激光倍频实验讲解

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0.53μm 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ω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

r m e ，（1）

其中，e 是负电中心的电量。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 ，

m P N ，（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3

)3(2)2()1(E E E P ，（3）

其中χ（1），χ（2），χ（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…，并且χ（1）>>χ（2）>>χ

（3）…。在一般情况下，每增加一次极化，χ值减少七八个数量级。由于入射光是变化的，其振幅为E ＝E 0sin ωt ，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（比原子内的场强还小），χ（2），χ（3）等极小，P 与E 成线性关系为P ＝χ（1）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 ）、LiNO 3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：)z k t ωcos(1111

A E ，（4）)z k t ωcos(2222

A E , （5）介质产生的极化强度应为二列光波的叠加，有2222111)2()]z k t

ωcos()z k t ωcos([A A P )

z k t ω(cos )z k t ω(cos [2222211221)2(A A )]z k t ωcos()z k t

ωcos(2221121A A 。（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：)]

z k t ω(2cos[21121)2(ω21A P , （7）