激光原理與技術實驗參考書-資料下載頁

【導讀】1．研究LN晶體的一次電光效應特性，了解電場對晶體的作用機理。2．掌握電光調制的工作原理及光路調整方法。解調過程有一個感性認識。質時，其傳輸特性就受到影響而改變，這種現象稱為電光效應。電光效應按電壓與折射率變化的關系可分為：一級電光效應和二級電光效應。二級電光效應是指介質折射率的變化與電場強度的平方成正比，是Kerr于1875年發現的，因此，也稱為Kerr（克爾）效應。泡克爾斯效應一般發生在本來。Kerr效應較明顯的材料一般有硝基笨等。其自然狀態是各向同性的，在被電。場極化后變為各向異性，產生雙折射現象。而Pockels效應則多發生在一些晶體如LiNbO3(鈮。發生變化，由單軸晶體變為雙軸晶體。一般又有橫向施加電場和縱向施加電場（平行于光。由于橫向電場的Pockels效應具有半波電壓低、線性度較好的特點，因此得。不可或缺的一項技術。以便施加均勻的電場。這將使經過的光的偏振態發。的會聚偏振光經過雙軸晶體時的干涉圖案。起偏器與檢偏器相互垂直，系統進入消光的狀態。

　　

【正文】 2 2 2221oex y znn? ?? （ 3） 其中 no、 ne 分別為尋常光和異常光的折射率。加電場后，由于晶體對稱性的影響， 42m 晶類只有 63? 、 41? 兩個獨立的線性 電光系數。 63? 是電場方向平行于光軸的電光系數， 41? 是電場方向垂直于光軸的電光系數。 KDP 晶體外加電場后的折射率橢球方程是： 2 2 24 1 6 322 2 ( ) 2 1xyoex y z E y z E x z x ynn ??? ? ? ? ? ? （ 4） 當只在 KDP 晶體光軸 z 方向加電場時上式變成： 2 2 263220 21xex y z E x ynn ?? ? ? ? （ 5） 經坐標變換，可求出此時在三個感應主軸上的主折射率： 39。30 0 6312xzn n n E??? 39。30 0 6312yzn n n E??? （ 6） 39。zenn? 當光沿 KDP 晶體 光軸ｚ方向傳播時，在感應主軸 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，經過長度為 l 的晶體后產生位相差： 339。 39。 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。 使光波兩個分量產生相位差 /2? （光程差 /4? ）所需要加的電壓為 /2 30 634V n? ??? （ 8） KDP 晶體的電光系數 1263 10 /mV? ??? 。對于 m??? 、 KDP 晶體的 /2 4000VV? ? 左右。 （ 2）帶起偏器的電光調 Q 原理 帶起偏器的 KDP 電光 Q 開關是一種應用較廣泛的電光晶體調 Q 裝置，實驗裝置如圖 1所示。 KDP 晶體具有縱向電光系數大，抗破壞閾值高的特點，但易潮解，故需要放在密封盒子內使用。通常采用縱向方式，即 z 向加壓， z 向通光。 帶起偏器的 Q 開關工作過程如下： Nd： YAG 棒在氙燈的激勵下產生無規則偏振光，通過偏振器后成線偏振光。若起偏方向與 KDP 晶體 x（或 y）方向一致，并在 KDP 上施加一個 /4V? 的外加電場。由于電光效應產生的電感應主軸 x’和 y’與入射偏振光的偏振方向成 45度角。這時調制晶體起到了一個 1/4 波片的作用，顯然，線偏振光通過晶體后產生了 /2? 的位相差，可見往返一次產生的總位相差為 ? ，線偏振光經這一次往返后偏振面旋轉了 90 度，不能通過偏振器。這樣，在調制晶體上加有 1/4 波長電壓的情況下，由介質偏振器和 KDP24 調制晶體組成的電光開關處于關閉狀態，諧振腔的 Q 值 很低，不能形成激光振蕩。 雖然這時整個器件處在低 Q 值狀態，但由于氙燈一直在對 YAG 棒進行抽運，工作物質中亞穩態粒子數便得到足夠的積累，當粒子反轉數達到最大時，突然去掉調制晶體上的 1/4波長電壓。即電光開關迅速被打開，沿諧振腔軸線方向傳播的激光可自由通過調制晶體，而其偏振狀態不發生任何變化，這時諧振腔處于高 Q 值狀態，形成雪崩式激光發射。 欲使帶起偏器的 Q 開關得到理想的開關效果的關鍵之一是，必須嚴格保持 偏振器的起偏方向與調 Q 晶體的 x 軸（或 y 軸）方向一致，以保證起偏方向與調 Q 晶體的感應主軸 x′、y′成 45176。角 。簡便的調試方法是，在 KDP 晶體加電壓的狀態下，轉動起偏器和晶體的相對方位，直到激光不能振蕩為止。 Cr4+:YAG 被動調 Q 的工作原理 當 Cr4+:YAG 被放置在激光諧振腔內時，它的透過率會隨著腔內的光強而改變。在激光振蕩的初始階段， Cr4+:YAG 的透過率較低（初始透過率），隨著泵浦作用增益介質的反轉粒子數不斷增加，當諧振腔增益等于諧振腔損耗時，反轉粒子數達到最大值，此時可飽和吸收體的透過率仍為初始值。隨著泵浦的進一步作用，腔內光子數不斷增加，可飽和吸收體的透過率也逐漸變大，并最終達到飽和。此時， Cr4+:YAG 的透過率突然增大，光子數密度迅速增加，激光振蕩形成。腔內光子數密度達到最大值時，激光為最大輸出，此后，由于反轉粒子的減少，光子數密度也開始減低，則可飽和吸收體 Cr4+:YAG 的透過率也開始減低。當光子數密度降到初始值時， Cr4+:YAG 的透過率也恢復到初始值，調 Q 脈沖結束。 三、 實驗設備 序號 名稱 型號 技術指標 數量 附件 1 開關型脈沖 激光電源 250B 40 42 20 cm 1 含電源線、 Q 開關線、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 四維調節架 GCM250101M φ 20 mm 1 8 二維調節架 GCM081401M φ 20 mm 5 9 激光輸出鏡 φ 20 mm 2 10 主動調 Q 晶體 KDP 1 含 Q 開關電路 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 電光開關原理圖 25 12 被動調 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 光譜響應范圍 m、020μ J 分辨率 100μ J，不確定度 177。 5% 1 含探頭（傳感器類型：熱釋電） 16 示波器 200M 1 17 光電探測器 1 18 激光管夾持器 GCM180201M 1 19 磁性表座 GCM420201M 2 20 支桿 GCM030112M L76 2 21 調節支座 GCM030302M L 76 2 22 光闌 GCM5701M 1 四、 實驗內容與要求 連接好所有電纜，插上電源插頭，檢查電源輸出正極接線端子（ POS）和負極接線端子（ NEG）是否連接正確。確定水泵及其控制線連接完好。 仔細調節與 Nd:YAG 激光器同軸的 HeNe 激光器，使 HeNe 激光通過激光棒兩個端面中心，如圖 8 所示。為了保證激光器的調整精度， HeNe 激光器應距 Nd： YAG 激光器2 米以上。若 HeNe 激光器不與實驗臺平行，則需首先調整 HeNe 激光器的高低和俯仰并使其水平。 將全反射和輸出鏡分別裝在調整架上，調節各自的調整架，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 HeNe 激光器上的三個反射光點重合。 打開激光電源的鑰匙開關，檢查水冷系統工作是否正常。確定無誤后啟動電源，在激光電源工作電壓 400V 時反復仔細微調輸出鏡和全反鏡，使激光輸出最強，此時輸出的激光稱為靜態激光。測量激光器的靜態輸出特性后關閉激光電源。 如圖 1 所示，將介質偏振片插入光路。再插入電光 Q 開關，調整電光 Q 開關的俯仰方位 ，使電光 Q 開關的反射像與激光晶體的反射像重合。打開激光電源的鑰匙開關，檢查水冷系統工作是否正常。確定無誤后啟動電源，仔細微調兩塊諧振腔片，使激光器靜態激光輸出最強。 將激光電源改到關門狀態進行關門實驗。繞光軸轉動電光 Q 開關使激光器輸出最小，此時電光 Q 開關處于關門狀態（低 Q 值狀態）。 將激光電源改到調 Q 狀態，測量激光器的動態輸出，此時輸出的激光為調 Q 激光，也稱動態激光或巨脈沖激光。反復重復上述過程，使激光器的輸出最強。 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、動態輸出能量，并填入下表。 將電光晶體和偏振片從激光諧振腔中拿走，加入 Cr4＋ ： YAG 被動調 Q 晶體，仔細調整26 Cr4＋ ： YAG 被動調 Q 晶體的俯仰位置，使其反射光點與激光晶體反射光點重合， 觀察輸出能量，微調調整架，使激光輸出能量最大 。 表 1 激光器靜態和動態輸出 輸入電壓（ V） 靜態輸出（ mJ） 動態輸出（ 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。 1安裝光電探測器，取三個不同工作 電壓，分別測量輸出脈沖的脈寬。 1對不同工作電壓下的輸出脈沖進行對比，并作簡要分析。 1 關機順序為：先把手動開關斷開，關掉預燃，最后關電鑰匙。 五 、 思考題 分析電光調 Q 激光器的輸出特性。 將電光調 Q 的測量結果與被動調 Q 的結果作比較。 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 1064nm激光的防護眼鏡。 任何情況下嚴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。 嚴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。 用光電探測器接收激光脈沖時，應多次衰減至極為微弱，以免打壞探測器。 27 實驗 五 Nd： YAG 激光器 倍頻 實驗 一、實驗目的 掌握 激光倍頻 技術 的基本原理； 了解影響激光 倍頻 轉換效率的主要因素 。 二 、實驗 原理 利用非線性晶體在強激光作用下的二次非線性效應，使頻率為 ω 的激光通過晶體后變為頻率為 2ω 的倍頻光，稱為倍頻技術，或二次諧波振蕩。 用非線性材料產生倍頻激光的器件稱為倍頻激光器。一般把入射激光稱為基頻光，由倍頻激光器出來的激光稱為倍頻光或二次諧波。 光學倍頻來源于媒質在 基頻光波電場作用下產生的二階非線性極化， 當入射光很強時，入射光在晶體材料中感生的電極化強度 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。與這些電極化強度成分相應，有基頻極化波 P（ ω ）和倍頻極化波 P（ 2ω ），及其相應的基頻次波幅射和倍頻次波輻射，即 E′ （ ω ）和 E′ （ 2ω ）。 通俗地說， 極化強度中與光波電場二次方成比例的這一部分極化強度相當于存在一種頻率為 2ω 的振蕩電偶極矩。基頻光波在媒質中傳播的同時激勵起一系列這樣的振蕩電偶極矩。它們在空間中的分布就好比一個按一定規則排列的偶極矩陣列，偶極矩之間有一定的相對位相。由于陣列中每個電偶極矩都要輻射頻率為 2ω 的光波 , 故偶極矩陣列的輻射應是這些光波互相干涉的結果。無疑，只當干涉是相互加強時才會有效地產生倍頻光輸出為此，陣列中各振蕩電偶極矩 間要保持恰當的位相關系 ， 由此便產生了所謂位相匹配條件 k(2ω )=2k(ω ),它是產生光學倍頻的重要條件 ,其中k(ω )和 k(2ω )分別為基頻和倍頻光在媒質中的波矢 。 當這兩個光波沿同一方向傳播時，此條件轉化為要求媒質中倍頻光的折射率 n(2ω )等于基頻光的折射率 n(ω )。 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 )，所以不可能實現相位匹配 。 對于雙折射晶體， 晶體內 o 光和 e 光 的 折射率 不同，因此可以利用兩束光的折射率不同來 實現相位匹配。 例如，對于負單軸晶體，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 。則實驗中可選擇基頻入射光以 o 光形式入射，使諧波光以 e 光形式出射，則 當光波沿著與 晶體光軸成 θ m角的特殊方向 傳播時 ，可以實現 ne（ 2ω ） =n0（ ω ） ，即實現相位匹配，θ m稱為匹配 角 。還可以用其它方法實現相位匹配條件 。 28 當滿足位相匹配條件時，倍頻光功率密度正比于基頻光功率密度的二次方，也正比于晶體作用長度的二次方。此外還與媒質的倍頻系數（二階非線性極化率）二次方成正比。 光學倍頻可將紅外激光轉變為可見激光，或將 可見激光轉變為波長更短的激光，從而擴展激光譜線覆蓋的范圍。在激光技術中已被廣泛采用。為得到波長更短的激光可用多級倍頻。 本實驗中的倍頻就是通過倍頻晶體實現對 Nd:YAG 輸出的 1064nm 紅外激光 的 倍頻 ，將其倍頻 成 532nm 的 綠光。 目前已有許多種倍頻晶體，且可達到相當高的倍頻轉換效率。對于 近紫外 、 可見及近紅外的基頻