脉冲激光器的调Q和倍频

脉冲激光器的调Q 和倍频
实验目的
1. 熟悉Nd:YAG 激光器的结构。

2. 了解和掌握利用晶体的线性电光效应实现激光调Q 的原理。

3. 了解和掌握激光倍频技术的基本原理和倍频晶体相位匹配的方法。

实验原理
激光调Q 技术就是使激光谢振腔的Q 值发生变化，使激光工作物质的受激辐射压缩在极短的时间内发射的一种技术。

具体的讲就是在光泵开始激励的初期，使腔内的损耗很大，Q 值很低，这使激光振荡的阈值很高，使激光振荡不能形成，因而上能级的反转粒子数大量积累。

当积累达到最大值时，突然时谐振腔的损耗变小，Q 值突增，这时反转粒子数密度比阈值大得多，使激光振荡迅速建立，腔内像雪崩一样以极快的速度建立起极强的振荡，于是在极短的时间内输出一个极强的激光脉冲。

调Q 激光脉冲峰值功率一般都高于兆瓦级，而脉冲宽度只有10-8~10-9秒，因而通常将这种脉冲称为激光巨脉冲。

激光谐振腔内的损有多种，用不同的方法来控制腔内不同的损耗，就形成了不同的调Q 技术，例如控制反射损耗的有转镜调Q 技术、电光调Q 技术，控制吸收损耗的有染料调Q 技术，控制衍射损耗的有声光调Q 技术等。

倍频技术就是将频率为ω的强激光束入射到某些非线性晶体，通过强光与物质的相互作用，产生2ω的二次谐波的技术。

倍频技术是目前由较低频率的激光转换为较高频率激光的最成熟和最常用的频率转换技术，也是最早被利用的非线性光学效应。

当光与物质相互作用时，就会带起原子外层电子的位移，产生电偶极矩r e m =,其中e 为负电中心的电荷量，r 是负电中心相对于正电中心的距离。

单位体积内偶极矩的总和为极
化强度P ，m N P =,N 是单位体积内的原子数。

极化强度的大小和方向随外电场的变化而变化，这种极化场就会产生电磁波的辐射。

如果入射到介质上光束的频率为ω，电场矢量为
t E t E E πνω2cos cos 00 ==
由于光的作用，产生的极化强度P 与外电场强度矢量E 之间的关系为
+⋅+⋅=E E E P )2()1(χχ
式中)1(χ, )2(χ为与时间、位置无关的常数，成为介质的极化系数，且有 )3()2()1(χχχ>>>>
当入射光很弱时，极化系数的高阶项都可忽略不计，则(2)可简化 t E E P L ωχχcos 0)1()1( ⋅=⋅=
这就表明弱光照射下，介质的极化强度矢量与电场强度成线性关系，其频率与入射光频率相
同。

因此L P 称为线性极化强度矢量，)1(χ称为线性极化系数。

当入射光很强时，极化系数的高阶项就不可忽略，介质的极化矢量与电场强度的关系不
能认为是简单的线性关系，而必须考虑高阶项的贡献。

由于P 和E 不是线性关系，所以称
之为非线性极化强度矢量。

如果仅考虑到二次项，而三次项以上略去不计，则(2)式的标量形式为
t dE dE t E t E E t E t
E t E P ωωχωχχωχωχωχ2cos cos 2cos 2
121cos cos cos 20200)1(20)2(20)2(0)1(220)2(0)1(++=++
=+= 式中)2(2
1χ=d ，称为倍频系数。

可见，由于非线性极化效应，使介质极化强度波中出现了2ω的二次谐波分量。

这样从介质中出射的光中，既有频率为ω的基波，又包含有频率为2ω的二次谐波，也就是倍频光。

在相位失配的情况下，频率为ω的强光入射到长度为L 的晶体后得到的倍频光强为 222222222/3002)()2/()
2/(sin )/(2ωωωωωεμI L k L k n n L d I ⋅∆⋅∆⋅⋅⋅=
其倍频转换效率
)()2/()2/(sin )
/(2/22222222/3002ωωωωωωεμηI L k L k n n L d I I ⋅∆⋅∆⋅⋅⋅== 式中ωωk k k 22-=∆，ωωωλπ2222n k =为倍频光的波矢，ωωωλπn k 22=为基频光的波矢，所以
)(42ωωωλπn n k -=
∆。

由以上二式可看出，当0=∆k （即ωωn n =2）时，倍频光最强，倍频效率最高。

所以将这种情况称为实现了相位匹配。

0=∆k 称为相位匹配条件。

在实际的倍频装置中，都希望获得最高的倍频转换效率，这就要在相位匹配的条件下工作。

主要有两种：
1、 实际相位匹配，就是要使ωωn n =2。

对于具有正常色散的材料，e 光和o 光的折射率都是随频率升高而单调增大的，因而当倍频和基频光同属于e 光或o 光时，相位匹配条件是无法满足的。

但当这两种光分别属于不同的偏振态时，利用双折射现象，就可能是基频o
光和倍频e 光在某一特定的方向上，实现)(2m e o n n θωω=，如图1所示θm 角是光传播方向
与晶体光轴之间的夹角，此角称为相位匹配角。

图1
对于负单轴晶体，由于n e 总小于n o ，并且o 光折射率n o 与光波法线方向θ无关，e 光折射率与θ有关。

因而选用基频o 光和倍频e 光，就可以找到一个特定的θm 角，在这个角度θm 上，正好有)(2m e o n n θωω=。

也就是说，光的基波沿θm 方向传播时，如果产生的倍频光也沿同一方向传播，当它是e 光时，相位匹配条件就可以满足，这种匹配方式称之为oo-e 匹配方式.
对于正单轴晶体，它的n o <n e ，它与负单轴晶体正好相反，它的匹配技术必须采用基波为e 光，倍频光为o 光的ee-o 匹配方式。

否则，有关的两个折射率曲面就不能相交。

2、 温度匹配
在这种匹配中，是控制警惕的温度，使相位匹配角θm =90º。

相位匹配式的温度T m 称为相位匹配温度。

当晶体温度改变时，它的折射率就会发生变化。

有些晶体，例如LiNbO 3、KDP 、ADP 等，它们的折射率n e 对温度变化的改变量比n o 对温度变化的改变量大得多，因而有可能改变晶体温度使θm =90º。

实验装置
倍频实验装置通常有三个基本部分组成，即非线性倍频晶体、基频光源以及相位匹配与激励耦合元件等三部分组成。

倍频晶体应根据倍频的工作频率和实际需要来选取。

各向同性的介质和据有中心对称的晶体，他们的)2(χ=0，不能用来产生二次谐波。

因而倍频晶体要选用不具有对称中心的晶
体，此外还要求用作倍频晶体有较大的非线性极化系数)2(χ，透明性要好，能实现相位匹
配条件等。

基频光源一般采用各种类型的激光器。

相位匹配与激励耦合元件，是根据所采用的倍频晶体的特性及具体实验条件而确定。

倍频装置按倍频晶体放置位置的不同，分为腔外倍频(图2)和腔内倍频(图3)两种类型。

图2
图3
本实验采用电光调Q 的Y AG 激光器输出1064nm 激光，KTP 晶体作倍频晶体，腔外倍频方式获得532nm 绿光。

测定KTP 晶体的相位匹配角，具体实验装置如图4。

图4
He-Ne 激光器用来调试Y AG 激光器及测试匹配角。

滤光片可以滤掉1064nm 基频光只透过532nm 倍频绿光。

倍频晶体及角度调节组件采用插入式结构。

紧固螺丝可以固定组件在插入光路和移出光路的位置上。

倍频组件移出光路时输出的是1064 nm 的激光；插入光路时可以调节晶体的匹配角，得到二次谐波的最佳匹配角。

d t
=θ
其中，d=57.5mm ，t 是螺旋测微杆前进的距离，最小距离读数为1/100 mm 。

角度分辨率∆θ=0.01︒。

YAG 激光器的操作过程，开机前先检查急停开关应处于弹出状态。

将钥匙开关顺时针旋转，整机上电。

电源指示灯亮。

按下“电源”开关，控制部分上电，可以听到冷却水泵的声音。

该激光器有两种控制方式，当选择“外”控方式时，外接控制鼠标按键，进行手动控制，单次触发放电。

当选择“内”控方式后，再进行“频率选择”，此选择有1Hz, 3Hz, 5Hz 可供选择。

逆时针调节“电压调节”旋钮，使充电电压处于低压状态启动。

向上拨动“预燃”开关，“预燃”指示灯亮。

向上拨动“晶压”开关，“晶压”指示灯亮。

调节“晶压调节”设定所需晶压（晶压一般为3800V ）。

向上拨动“退压”开关，“退压”灯亮，退压电路工作。

向上拨动“启动”开关，“启动”灯亮，此时发射激光。

“频率”跟随闪动。

调节“电压调节”旋钮至所需放电电压。

关机时依次关闭“启动”开关、“退压”开关、“晶压”开关、“预燃”开关、“电源”开关，最后关闭钥匙开关。

出现紧急情况是按下急停开关快速切断电源。

实验步骤
1. 将倍频晶体及角度调节组件调出光路，用He-Ne 激光调试YAG 激光器，打出1064nm 激光，根据打在曝光相纸上的斑点，检验固体激光器谐振腔是否已调好。

2. 将倍频晶体及角度调节组件插入光路，打出绿色激光。

调节螺旋测微杆，使倍频晶体反射的红色按原光路返回，记下测微杆读数，再将晶体反射红色激光调出光路，缓慢调节晶体角度，同时用能量计测试脉冲绿色激光能量，找出输出绿色激光最强所对应的角度，即
为相位匹配角。