的全過程，可分為光作用于物質(zhì)，引起物質(zhì)極化形成極化場以及極化場作為新的輻射源向外輻射光波的兩個分過程。原子是由原子核和核外電子構(gòu)成。當(dāng)頻率為的光入射介質(zhì)后，引起其中原子的極化，即負(fù)電中心相對正電中心發(fā)生位移r，形成電偶極矩， （1）其中，e是負(fù)電中心的電量。我們定義單位體積內(nèi)原子偶極矩的總和為極化強(qiáng)度矢量P， （2）N是單位體積內(nèi)的原子數(shù)。極化強(qiáng)度矢量和入射場的關(guān)系式為， （3）其中（1），（2），（3），分別稱為線性極化率，二級非線性極化率、三級非線性極化率，并且（1）（2）（3）。在一般情況下，每增加一次極化，值減少七八個數(shù)量級。由于入射光是變化的，其振幅為EE0sint，所以極化強(qiáng)度也是變化的。根據(jù)電磁理論，變化的極化場可作為輻射源產(chǎn)生電磁波新的光波。在入射光的電場比較小時（比原子內(nèi)的場強(qiáng)還?。?，（2），（3）等極小，P與E成線性關(guān)系為P（1）E。新的光波與入射光具有相同的頻率，這就是通常的線性光學(xué)現(xiàn)象。但當(dāng)入射光的電場較強(qiáng)時，不僅有線性現(xiàn)象，而且非線性現(xiàn)象也不同程度地表現(xiàn)出來，新的光波中不僅有入射地基波頻率，還有二次諧波、三次諧波等頻率產(chǎn)生，形成能量轉(zhuǎn)移，頻率變換。這就是只有在高強(qiáng)度的激光出現(xiàn)以后，非線性光學(xué)才得到迅速發(fā)展的原因。2 二階非線性光學(xué)效應(yīng)雖然許多介質(zhì)都可產(chǎn)生非線性效應(yīng)，但具有中心結(jié)構(gòu)的某些晶體和各向同性介質(zhì)（如氣體），由于（3）式中的偶級項(xiàng)為零，只含有奇級項(xiàng)（最低為三級），因此要觀測二級非線性效應(yīng)只能在具有非中心對稱的一些晶體中進(jìn)行，如KDP（或KD*P）、LiNO3晶體等等?，F(xiàn)從波的耦合，分析二級非線性效應(yīng)的產(chǎn)生原理，設(shè)有下列兩波同時作用于介質(zhì)：， （4）, （5）介質(zhì)產(chǎn)生的極化強(qiáng)度應(yīng)為二列光波的疊加，有。 （6）經(jīng)推導(dǎo)得出，二級非線性極化波應(yīng)包含下面幾種不同頻率成分：, （7）, （8）， （9）, （10）P直流， （11）從以上看出，二級效應(yīng)中含有基頻波的倍頻分量（21）、（22）、和頻分量（12）、差頻分量（12）和直流分量。故二級效應(yīng)可用于實(shí)現(xiàn)倍頻、和頻、差頻及參量振蕩等過程。當(dāng)只有一種頻率為的光入射介質(zhì)時（相當(dāng)于上式中12），那么二級非線性效應(yīng)就只有除基頻外的一種頻率（2）的光波產(chǎn)生，稱為二倍頻或二次諧波。在二級非線性效應(yīng)中，二倍頻又是最基本、應(yīng)用最廣泛的一種技術(shù)。第一個非線性效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，就是在第一臺紅寶石激光器問世后不久，利用紅寶石0.6943m激光在石英晶體中觀察到紫外倍頻激光。后來又有人利用此技術(shù)將晶體的1.06m紅外激光轉(zhuǎn)換成0.53m的綠光，從而滿足了水下通信和探測等工作對波段的要求。當(dāng)12時，產(chǎn)生312的光波叫和頻。如入射的光波分別為和2，和頻后得到3，32（注意，它數(shù)值上等于三倍頻，但不是三倍頻非線性效應(yīng)過程）。本實(shí)驗(yàn)將對和頻進(jìn)行觀測。3 非線性極化系數(shù)非線性效應(yīng)系數(shù)是決定極化強(qiáng)度大小的一個重要物理量。在線性關(guān)系P（1）E中對各向同性介質(zhì)，（1）是只與外電場大小有關(guān)而與方向無關(guān)的常量；對各向異性介質(zhì)，(1)不僅與電場大小有關(guān)，而且與方向有關(guān)。在三維空間里，是個二階張量，有9個矩陣元dij，每個矩陣元稱為線性極化系數(shù)。在非線性關(guān)系P（2）E2中，（2）是三階張量，在三維直角坐標(biāo)系中有27 個分量，鑒于非線性極化系數(shù)的對稱性，矩陣元減為18 個分量，在倍頻情況下， （12）P和E的下角標(biāo)x，y，z表示它們在三個不同方向上的分量。鑒于各種非線性晶體都有特殊的對稱性，就像晶體的電光系數(shù)矩陣一樣，有些dij為零，有些相等，有些相反。因此無對稱中心晶體的dij，獨(dú)立的分量數(shù)目僅是有限的幾個。例KDP（或KD*P）晶體，有, （13）其中d14d25，在一定條件下，還可以有d14d36。又如鈮酸鋰晶體，有, （14）其中d31d15。查閱有關(guān)資料，可得它們的具體數(shù)值。實(shí)際工作中，我們總是希望選取dij值大，性能穩(wěn)定又經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的晶體材料。4 相位匹配及實(shí)現(xiàn)方法從前面的討論知道，極化強(qiáng)度與入射光強(qiáng)和非線性極化系數(shù)有關(guān)，但是否只要入射光足夠強(qiáng)，使用非線性極化系數(shù)盡量大的晶體，就一定能獲得好的倍頻效果呢？不是的。這里還有一個重要因素相位匹配，它起著舉足輕重的作用。實(shí)驗(yàn)證明，只有具有特定偏振方向的線偏振光，以某一特定角度入射晶體時，才能獲得良好的倍頻效果，而以其他角度入射時，則倍頻效果很差，甚至完全不出倍頻光。根據(jù)倍頻轉(zhuǎn)換效率的定義， （15）經(jīng)理論推導(dǎo)可得（為突出物理圖象和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，理論推導(dǎo)在此不作詳細(xì)介紹）。 （16）與Lk/2關(guān)系曲線見圖1。圖中可看出，要獲得最大的轉(zhuǎn)換效率，就要使Lk/20，L是倍頻晶體的通光長度，不等于0，故應(yīng)k0，即0-2-2Lk/2相對光強(qiáng)圖1 倍頻效率與Lk/2的關(guān)系， （17）就是使， （18）n和n2分別為晶體對基頻光和倍頻光的折射率。也就是只有當(dāng)基頻光和倍頻光的折射率相等時，才能產(chǎn)生好的倍頻效果，式（18）是提高倍頻效率的必要條件，稱作相位匹配條件。由于vc/n，v2c/n2，v和v2分別是基頻光和倍頻光在晶體中的傳播速度。滿足（18）式，就是要求基頻光和倍頻光在晶體中的傳播速度相等。從這里我們可以清楚地看出，所謂相位匹配條件的物理實(shí)質(zhì)就是使基頻光在晶體中沿途各點(diǎn)激發(fā)的倍頻光傳播到出射面時，都具有相同的相位，這樣可相互干涉增強(qiáng)，從而達(dá)到好的倍頻效果。否則將會相互削弱，甚至抵消。實(shí)現(xiàn)相位匹配條件的方法。由于一般介質(zhì)存在正常色散效果，即高頻光的折射率大于低頻光的折射率，如n2n大約為102數(shù)量級。k0。但對于各向同性晶體，由于存在雙折射，我們則可利用不同偏振光間的折射率關(guān)系，尋找到相位匹配條件，實(shí)現(xiàn)k0。此方法常用于負(fù)單軸晶體，下面以負(fù)單軸晶體為例說明。圖2中畫出了晶體中基頻光和倍頻光的兩種不同偏振態(tài)折射率面間的關(guān)系。圖中實(shí)線球面為基頻光折射率面，虛線球面為基頻光折射率面，球面為o光折射率面，橢球面為e光折射率面，z軸為光軸。m法線noneno2ne2O z圖2 負(fù)單軸晶體折射率球面折射率面的定義：從球心引出的每一條矢徑到達(dá)面上某點(diǎn)的長度，表示晶體以此矢徑為波法線方向的光波的折射率大小。實(shí)現(xiàn)相位匹配條件的方法之一是尋找實(shí)面和虛面交點(diǎn)位置，從而得到通過此交點(diǎn)的矢徑與光軸的夾角。圖中看到，基頻光中o光的折射率可以和倍頻光中e光的折射率相等，所以當(dāng)光波沿著與光軸成m角方向傳播時，即可實(shí)現(xiàn)相位匹配，m叫做相位匹配角，m可從下式中計(jì)算得出， (19)式中都可以查表得到，表1列出幾種常用的數(shù)值。表1 相位匹配角晶體/mnonem鈮酸鋰1.062.2312.15087o0.532.3202.230碘酸鋰1.061.8601.71929o300.531.9011.750KD*P1.061.4951.45530o570.531.5071.467注意，相位匹配角是指在晶體中基頻光相對于晶體光軸z方向的夾角，而不是與入射面法線的夾角。為了減少反射損失和便于調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)中一般總希望讓基頻光正入射晶體表面。所以加工倍頻晶體時，須按一定方向切割晶體，以使晶體法線方向和光軸方向成m，見圖3?；l光Zm圖3 非線性晶體的切割晶面法線晶體以上所述，是入射光以一定角度入射晶體，通過晶體的雙折射，由折射率的變化來補(bǔ)償正常色散而實(shí)現(xiàn)相位匹配的，這稱為角度相位匹配。角度相位匹配又可分為兩類。第一類是入射同一種線偏振光，負(fù)單軸晶體將兩個e光光子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€倍頻的o光光子。第二類是入射光中同時含有o光和e光兩種線偏振光，負(fù)單軸晶體將兩個不同的光子變?yōu)楸额l的e光光子，正單軸晶體變?yōu)橐粋€倍頻的o光光子。見表2表2 單軸晶體的相位匹配條件晶體種類第一類相位匹配第二類相位匹配偏振性質(zhì)相位匹配條件偏振性質(zhì)相位匹配條件正單軸負(fù)單軸本實(shí)驗(yàn)用的是負(fù)單軸鈮酸鋰晶體第一類相位匹配。相位匹配的方法除了前述的角度匹配外，還有溫度匹配，這里不作細(xì)述。LsL2Ls圖4 晶體中基頻光和倍頻光振幅隨距離的變化在影響倍頻效率的諸因素中，除前述的比較重要的三方面外，還需考慮到晶體的有效長度Ls和模式狀況。圖4為晶體中基頻光和倍頻光振幅隨距離的變化。如果晶體過長，例LLs時，會造成倍頻效率飽和；晶體過短。例LLs，則轉(zhuǎn)換效率比較低。Ls的大小基本給出了倍頻技術(shù)中應(yīng)該使用的晶體長度。模式的不同夜影響轉(zhuǎn)換效率，如高階橫模，方向性差，偏離光傳播方向的光會偏離相位匹配角。所以在不降低入射光功率的情況下，以選用基橫?；虻碗A橫模為宜。圖5 基頻光與倍頻光的脈寬及相對線寬的比較II2t1t2t1tt1t2t2t11225 倍頻光的脈沖寬度和線寬通過對倍頻光脈沖寬度t和相對線寬v的觀測，還可看到兩種線寬都比基頻光變窄的現(xiàn)象。這是由于倍頻光強(qiáng)與入射基頻光強(qiáng)的平方成比例的緣故。圖5中，假設(shè)在tt0時。基頻和倍頻光具有相同的極大值。基頻光在t1和t1 時，功率為峰值的1/2，脈沖寬度t1t1t1，而在相同的時間間隔內(nèi)，倍頻光的功率卻為峰值的1/4，倍頻光的半值寬度t2t2 t1t1,即t2t1，脈沖寬度變窄。同樣道理可得到倍頻后的譜線寬度也會變窄。三 實(shí)驗(yàn)用具與裝置圖本實(shí)驗(yàn)使用如下照片的實(shí)驗(yàn)裝置，原理圖中A為HeNe激光管，它用于準(zhǔn)直及調(diào)釹玻璃棒的光路用,B是激光諧振腔的全反射鏡，C是兩端切成布儒斯特角釹玻璃棒,D設(shè)計(jì)釹玻璃激光器的半透介質(zhì)膜，E為倍頻晶體，它已經(jīng)按匹配角加工好，激光要垂直它的通光面通過,倍頻晶體是裝在旋轉(zhuǎn)平臺上，實(shí)驗(yàn)時可轉(zhuǎn)動平臺,觀察晶體匹配角改變,倍頻的情況。假如基波光功率足夠強(qiáng)的話，可以取消透鏡F，使基波光直接入射晶體，也可以觀察到綠光。實(shí)驗(yàn)裝置圖EDCBA原理圖四 實(shí)驗(yàn)操作步驟1 啟動HeNe激光器，使HeNe管輸出紅色的6328A激光；2 先拿開全反射鏡，讓激光發(fā)射到釹玻璃棒的端面，精細(xì)調(diào)節(jié)釹玻璃的水平和傾斜度，激光會從棒的另一端面輸出，并入射到半反射鏡R1。調(diào)節(jié)R1，讓6328A準(zhǔn)直光沿原來方向反射，即讓R1發(fā)射的6328A準(zhǔn)直光準(zhǔn)確返回小孔周圍，反射光斑能均勻分布在小孔周圍，則激光器的調(diào)節(jié)精度較好，這點(diǎn)希同學(xué)門實(shí)驗(yàn)時細(xì)致、認(rèn)真3 放回全反射鏡，將釹玻璃和半反射鏡R1用黑紙擋住，讓6328A準(zhǔn)直光通過全反射鏡R2，調(diào)節(jié)R2，使反射的6328A準(zhǔn)直光光斑均勻分布在小孔的周圍。上述調(diào)節(jié)完后，可點(diǎn)亮釹玻璃激光器，觀察它是否有激光輸出，因釹玻璃激光功率較高，能量較大，因而可放一張黑紙于透鏡前面，一個激光脈沖可把黑紙燒一焦斑，這時便證實(shí)有1.06m激光輸出，從焦斑大小判別它功率大小。（注意打黑紙時，不能用眼睛注視黑紙，防止強(qiáng)的反射光進(jìn)入眼睛）。1 倍頻實(shí)驗(yàn)讓HeNe光通過晶體，注意HeNe光的偏振方向應(yīng)垂直于光軸，光軸方向應(yīng)預(yù)先測出。調(diào)節(jié)晶體，使HeNe光垂直通過光端面。并把透鏡前后調(diào)節(jié)，使HeNe光聚焦于晶體