1、激光原理實(shí)驗(yàn)激光安全須知實(shí)驗(yàn)一 Nd3+:YAG激光器的安裝與調(diào)試實(shí)驗(yàn)二 Nd3+:YAG激光器參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)三 高斯光束遠(yuǎn)場發(fā)散角測量實(shí)驗(yàn)四 氦氖激光器模式測量實(shí)驗(yàn)五 電光調(diào)Q脈沖YAG激光器實(shí)驗(yàn)六 KTP晶體倍頻YAG激光器實(shí)驗(yàn)七 YAG激光放大器激光安全須知1 大功率調(diào)Q脈沖激光裝置所在地應(yīng)有明確標(biāo)志，非實(shí)驗(yàn)人員不得進(jìn)入激光工作區(qū)域。2 不可直視激光束(迎著激光束射來的方向看)和它的反射光束，不允許對激光器件做任何目視的準(zhǔn)直操作。3 對于不可見的紅外激光束，實(shí)驗(yàn)者更應(yīng)了解實(shí)驗(yàn)的光路布局，并避免使自己的頭部保持在激光束高度所在的水平面內(nèi)。4 實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)不應(yīng)存在任何帶有閃亮表面的物體。實(shí)驗(yàn)者應(yīng)

2、從身上除去此類飾物、手表與徽章等。5 不可在有激光照射的情況下移動(dòng)任何反射鏡、光闌、能量汁探頭和光譜儀器等。6 不允許將激光束瞄準(zhǔn)任何人體、動(dòng)物、車輛、門窗和天空等。對于由此而帶來的對目的物的傷害，操作者負(fù)有法律責(zé)任。7 不得在未停機(jī)或未確認(rèn)儲能元件均已放電完畢的情況下檢修激光設(shè)備，避免造成電擊傷害。實(shí)驗(yàn)一 Nd3+:YAG激光器的安裝與調(diào)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 通過對Nd3+:YAG激光器的安裝與調(diào)試熟悉固體激光器的結(jié)構(gòu)和工作原理。2、 學(xué)會(huì)調(diào)整光學(xué)諧振腔的基本方法。3、 要求將激光器調(diào)整到有最佳輸出狀態(tài)。二、儀器設(shè)備YAG棒：680mm 脈沖氙燈：680mm 半反鏡透過率：T=80%諧振腔長：

3、500mm 儲能電容：100F 聚光腔： 1個(gè) 激光電源： 1臺水冷設(shè)備： 一套 光學(xué)平臺及支架： 一套 黑相紙：若干 紅光LED指示光源光源： 一支 小孔光闌：一個(gè)三、實(shí)驗(yàn)原理1、 固體激光器基本結(jié)構(gòu)YAG 棒 圖1、固體激光器基本結(jié)構(gòu)固體激光器主要由工作物質(zhì)，激勵(lì)源和光學(xué)諧振腔三部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1。本實(shí)驗(yàn)用激光器，工作介質(zhì)f6×80mm，泵燈為脈沖氙燈，尺寸為f7×80mm，聚光腔采用鍍銀金屬腔。聚光腔的作用是使光泵發(fā)出的光更有效地集中照射到工作物質(zhì)上，從而提高激光器的總體效率。儲能電容c=100mF。諧振腔為平行平面腔，一塊全反鏡，一塊輸出鏡，反射率R=20%。激

4、光器工作時(shí)兩鏡面要嚴(yán)格平行，且與工作介質(zhì)軸線嚴(yán)格垂直。激光器分單脈沖和重復(fù)脈沖兩種輸出方式，重復(fù)頻率1次/秒10次/秒可調(diào)。2、 工作物質(zhì)Nd3+:YAG激光器的工作物質(zhì)是一種人工晶體。它的基質(zhì)是釔鋁石榴石，其分子式為：Y3AL5O12，Nd3+是摻雜離子，起激光作用的正是Nd3+離子，它的能級結(jié)構(gòu)如圖2所示。這是一個(gè)四能級結(jié)構(gòu)，在光泵作用下，處于基態(tài)E1的大量粒子被抽運(yùn)到E4能級，E4能級有兩個(gè)吸收帶，吸收峰分別為0.81mm和0.75mm。由于E4能級壽命很短，約10-8s，因而很快弛豫到E3能級。E3能級是個(gè)亞穩(wěn)態(tài)，壽命在10-310-4s，因而可大量積累粒子，結(jié)果在E3與E2之間形成了

5、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，構(gòu)成了產(chǎn)生光放大的必要條件。E3粒子向E2躍遷，輻射n32=（E3-E2）/h頻率的光子。經(jīng)諧振腔反射鏡反射，沿軸向的光子返回工作介質(zhì)中，由于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的形成，這些光子與E3能級粒子作用，將產(chǎn)生受激輻射，受激輻射的光子與入射光子頻率相同，方向相同，偏振態(tài)相同，因而使腔內(nèi)同頻同方向光輻射增強(qiáng)。在光泵的持續(xù)作用下，該光束來回通過工作介質(zhì)，不斷增強(qiáng)，最終形成激光輸出。 E20.75mm0.81mmE1E3E4圖2、Nd3+離子能級圖3、 光泵 光泵是固體激光器的重要組成部分。本實(shí)驗(yàn)為脈沖激光器，因而采用脈沖氙燈作為光泵。它亮度高，結(jié)構(gòu)簡單，可以單次閃光也可以重復(fù)閃光。脈沖氙燈是在石英

6、管內(nèi)充有一定壓力的氙氣，工作于弧光放電狀態(tài)的一種光源。工作時(shí)，與電極兩端連接的儲能電容上充有直流高壓，當(dāng)一上萬伏的高壓脈沖觸發(fā)時(shí)，可使燈管內(nèi)的氣體擊穿電離，形成放電通道，電容中的能量開始向通道內(nèi)釋放，形成弧光放電。隨著放電過程的進(jìn)行，電容中儲存的能量越來越小，經(jīng)過一段時(shí)間后，當(dāng)電容中的能量不足以維持弧光放電時(shí)，放電逐漸熄滅。脈沖氙燈放電的伏安特性表明它是一種非線性過程。常用的回路有電感、電容放電回路和仿真放電網(wǎng)絡(luò)等。氙燈閃光時(shí)間與時(shí)間常數(shù)T=(LC)1/2有關(guān)，L、C分別為回路的電感量與電容量。電感的加入限制了放電電流的上升率，并使放電電流的峰值下降，因此對氙燈有保護(hù)作用。但電感量過大，放電前

7、沿過于緩慢，會(huì)影響工作物質(zhì)上能級粒子數(shù)的積累過程，因而也就影響激光器的輸出能量和功率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致沒有激光輸出。V1-+R+-C0L0TC1r圖3、脈沖氙燈電源電路原理圖圖中直流高壓電源通過限流電阻R向儲能電容充電。若儲能電容器的容量為C0，充電電壓為V，則電容器所儲存的能量為： E=(1/2)C0V2 （1） 由于C0上的充電電壓低于氙燈的自閃電壓，氙燈不會(huì)自行閃光，需要外觸發(fā)來加以引導(dǎo)（外觸法電壓一般都在萬伏以上）。 圖中，直流電源V1通過電阻r對電容C1充電，充電電壓等于直流電源的電壓V1，當(dāng)一正脈沖電壓信號加到可控硅的控制極時(shí)，可控硅導(dǎo)通，于是電容器C1對地放電，脈沖變壓器T的初級繞組

8、內(nèi)有電流通過，這時(shí)在次級繞組內(nèi)感應(yīng)出萬伏以上的脈沖高壓信號加到氙燈的玻璃管（或聚光腔）上,高壓觸發(fā)使氙燈內(nèi)氙氣電離擊穿，形成放電的細(xì)火花溝道，這時(shí)C0通過氙燈放電，該火花溝道迅速發(fā)展成電極間主放電，放電電流增長率很高，氙氣受到強(qiáng)烈的電激勵(lì)而發(fā)出眩目的強(qiáng)閃光。4、 自由振蕩固體激光器的輸出特性自由振蕩固體激光器輸出激光脈沖的特點(diǎn)是具有尖峰結(jié)構(gòu)，它由一連串不規(guī)則振蕩尖脈沖組成。泵浦功率越高，窄脈沖之間的時(shí)間間隔越小，脈沖個(gè)數(shù)越多。一般地說，各個(gè)窄脈沖的持續(xù)時(shí)間為0.11.0ms，各窄脈沖之間的間隔為510ms左右。這種現(xiàn)象被稱為弛豫震蕩效應(yīng)，其產(chǎn)生機(jī)理可定性地作如下解釋：當(dāng)粒子反轉(zhuǎn)數(shù)Dn達(dá)到并超過

9、閾值時(shí)，開始產(chǎn)生激光。隨著受激輻射的增強(qiáng)，粒子反轉(zhuǎn)數(shù)Dn逐漸下降，當(dāng)降到閾值時(shí)，激光脈沖達(dá)到峰值。當(dāng)Dn小于閾值時(shí)，增益小于損耗。所以光子數(shù)減少，光強(qiáng)下降。但隨著光泵的繼續(xù)激勵(lì)，粒子反轉(zhuǎn)數(shù)又重新增加，當(dāng)達(dá)到閾值時(shí)，又產(chǎn)生第二個(gè)尖峰脈沖。在整個(gè)脈沖氙燈泵浦時(shí)間內(nèi)，這種過程反復(fù)發(fā)生，形成一個(gè)尖峰序列。光泵功率越大，尖峰形成越快，尖峰脈沖時(shí)間間隔也越小。通過求解速率方程，對這種現(xiàn)象可以作近似的數(shù)學(xué)描述。（詳見教科書）。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、 熟悉Nd3+:YAG激光器的結(jié)構(gòu)，仔細(xì)觀察激光器主要部件的結(jié)構(gòu)（聚光腔、反射鏡調(diào)節(jié)架、燈和棒的支架、水冷系統(tǒng)等）。2、 將脈沖氙燈和介質(zhì)棒分別插入端蓋上兩孔內(nèi)，支架于

10、聚光腔內(nèi)。注意在結(jié)合部位用橡皮墊圈密封，并用壓緊螺圈壓緊橡皮墊圈，即達(dá)到使燈和棒固定的目的，又起到了密封水的作用。3、 安裝好聚光腔，裝上氙燈接線柱。將氙燈兩極與電源接上。4、 安裝好反射鏡與指示光源。5、 調(diào)節(jié)LED指示光源，使其與介質(zhì)棒軸線重合。6、 分別調(diào)節(jié)兩塊反射鏡支架上的螺釘，使鏡面反射光點(diǎn)從小孔返回。7、 打開電源鎖，這時(shí)水冷開始工作。按下予燃按鈕，燈亮；再按下工作電壓按鈕，燈亮；調(diào)電壓至900V左右（不能超過1000V），這時(shí)應(yīng)該有激光輸出，但很弱。8、 將重復(fù)頻率調(diào)至1次/秒，分別仔細(xì)調(diào)整兩塊反射鏡調(diào)節(jié)螺釘，使輸出脈沖達(dá)最強(qiáng)。五、思考題1、當(dāng)指示光源與介質(zhì)棒不同軸時(shí)，怎樣調(diào)整才

11、能使其盡快同軸？2、為什么在安裝時(shí)強(qiáng)調(diào)兩反射鏡介質(zhì)膜面要朝向YAG棒？實(shí)驗(yàn)二 Nd3+:YAG激光器參數(shù)測量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^對閾值和轉(zhuǎn)換效率的測量，學(xué)會(huì)能量計(jì)的使用，進(jìn)一步理解激光器能量轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，輸入對輸出的影響，以及諧振腔對激光輸出的控制作用。二、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備YAG多功能激光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)： 一臺 LE-1B型能量計(jì)：一臺 三、實(shí)驗(yàn)原理1、閾值前面提到，當(dāng)激光工作物質(zhì)中大量Nd3+吸收氙燈光能躍遷到E3能級而形成E3與E2間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)時(shí)，就為產(chǎn)生激光創(chuàng)造了必要條件，但這還不一定能真正出激光，只有當(dāng)光在諧振腔中來回反射，受激輻射使光在諧振腔中的增益大于損耗時(shí)，光在腔內(nèi)才能形成振蕩，才能出激

12、光。所謂“閾值”就是在已確定的實(shí)驗(yàn)條件下，使激光器剛好能出激光，這時(shí)電源所提供給氙燈的最小能量值。在實(shí)際應(yīng)用中，總希望激光器的能量閾值低一些為好。為達(dá)此目的，就要選擇量子效率高的激光工作物質(zhì)；選擇電光轉(zhuǎn)換效率高的激勵(lì)光源，設(shè)計(jì)聚光效率高的聚光腔，以及對光路進(jìn)行仔細(xì)的調(diào)整以減小衍射、反射等損耗。2、轉(zhuǎn)換效率激光器從電能輸入到激光輸出，這中間經(jīng)過了許多轉(zhuǎn)換過程。總的轉(zhuǎn)換效率是電光轉(zhuǎn)換效率，聚光效率、光譜匹配效率、輸出耦合等效率的連乘積。因此，總效率是很低的。轉(zhuǎn)換效率是衡量激光器性能的一個(gè)重要指標(biāo)。當(dāng)氙燈輸入能量超過閾值時(shí)，激光器輸出的激光能量隨輸入能量的增加而增加，輸出能量增長的速率就取決于激光器

13、的效率。激光器的能量轉(zhuǎn)換效率，常采用以下兩種表示方法;1)、絕對效率（以h絕表示）： h絕= E出/E入 （1）式中E出是激光器輸出能量，實(shí)驗(yàn)中用激光能量計(jì)測出，E入是電源中儲能電容器釋放的能量。其計(jì)算公式為實(shí)驗(yàn)一（1）式。C0是儲能電容器的電容量（單位為“法拉”，1法拉=106微法拉）。V是儲能電容器兩端的充電電壓（單位為“伏特”）。實(shí)驗(yàn)中在C0一定的條件下，改變儲能電容器的充電電壓（比如從600V到900V，每50V為一間隔），則可測得一組E入和 E出，因而能求得每一對應(yīng)點(diǎn)的h絕；并可畫出一條如圖1所示的效率曲線。從圖1可看出效率曲線并不通過坐標(biāo)原點(diǎn)，且不是一條直線，這就是說，各點(diǎn)的效率是

14、隨輸入能量變化而變化的。2）、斜率效率 h斜 = （E出）A-（E出）B / （E入）A-（E入）B （2）上式也是反映輸出能量值隨輸入能量增長的速率，通常是在輸出特性曲線的直線段部分取斜率效率。h斜對某一確定的激光來說是一定的。E出（j）E入3 4 5 6 7 8 ×102 ( j )2.01.51.00.5AB圖1、能量轉(zhuǎn)換效率曲線四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、閾值測定1）、按實(shí)驗(yàn)一所提供的調(diào)試方法和步驟調(diào)整好激光器。2）、將能量計(jì)探頭對準(zhǔn)光源。3）、打開能量計(jì)，檔位先調(diào)到20j，調(diào)輸出至最大。若最大輸出小于2j，將檔位換到2j。4）、將電壓逐步調(diào)小，700V以下將調(diào)整間隔縮小，閾值附近要反復(fù)

15、測量多次，取其平均值作為該激光器的閾值。2、轉(zhuǎn)換效率的測量從閾值電壓開始，每隔50V測量一次輸入和輸出能量值，直到輸入電壓增加到900V為止（電壓不能超過1000V）。爾后將所測數(shù)據(jù)列成一表，并用小方格紙繪制能量轉(zhuǎn)換效率曲線圖，從曲線的直線段部分求出h斜。五、思考題1、本實(shí)驗(yàn)所測得的能量轉(zhuǎn)換效率曲線為何不通過坐標(biāo)原點(diǎn)，橫坐標(biāo)軸上的截距有何意義？實(shí)驗(yàn)三 發(fā)散角測量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 了解高斯光束的空間分布特點(diǎn)。2、 掌握測量激光光束發(fā)散角的基本方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器 He-He激光器：一支 透鏡一個(gè) LEP-1A型激光功率能量計(jì)：1臺小孔光闌：一個(gè) 帶刻度光學(xué)導(dǎo)軌：一個(gè) 支架：若干三、實(shí)驗(yàn)原理 zfz

16、f 2 w0 202 w F 2w F 圖1、高斯光束經(jīng)透鏡的變換高斯光束經(jīng)透鏡變換，出射光束束腰半徑： （1）該式可寫為： （2）其中，wF是入射在透鏡前焦面上的光斑半徑（見圖1）， （3） （6）根據(jù)光路可逆原理，入射光腰腰斑半徑與透鏡后焦面光斑半徑的關(guān)系： （4） 因而，若測出后焦面光斑半徑wF¢，由式可算出入射光束束腰半徑w0，進(jìn)而得到高斯光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角： （5） 下面介紹wF¢的測量。在透鏡后焦面上高斯光束光強(qiáng)分布為： （6）后焦面處放一圓孔光闌，讓光束通過光闌，光闌半徑為a，則通過圓孔光闌的光功率與總功率之比為： （7）T稱為功率透過率。測出Pa和P¥

17、;，加上a已知，便可由（7）式確定wF¢，代入（5）式算得發(fā)散角。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、按實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)好光路。2、按設(shè)計(jì)好的光路。將各個(gè)部件安放好。3、打開激光器，將光路中各元件調(diào)至同軸。4、將能量功率計(jì)的功率功能鍵按下，功率測量檔位調(diào)至合適擋位，打開開關(guān)。5、測量加光闌與不加光闌時(shí)的輸出功率，分別測量五次，列表記錄。6、求出發(fā)散角，并計(jì)算其絕對誤差、相對誤差。五、思考題1、欲再提高測量精度，還可從哪些方面改進(jìn)？2、還有什么方法可以測量高斯光束發(fā)散角？實(shí)驗(yàn)四 氦氖激光器模式測量相對一般光源，激光具有單色性好的特點(diǎn)。也就是說，它具有非常窄的譜線寬度，可由一條或多條離散的、很精細(xì)的譜線構(gòu)成。這

18、些譜線就是激光器的模，每個(gè)模對應(yīng)一種穩(wěn)定的電磁場分布，即一個(gè)特定的光頻率。對于激光，相鄰兩個(gè)模的光頻率相差很小，因此需用分辨率較高的分光儀器來觀測。當(dāng)從沿光傳播方向和垂直光傳播方向兩個(gè)角度去觀測和分析每個(gè)模時(shí)，發(fā)現(xiàn)有許多不同的特征，為方便，每個(gè)模又可相應(yīng)地稱作縱模和橫模。 在激光器的生產(chǎn)和應(yīng)用中，常常需要預(yù)先知道激光器的模式狀況，如精密測量、全息技術(shù)需要基橫模輸出的激光器，而激光穩(wěn)頻和激光測距不僅需要單橫模而且要求單縱模運(yùn)行的激光器。因此激光模式測量非常重要。 本實(shí)驗(yàn)從幾支氦氖激光的頻譜結(jié)構(gòu)入手，分析研究不同縱橫模的場分布特征，并通過測量得出縱橫模個(gè)數(shù)、頻率間隔、模序數(shù)等參量。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1

19、、了解激光模的形成及特點(diǎn)，加深對其物理概念的理解。 2、通過測試分析，掌握模式分析的基本方法。 3、通過實(shí)驗(yàn)，對共焦球面掃描干涉儀的原理、性能有足夠的了解，并學(xué)會(huì)正確使用。二、實(shí)驗(yàn)儀器： HNMF 氦氖激光模式分析儀一臺 光學(xué)平臺一個(gè)三、實(shí)驗(yàn)原理1、激光的頻率特性 我們知道，不同縱模對應(yīng)不同的頻率，那么，同一縱模序數(shù)內(nèi)的橫模又如何呢？同樣不同橫模也對應(yīng)著不同的頻率。橫模序數(shù)越大，頻率越高。通常我們也不需要求出橫模頻率，關(guān)心的只是不同橫模間的頻率差。激光原理課程中指出，對穩(wěn)定球面腔激光器，其模頻率的數(shù)學(xué)表達(dá)式是： （1）式中，q為縱模序數(shù)，m、n為橫模序數(shù)。R1、R2分別為兩反射鏡的曲率半徑；L

20、為腔長，n為工作物質(zhì)的折射率。 當(dāng)m=n=0時(shí)，稱為基橫模（TEM00）。當(dāng)m（或n）0時(shí)，稱為高階橫模。不同橫模（m、n不同）對應(yīng)不同的橫向光強(qiáng)分布，既有不同的光斑圖案。用目視方法和測量強(qiáng)度分布來分析橫模結(jié)構(gòu)，正是利用了不同橫模之間強(qiáng)度分布的差異。不同橫模（即m、n的取值不同）對應(yīng)著不同的振蕩頻率。其頻率間隔為： （2）式中，Dm=m´­m; Dn=n´­n。利用這種頻率差就可以精細(xì)地分析激光束的橫模結(jié)構(gòu)。可見，相鄰橫模間距為： （3）He-Ne激光器的諧振腔若是平凹腔，即R2=¥，這樣，上式成為： （4）當(dāng)R1=R2= L（共焦腔）時(shí)，則有

21、： （5） 不同縱模對應(yīng)不同的縱向光場分布，但這種分布肉眼是無法分辨的，只能根據(jù)不同縱模所對應(yīng)的不同頻率來分析縱模結(jié)構(gòu)。縱模頻率為： （6）而相鄰縱模間的頻率間隔為： （7）由上面分析可知，對于共焦腔縱模間隔是橫模間隔的兩倍。 2、共焦球面掃描干涉儀的工作原理及其性能指標(biāo)(1)、結(jié)構(gòu)原理 共焦球面掃描干涉儀是由兩塊鍍有高反射膜、曲率半徑等于腔長的反射鏡組成的。它們的近軸焦點(diǎn)重合，構(gòu)成一共焦系統(tǒng)。兩塊反射鏡中一塊固定不動(dòng)，另一塊固定在壓電陶瓷環(huán)上，壓電陶瓷環(huán)的長度變化與其上所加電壓成正比。當(dāng)壓電陶瓷環(huán)用一定幅度的鋸齒波電壓調(diào)制時(shí)，腔長作微小變動(dòng)，變化量是波長的數(shù)量級。R1M1M2壓電陶瓷LR2

22、圖1、共焦球面掃描干涉儀光路圖如圖1光在干涉儀內(nèi)反射四次構(gòu)成一閉合回路，因而相鄰兩束光的光程差為： (8)當(dāng)4L=kl（k為正整數(shù)）時(shí)，干涉儀對入射光有最大透射率。當(dāng)改變干涉儀腔長時(shí)，對應(yīng)的最大透射頻率發(fā)生改變。因而我們可以觀察到光譜掃描。（2）、性能指標(biāo) a、自由光譜區(qū) 由式可知，干涉儀的諧振波長是反射鏡間隔 L的周期線性函數(shù)，當(dāng)間隔L變化時(shí)，波長為的模可再次通過干涉儀，即干涉圖形改變一個(gè)干涉級次，若對上式微分，并取，即可得波長的變化范圍為： (9) 因?yàn)椋粢灶l率表示，則頻率的變化范圍為： （10） （或F）稱為干涉儀的“自由光譜區(qū)”。若干涉儀置于空氣中，則折射率，則由L決定。它表征當(dāng)L改

23、變使得干涉圖形變化一個(gè)級次時(shí)，所包含的頻譜范圍。在模式分析實(shí)驗(yàn)中，由于我們不希望出現(xiàn)兩種不同的模被同時(shí)掃出，故選用掃描干涉儀時(shí)，必須首先知道它的和待分析的激光器的頻率范圍，并使>，才能保證在頻譜上不重序，腔長與模的波長或頻率間是一一對應(yīng)的關(guān)系。 b、儀器帶寬（）和分辨率（） 儀器帶寬有時(shí)也叫分辨極限（以表示）是干涉儀透射峰的頻率寬度，即干涉儀能分辨的最小頻率差，等于譜線的頻率半寬度。 對于波長為的光，光譜儀器（對干涉儀也同樣適用）定義的分辨率是分辨極限和波長的比值： （11） 一般來說，反射鏡的反射率越高，調(diào)整的精度越高，腔內(nèi)損耗越小，則分辨率越高或說帶寬越小。為了分辨相隔甚近的譜線，要

24、求干涉儀有足夠小的透過率帶寬。c、有效精細(xì)常數(shù)（） 在干涉儀中常用的一個(gè)性能指標(biāo)是有效精細(xì)常數(shù)以表示。它的定義是：干涉儀的“自由光譜區(qū)”（，或）與分辨率極限（也叫儀器帶寬）的比值：，或 （12）上式表征在自由光譜區(qū)內(nèi)可分辨的光譜單元的數(shù)目（譜線數(shù)目）。 實(shí)際上精細(xì)常數(shù)要受到反射鏡加工質(zhì)量。儀器的工作孔徑以及儀器的調(diào)整精度等多方面因素的影響。掃描干涉儀的實(shí)際精細(xì)常數(shù)是靠實(shí)驗(yàn)測定的。四、實(shí)驗(yàn)裝置 實(shí)驗(yàn)裝置如圖二所示放 大 器電 源鋸 齒 波發(fā) 生 器He Ne激光器He Ne激光電源前 置 透 鏡干 涉 儀光 電 接 收 器放 大 器. 圖2、實(shí)驗(yàn)裝置示意圖實(shí)驗(yàn)裝置的說明 本實(shí)驗(yàn)使用兩支具有不同模

25、式的HeNe激光器，以便了解不同模式狀況，從中學(xué)習(xí)模式分析的基本方法。實(shí)驗(yàn)用掃描干涉儀是利用壓電陶瓷環(huán)驅(qū)動(dòng)一塊鏡片，使鏡片在軸線方向作微小的周期性振動(dòng)，從而使各個(gè)激光模式依次透過干涉儀，光電接收器將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柦?jīng)放大器放大后送到示波器的y軸，而把用來改變腔長的鋸齒波電壓同時(shí)接到示波器的x軸輸入端。這樣示波器的橫向坐標(biāo)就是干涉儀的頻率變化，這時(shí)從示波器的熒光屏上就可看到透過干涉儀的激光模式頻譜，其圖形如圖三所示。TEM00qTEM00q-1TEM00qTEM00q+1TEM00q-1TEMmnqTEMmnqTEM00q+1 圖3、示波器熒光屏上顯示的激光頻譜圖五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、觀察橫模（A）通

26、過遠(yuǎn)場光斑觀察橫模圖形 j 接通He-Ne激光器電源，待激光器工作穩(wěn)定后，再進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)。 k 由于實(shí)驗(yàn)室空間的限制，為了觀察遠(yuǎn)場光斑，可在光路上加一平面反射鏡，將光斑投射到遠(yuǎn)處白紙上，以便更清楚地觀察光斑圖形，注意區(qū)分橫模級次。 l 改變工作電流（或者用其他方法改變諧振腔長L）在此觀察遠(yuǎn)場光斑變化情況。（B）通過無源諧振腔觀察He-Ne激光器的橫模實(shí)驗(yàn)裝置如圖四： +-ABS 圖4、觀察HeNe激光器橫模裝置 圖中A和B是兩支He-Ne激光管，A管用作光源，B管不接電源，僅用其諧振腔。由A發(fā)出的激光束透過小孔光欄射入B管，當(dāng)激光束與B管的毛細(xì)管軸線準(zhǔn)直后，當(dāng)B管后方的毛玻璃P上可接收到光束，

27、若用顯微鏡M來觀察，這時(shí)在M的視場中可見到光斑在不斷的變化。 由于A管管殼受溫度的影響，長度不斷變化，諧振腔長也發(fā)生相應(yīng)的變化，因而輸出的“激光頻率也發(fā)生變化”。而B管具有自己一套相應(yīng)的頻譜，當(dāng)A管輸出的激光與B管頻譜中任何頻率都不匹配時(shí),B管將無輸出。視場又呈現(xiàn)較暗的背景，若A管輸出的激光與B管頻譜中某個(gè)頻率匹配時(shí)，B管將從來自A管的光束中分解出相應(yīng)的激光束讓它通過。由于A管輸出的光束中頻率不斷變化，因而就能在B管中激起不同的橫模，在M的視場中看到不同的光斑圖形。2. 用共焦球面掃描干涉儀測量He-Ne激光器的縱模和橫模的頻率間隔 按圖2安裝所用儀器并將整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置調(diào)節(jié)到準(zhǔn)直狀況，而后裝上共

28、焦球面掃描干涉儀的光電接收器探頭，并將其引出線連接示波儀的Y軸輸入端，同時(shí)把加在壓電陶瓷環(huán)上的鋸齒波電壓接到示波器的X軸輸入端，這樣示波器的橫向掃描則與干涉儀的腔長掃描同步，示波器的橫向（X軸）坐標(biāo)就是干涉儀的頻率變化。將儀器面板上的扳鍵扳至“常態(tài)“位置，并調(diào)節(jié)儀器面板上的其他有關(guān)按鈕，在熒光屏上就會(huì)出現(xiàn)激光模式的穩(wěn)定頻率譜。必要時(shí)還可適當(dāng)調(diào)節(jié)鋸齒波電壓，以使熒光屏上能掃描出兩級光譜為宜，圖3所示的就是熒光屏上顯示的兩級頻譜圖。圖3中：是相鄰兩級光譜的兩個(gè)相似峰的間距 是同一級相鄰峰的間距 是相鄰兩縱模頻率間距。由于正比于自由光譜區(qū)；正比于相鄰縱模頻率間隔；頻率間隔正比于相鄰峰間距，因此，有：

29、可以與相對應(yīng)的相鄰橫模頻率間隔為： （13）與相對應(yīng)的相鄰縱模頻率間隔為 （14）上兩式中的，均可從熒光屏上測得，而為干涉儀的“自由光譜區(qū)”，因此，由（13）和（14）式可求出激光儀相鄰橫模和縱模的頻率間隔。當(dāng)熒光屏上有高階模出現(xiàn)時(shí)，由上式還可以得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果： （15）按式（2）和式（7）也可以得出高階模的理論值為： （16）把上面的理論值與實(shí)驗(yàn)值相比較，從而可以估計(jì)出高階模的階次。六、思考題1、根據(jù)什么確定干涉儀掃出的干涉序的個(gè)數(shù)？測量時(shí)先確定干涉序的數(shù)目有何好處？2、辨認(rèn)屬于不同縱模和不同橫模的依據(jù)是什么？3、本實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？實(shí)驗(yàn)五 電光調(diào)Q脈沖YAG激光器摻釹釔鋁石榴石(Nd

30、：YAG)是一種典型的四能級激光工作物質(zhì)。由于它的熱傳導(dǎo)性好、激光閾值低和轉(zhuǎn)換效率高，所以用它可以做成高重復(fù)頻率的脈沖激光器和連續(xù)激光器。如果在脈沖激光器內(nèi)采用電光調(diào)Q和激光放大技術(shù)，則很容易獲得時(shí)間寬度為10ns量級而峰值功率達(dá)百M(fèi)W量級的基模激光脈沖。再通過KTP等非線性光學(xué)晶體對波長為l.06um的Nd：YAG激光進(jìn)行二倍頻、三倍頻和四倍頻，則可得到四種波長的脈沖激光。此外，還可以用上述二倍頻光或三倍頻光去泵浦染料激光器，獲得從紫外到近紅外的波長連續(xù)可調(diào)諧脈沖激光。這種以Nd：YAG激光器為基礎(chǔ)的脈沖激光系統(tǒng)以其高峰值功率、高重復(fù)頻率和寬范圍波長調(diào)諧特性等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用。一、實(shí)驗(yàn)

31、目的：本實(shí)驗(yàn)的主要目的是通過實(shí)際的操作了解電光調(diào)Q Nd：YAG脈沖激光器的工作原理和器件的結(jié)構(gòu)；學(xué)習(xí)脈沖激光器主要參數(shù)與工作特性的測量方法。二、實(shí)驗(yàn)原理：1、Nd：YAG激光器的工作原理和結(jié)構(gòu) Nd：YAG激光器的工作物質(zhì)是一種人工晶體，它的基質(zhì)是釔(Y)鋁(A1)石榴石（G），在晶體生長的過程中，按一定的比例摻入釹元素( Nd )，釹就以三價(jià)正離子的形式存在于YAG的晶格中。真正起激光作用的是三價(jià)Nd離子。它的有關(guān)能級結(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖1: 釹離子的有關(guān)能級用具有連續(xù)光譜的氙燈或氪燈照射Nd：YAG 晶體，釹離子就從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)的一系列能級，其中最低的兩個(gè)能級相應(yīng)于中心波長為0.81

32、m和0.75m的兩個(gè)光譜吸收帶。由于E4的壽命僅約為1ns，所以受激的釹離子絕大部分都經(jīng)過無輻射躍遷轉(zhuǎn)移到E3態(tài)。E3是個(gè)亞穩(wěn)態(tài)，壽命長達(dá)250500 s，很容易獲得粒子數(shù)積累。E2態(tài)的壽命為50ns，即使有粒子處在E2，也會(huì)很快地弛豫到E1，因此，相對E3而言，E2態(tài)上幾乎沒有粒子。這樣，就在E3和E2之間造成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。正是E3到 E2的感應(yīng)輻射在激光諧振腔中得到增益而形成了激光。其波長為1.064m。只要泵浦光存在，釹離子的能態(tài)就總是處在E1 E4 E3 E2 E1的循環(huán)之中，這是一個(gè)典型的四能級系統(tǒng)。圖2： Nd：YAG激光器結(jié)構(gòu)示意圖 圖2為典型的Nd ：YAG激光器結(jié)構(gòu)示意圖。通

33、常Nd：YAG晶體被加工成棒狀，兩端磨成光學(xué)平面, 面上鍍有增透膜。棒的側(cè)面全部“打毛”，以防止寄生振蕩。激發(fā)(泵浦)用的氙燈做成和YAG棒長度相近的直管，以便與棒達(dá)到最佳的配合。為了有效地利用燈的光能，把棒和燈放在一個(gè)內(nèi)壁鍍反射層的空心橢圓柱面反光鏡內(nèi)。它們各占據(jù)橢圓柱的根焦線。圖3表示了這一結(jié)構(gòu)的橫截面。不難想象，氙燈發(fā)出的光通過橢圓柱面鏡的反射，原則上百分之百地到達(dá)YAG棒上。 圖3 : 橢圓柱面反光鏡截面圖 在此類激光器中，加到氙燈上的電能只有1左右轉(zhuǎn)變成激光能量，其余都變成了熱能，所以燈和棒都需要散熱和冷卻。為此，把反射鏡內(nèi)部的空間加以密封，通入流動(dòng)的水，以帶走多余的熱能。 為了形成

34、激光振蕩，需要把YAG棒置于一定的諧振腔之中。一般采用平凹穩(wěn)定腔或虛共焦非穩(wěn)腔。由于Nd：YAG的單程激光增益很高，作為激光輸出口的前腔鏡M1可設(shè)計(jì)成具有百分之幾十的透過率，甚至可以是一塊“白片”，后腔鏡M2則是全反射鏡。如果泵浦光源是連續(xù)工作的(在這種情況下，一般采連續(xù)工作的氪燈)、則它可以不可斷地對釹離子的E3和E2能級提供粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而得到連續(xù)的激光輸出。如果采用脈沖工作的泵浦光源(一般采用脈沖氙燈)，就可以得到脈沖激光輸出。由于在閾值以上的泵浦時(shí)間內(nèi)都有激光產(chǎn)生。因而激光脈沖的持續(xù)期長而峰值功率低，不適合于大多數(shù)的實(shí)際應(yīng)用。為了得到脈寬窄而峰值功率高的激光脈沖。就必須采用“調(diào)Q“的方

35、法。2、電光調(diào)Q原理把上述寬脈沖激光的能量壓縮在極短的時(shí)間內(nèi)，從而提高其峰值功率的方法稱為“調(diào)Q”，即按一定的方式改變激光諧振腔的品質(zhì)因數(shù)(Q值)。通常，在諧振腔內(nèi)置入一個(gè)光開關(guān)，從氙燈引燃到其瞬時(shí)光強(qiáng)達(dá)到極大的期間這個(gè)光開關(guān)是關(guān)閉的。因此，對光的傳播而言、腔內(nèi)有很大的損耗（低Q值)。此時(shí)的諧振腔不能產(chǎn)生激光振蕩，或激光振蕩的閾值非常高。與此同時(shí)，YAG棒中的能級粒子數(shù)反轉(zhuǎn)卻不斷地增大。當(dāng)氙燈的光強(qiáng)達(dá)到極大值時(shí)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)也達(dá)到極大。如果這時(shí)光開關(guān)被打開，使腔處于低損耗（高Q值）狀態(tài)，腔的振蕩閾值迅速下降，激發(fā)態(tài)上的Nd 離子便會(huì)以極快的速度在很短的時(shí)間內(nèi)躍遷回基態(tài)。同時(shí)發(fā)射出相應(yīng)頻率的光子。

36、光學(xué)諧振腔保證了光場的相干增強(qiáng)，最終形成一個(gè)持續(xù)期極為短促、峰值功率極高的激光脈沖。作為一個(gè)對比，用不調(diào)Q的脈沖激光器產(chǎn)生的激光脈沖，其脈寬約為100 s量級。而調(diào)Q激光器產(chǎn)生的激光脈沖，脈寬僅為10ns左右。如果脈沖的總能量為1J，那么調(diào)Q脈沖的峰值功率便可達(dá)到100MW。 圖4: 電光Q開關(guān)調(diào)Q的方法有多種，常用的是聲光調(diào)Q和電光調(diào)Q。如果在圖2中，虛線框是個(gè)電光Q開關(guān)，那么它的詳細(xì)結(jié)構(gòu)可以表示為圖4的樣子。圖中的P為起偏器，它使腔內(nèi)的激光振蕩具有起偏器允許通過的偏振方向。K為電光晶體，它的種類很多，用得最多的是KD*P(磷酸二氘鉀)人造單晶。在這類晶體中存在三個(gè)結(jié)構(gòu)上的對稱軸，一個(gè)是四重

37、對稱軸，我們把它稱為晶體的光軸，另外兩個(gè)都是二重對稱軸，它們都與光軸垂直，彼此也相互垂直。在實(shí)際應(yīng)用中，我們令光軸沿著諧振腔的通光方向z，而另兩個(gè)軸則沿著x(水平)和)y(垂直)方向。當(dāng)晶體兩端加有一定數(shù)值的直流電壓V時(shí)，在晶體中沿z方向就會(huì)形成一個(gè)電場Ez，V=Ez*L（L為晶體在z方向上的長度）。同時(shí)在晶體中會(huì)生成一個(gè)新的坐標(biāo)系x , y ，和Z，Z軸仍與原來的z軸一致，因而x，和y，仍在xy平面內(nèi)，但x，和y分別與x和y成45度角，如圖4所示。對于晶體的折射率而言，這一新的坐標(biāo)系具有特殊的意義。沿三個(gè)新軸的晶體折射率分別為其中no和ne分別為未加電壓時(shí)晶體對尋常光和非尋常光的折射率。63

38、是晶體的電光系數(shù)。由上述公式可見，nx和ny都是Ez(縱向電場)的線性函數(shù)，所以我們稱這一規(guī)律為線性電光效應(yīng)或普克爾效應(yīng)。實(shí)際上這是外加電壓導(dǎo)致晶體折射率橢球發(fā)生畸變的結(jié)果。由于電光效應(yīng)的存在，晶體對于垂直偏振光在x和y軸上的兩個(gè)投影分量的折射率不一樣，因而此兩分量沿z軸行進(jìn)時(shí)的相速度也不相同，在它們穿過晶體之后相互之間的相位差不再為0，而是如果 則=2，這相當(dāng)于光波行進(jìn)4距離后應(yīng)有的相位變化。 (5)式所決定的電壓稱4電壓。對于電光調(diào)Q而言這是一個(gè)十分重要的參數(shù)。KD*P電光晶體在人射波長=1.064m時(shí)，no= 1 .49 , 而63=23 .6x10-12 mV，由(5)式可以計(jì)算出 V

39、/4=3.4 kV設(shè)想在電光晶體上已加有4電壓，而M2是一個(gè)全反射鏡。經(jīng)M2反射后再次從右向左地穿過晶體的兩個(gè)分量將累積有2=的相位差，合成之后成為一個(gè)水平線偏振光，因而不能通過起偏器P(P在這時(shí)起著一個(gè)檢偏器的作用)，這相當(dāng)于Q開關(guān)被關(guān)斷，諧振腔處于低Q值狀態(tài)。如果突然(必須非常快，例如在1ns以內(nèi))將4電壓撤去，則光束來回穿過電光晶體都不會(huì)附加有任何偏振方向的改變，也即Q開關(guān)處于通行狀態(tài)，而諧振腔則處于高Q值狀態(tài)。通常是利用帶有輔助電極的火花隙放電裝置。瞬時(shí)將加在電光晶體上的電壓對地短路來實(shí)現(xiàn)諧振腔的Q值突變。其裝置簡圖如圖 5所示。 圖5 : 火花隙放電裝置三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：作為實(shí)驗(yàn)的第一步

40、，首先應(yīng)仔細(xì)地閱讀本實(shí)驗(yàn)特別設(shè)置的安全須知牌，并在實(shí)驗(yàn)過程中認(rèn)真執(zhí)行。1、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和搭建在授課老師的指導(dǎo)下，了解激光器的主要控制開關(guān)和旋鈕的位置及操作方法；學(xué)會(huì)開機(jī)和關(guān)機(jī)的步聚。學(xué)會(huì)激光能量計(jì)，硅光電二極管探測器和示波器的使用方法。按照實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)和搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。檢查整個(gè)系統(tǒng)的各電纜線和水管的連接情況并保證正確無誤。2、測量不調(diào)Q情況下激光器的閾值電壓，激光脈沖能量和激光轉(zhuǎn)換效率3、觀察不調(diào)Q情況下激光波形4、調(diào)Q激光實(shí)驗(yàn)研究四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 1 列出每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)測量到的原始數(shù)據(jù)和根據(jù)原始數(shù)據(jù)做出的曲線以及求得的參數(shù)。 2 描述所觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，描繪出示波器屏幕上的各個(gè)典型激光脈沖波形。 3

41、 回答各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)思考題。 4 個(gè)人在實(shí)驗(yàn)中得到的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)。 五、注意事項(xiàng)： 1 本實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的激光脈沖可使皮膚灼傷、使人眼永久致盲，決不可令皮膚接觸激光束。用肉眼直視激光束 ( 即迎著激光束射來的方向看 ) 是絕對錯(cuò)誤之舉。實(shí)驗(yàn)者必須在實(shí)驗(yàn)開始之前仔細(xì)閱讀本實(shí)驗(yàn)特備的安全須知牌。為了達(dá)到預(yù)習(xí)的目的，亦將安全須知的內(nèi)容列于附錄中。 2 實(shí)驗(yàn)者未經(jīng)授課教師明確表示同意之前不得開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，六、思考題 1 將Q開關(guān)上的電壓降到遠(yuǎn)小于4電壓，可觀察到什么情況，思考這是為什么?2 當(dāng)Q開關(guān)延時(shí)量大于或小于最佳值時(shí)，調(diào)Q激光脈沖的能量都比最佳延時(shí)相應(yīng)的能量小，思考這是什么原因造成?實(shí)驗(yàn)六 KTP晶體倍頻Y

42、AG激光器激光產(chǎn)生以后，在傳統(tǒng)的光學(xué)基礎(chǔ)上又建立起一個(gè)內(nèi)容豐富、發(fā)展迅速的嶄新分支非線性光學(xué)。新的學(xué)科引起了光學(xué)工作者的極大興趣和高度重視，一直作為前沿課題深入研究和探索。與線性光學(xué)不同的是，當(dāng)強(qiáng)光作用于物質(zhì)后，表征光學(xué)的許多參數(shù),如折射率、吸收系數(shù)、散射截面等不再是常數(shù)，而是一個(gè)與入射光有關(guān)的變量，相應(yīng)也出現(xiàn)了在線性光學(xué)中觀察不到的許多新的光學(xué)現(xiàn)象。非線性光學(xué)的產(chǎn)生與研究，不僅加深了我們對光與物質(zhì)相互作用本質(zhì)的認(rèn)識，推動(dòng)了基礎(chǔ)光學(xué)理論的發(fā)展，同時(shí)也具有極重要的實(shí)用價(jià)值。如通過二倍頻、三倍頻、和頻、差頻、參量振蕩等技術(shù)手段，可獲得新的光波，大大拓寬了可獲取的激光波長范圍，填補(bǔ)了某些波長的空白。

43、新的光源可廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、軍事、工業(yè)，農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑诜N類繁多的非線性光學(xué)效應(yīng)中，二次非線性效應(yīng)(包括二倍頻、和頻、差頻)是最基本的應(yīng)用最廣泛的一種。本實(shí)驗(yàn)將主要學(xué)習(xí)它，希望通過此實(shí)驗(yàn)，能對非線性光學(xué)的基本原理有所了解；掌握二倍頻、和頻的產(chǎn)生原理及方法；分析影響倍頻轉(zhuǎn)換效率的主要原因；認(rèn)識相位匹配在非線性光學(xué)過程中的重要作用。二、實(shí)驗(yàn)原理1、二次非線性光學(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），由于極化強(qiáng)度矢量中的偶次項(xiàng)為零，只含有奇次項(xiàng)(最低為三級)，因此要觀測二次非線性效應(yīng)只能在具有非中心對稱的一些晶體中進(jìn)行，如KDP(或

44、KD*P)、KTP晶體等等。現(xiàn)從波的耦合，分析二次非線性效應(yīng)的產(chǎn)生原理。設(shè)有下列兩波同時(shí)作用于介質(zhì)：介質(zhì)產(chǎn)生的極化強(qiáng)度應(yīng)為二列光波的疊加，有二次非線性極化波應(yīng)包含下面幾種不同頻率成分：從以上看出，二次效應(yīng)中含有基波的倍頻分量(，)、和頻分量 、差頻分量和直流分量，故二次效應(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(shí)，那么二次非線性效應(yīng)就只有除基波外的一種頻率(2)的光波產(chǎn)生，稱為二倍頻或二次諧波。在二次非線性效應(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(gè)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

45、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)<>時(shí)，產(chǎn)生3=1+2的光波叫和頻。如入射的光波為和2和頻后,得到3,31=十2(注意，它數(shù)值上等于三倍頻，但不是三次非線性效應(yīng)過程) 。2、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)，但是否只要人射光足夠強(qiáng)，使用非線性極化系數(shù)盡量大的晶體，就定能獲得好的倍頻效果呢? 不是的。這里還有一個(gè)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(shí)，才能獲得良好的倍頻效果，而以其

46、他角度入射時(shí)。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:經(jīng)理論推導(dǎo)可得 要獲得最大的轉(zhuǎn)換效率，就要使L*k2=0，L是倍頻晶體的通光長度，不等于0，故應(yīng) k=0。就是使 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(shí)，才能產(chǎn)生好的倍頻效果，上式是提高倍頻效率的必要條件，稱作相位匹配條件。相位匹配條件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)的倍頻光傳插到出射面時(shí)，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(huì)相互削弱，甚至抵消.圖

47、1 負(fù)單軸晶體的折射率橢球?qū)崿F(xiàn)相位匹配條件的方法：由于一般介質(zhì)存在正常色散效應(yīng)，即高頻光的折射率大于低頻光的折射率，如n2n大約為10-2數(shù)量級。k<>0。但對于各向異性晶體，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)k=0 ，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1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，虛線球面為倍頻光折射平面，球面為o光折射率面，橢球面為e光折射率面，z軸為光軸。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

48、率大小。實(shí)現(xiàn)相位匹配條件的方法之一是尋找實(shí)面與虛面交點(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(shí)，即可實(shí)現(xiàn)相位匹配。m叫做相位匹配角，可以從下式中汁算得出式中參數(shù)都可查表得到。 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(shí)，須按特定方向切割晶體，以使晶面法線方向和光軸方向成m角。 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)

49、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，第一類是入射同種線偏振光，負(fù)單軸晶體將兩個(gè)基頻o光光子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)倍頻的e光光子，正單軸晶體將兩個(gè)e光光于轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)倍頻的o光光子，第二類是人射光中同時(shí)含有o光和e光兩種線偏振光。負(fù)單軸晶體將兩個(gè)不同的光子變?yōu)橐粋€(gè)倍頻的e光光子，正單軸晶體變?yōu)橐粋€(gè)倍頻的o光光子。 本實(shí)驗(yàn)用的是KTP晶體第二類相位匹配，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。圖 2 晶體中基頻光和倍頻光振幅隨距離的變化在影響倍頻效果的諸因素中，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L和模式狀況。圖2為晶體中基頻光和倍頻光振幅隨距離的

50、變化。如果晶體過長會(huì)造成倍頻效率飽和，晶體過短則轉(zhuǎn)換效率比較低。模式的不同也影響轉(zhuǎn)換效率，如高階橫模方向性差，偏離光傳播方向的光會(huì)偏離相位匹配角。所以在不降低入射光功率的情況下，以選用基橫模或低階橫模為宜。3、倍頻光的脈沖寬度和線寬通過對倍頻光脈沖寬度和相對線寬的觀測，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。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟 由于本實(shí)驗(yàn)具有強(qiáng)光和高正電，為保證安全，必須首先仔細(xì)閱讀實(shí)驗(yàn)室注意事項(xiàng)，然后才開始操作。 1 檢測YAG激光出光功率是否正常，微調(diào)YAG激光器使輸出功率最佳，對1.06m不可見的紅外激光除可用能量計(jì)準(zhǔn)確測定其能量值外，還可

51、用照相紙對光的有無和能量的大小進(jìn)行粗略檢查。2 將倍頻晶體、平面分光鏡，能量計(jì)放置在同一水平高度上。3 轉(zhuǎn)動(dòng)倍頻晶體，使1.06m的基頻光以不同角度入射于晶體。每0.5o改變一次，測出倍頻光的能量與入射角的對應(yīng)關(guān)系，畫出曲線，求出最佳值，并與理論值作比較。從光強(qiáng)的變化中也可看出，當(dāng)倍頻光由弱的圓環(huán)或散開的光斑縮為一耀眼的光點(diǎn)時(shí)，即達(dá)到了最佳匹配狀態(tài)。在我們對某一波長的激光進(jìn)行能量測量時(shí)，要注意將待測激光與其他波長的激光及閃光燈的熒光徹底分離開，防止后者中有部分光也同時(shí)進(jìn)入能量計(jì)，會(huì)影響到測值的準(zhǔn)確。在測量的過程中，能量計(jì)放置的角度也會(huì)隨著出射光方向的改變稍有變化。4 將倍頻晶體固定在最佳倍頻位

52、置，用能量汁分別測出1.06m的輸入光強(qiáng)及0 53m的倍頻光強(qiáng)，計(jì)算出倍頻效率，反復(fù)測三遍，取平均結(jié)果。5 改變YAG激光器電源電壓。即改變1 .06m基頻輸入光強(qiáng)，用能量計(jì)測出倍頻光強(qiáng)隨基頻光強(qiáng)變化的關(guān)系曲線。用取對數(shù)的方法證明：倍頻光強(qiáng)與基頻光強(qiáng)的平方正比。6 觀察倍頻光脈沖寬度和相對線寬變窄的現(xiàn)象，請同學(xué)自己設(shè)計(jì)觀測方法（選作）。四、注意事項(xiàng) 1 本實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的激光脈沖可使皮膚灼傷、使人眼永久致盲，決不可令皮膚接觸激光束。用肉眼直視激光束 ( 即迎著激光束射來的方向看 ) 是絕對錯(cuò)誤之舉。實(shí)驗(yàn)者必須在實(shí)驗(yàn)開始之前仔細(xì)閱讀本實(shí)驗(yàn)特備的安全須知牌。為了達(dá)到預(yù)習(xí)的目的，亦將安全須知的內(nèi)容列于附

53、錄中。2 實(shí)驗(yàn)者未經(jīng)授課教師明確表示同意之前不得開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。五、思考題1 欲獲得0.35m的紫外光，為何采用1.06m和0.53m和頻的方法，而不是直接用1.06m光的三倍頻方法?2 為滿足二倍頻晶體對輸入光偏振態(tài)的要求，如何判定1.06m和0.53m兩種光的偏振方向? 實(shí)驗(yàn)七 YAG激光放大器隨著激光在各個(gè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，對其要求也越來越高，特別是在一些高功率，大能量的應(yīng)用中。一般的自由振蕩固體激光器或調(diào)制型激光器都無法滿足使用要求。例如，調(diào)Q激光器的輸出功率雖然可達(dá)幾十兆瓦，但其輸出能量只有幾百毫焦耳；鎖模激光器的輸出功率可達(dá)吉兆瓦，但輸出能量僅是微焦耳量級；輸出能量最大的自由振蕩激光器，也不過是幾十焦耳，而其功率卻在萬瓦量級之