实验十八--激光倍频技术及其特性分析

实验十八激光倍频技术及其特性分析【实验目的】1、掌握倍频的基本原理和调试技能；2、了解影响倍频效率的主要因素；3、测量二倍频激光转换效率。【实验原理】利用某些晶体在强光作用下的非线性效应，使频率为的激光通过晶体后，变成频率为2或3的倍频光，即为倍频技术。它可用以扩展激光波段。例如，可将1.06m的红外激光二倍频为0.53m的可见绿光，这对水下通讯，彩色电视等都很有实用价值的。1、物质极化的非线性效应物质由原子组成，原子由带正电的原子核及带负电的电子组成，一般呈中性。但当光与物质相互作用时，原子的内能并不发生变化，只引起外层电子的位移，产生了电偶极矩,merm是偶极矩。e是负电中心的电荷量，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pNm，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，形成了极化波，这种极化场的变化会产生电磁辐射。一般情况下（就是入射光的场强与原子内的场强相比十分微弱时），极化强度P与入射光的电场E成线性关系PxE。因此极化场产生的辐射与入射光场有相同的频率。在强光照射下，物质的极化则表现为非线性的特性，极化强度与入射光场的关系的标量形式为23123P......xExExE（18-1）式中的1x、2x、3x……分别是线性、二次非线性，三次非线性等的极化系数，并且1x＞＞2x＞＞3x，故在弱电场作用下，只能呈现出线性效应，只有对强电场才能显示出非线性效应。在激光出现前，这种非线性现象不可能观察到，只有高强度的激光出现后，才观察到了非线性现象。我们忽略三次以上的非线性效应，现在分两种情况来分析光波场通过非线性晶体时的二次非线性效应。第一种情况：一列行波通过非线性晶体时的二次非线性效应距波源o为z处的任一点s在t时刻光波场的振辐可表示为0(,)cos()EztEtkz（18-2）式中0E为光源光波场的振辐，2/,kn为波长，n为晶体折射率。由此可知2221210202011pcos()cos(22)22xExExEtkzxEtkzxE20ppp18-3）可见，入射光波的频率若为，产生二次非线性极化效应的结果，极化波中将包含有基波（频率为），倍频波（2）和直流分量项。第二、两列频率不同的平面波同在晶体中沿Z轴传播时的二次非线性效应设两列行波分别为1111(,)cos()EztEtkz2222(,)cos()EztEtkz则有0212122122122212212121221212122222211211222111112212211)(21)()(cos)()(cos)22cos(21)22cos(21)cos()cos(),(),(),(),(pppppppEExzkktEExzkktEExzktExzkExzktExzktExtzEtzExtzEtzExp（18-4）可见，极化波中不仅含有基频1、2，同时还出现了倍频、和频（1+2）、差频（1-2）和直流分量，这是由于不同频率成分的极化波之间发生了能量交换的结果。显然，如果入射的两列行波频率分别为1和21，则产生二次非线性效应的结果，和频为1+22即三倍频。例如，以YAG激光器输出的波长为1.06m的激光作为基频，入射非线性晶体后，由于其二次效应，其出射光将含有较强的二倍频0.53m的绿光。但同时还有较弱的基频（1.06m）光存在，若沿倍频光传播方向再设置和频晶体，就可以获得波长为0.35m的三倍频激光输出。目前常用于倍频的多是负单轴晶体，如磷酸二氢钾（KDP）、磷酸二氘钾（KD*P）、铌酸锂（3LiNbO）、碘酸锂（3LiIO），还有双轴晶铌酸钡钠（215sBaNaNbO）等。最近研制成功的新倍频晶体有—硼酸钡24(BaB)O、磷酸钛氧钾（4KTioPO）及砷酸二氚铯（24CsDAsO）（简称CD*A，它与砷酸二氢铯CDA是同一类晶体）。上述晶体具有极化系数大、破坏阈值高、不易潮解、容易实现最优相位匹配等方面优点，各具特色。2、相位匹配条件为了获得最好的倍频效果，除了入射光要足够的强（功率密度高）、晶体的非线性极化系数要大外，还要使特定偏振方向的线偏振光以某一特定的角度入射，这个特定的角度由下面讨论的相位匹配条件决定。从理论分析可得倍频效率的关系式如下22222sinKLKLPPSHC（18-5）当·/20LK时，倍频光最强，效率最高。在（18-5）式中，L为倍频晶体的通光长度，212124/(n-n)KKK，LK/20,0K要使即，则要求2nn（18-6）式中n为晶体对基频光的折射率，2n为晶体对倍频光的折射率。（18-6）式是倍频必须满足的条件，称为位相匹配条件。它说明只有基频和倍频光折射率相等时，才有好的倍频结果。相位匹配条件的物理实验可以这样理解：基频光在晶体的传播速度为/cn，倍频光在晶体中的传播速度为2/cn，当满足（18-6）式的相位匹配条件时，两者传播速度相等，基频光在晶体中沿途各点激发的倍频光传播到出射面时有相同的位相，因而沿途各点产生的倍频光互相干涉而在传播方向上互相加强，从而得到好的倍频效果。怎样实现相位匹配呢？对于普通介质，由于在透明区存在正常色散效应，n＞2n，是不能实现相位匹配的。对各向异性晶体，由于存在双折射，可以利用不同偏振态之间的折射率关系实现相位匹配。目前常用的是负单轴晶体，它对基频光和倍频光的折射率可以用图18-1的折射率椭球来表示。图18－1负单轴晶体的折射率椭球图中实线是倍频光的折射率面，虚线是基频光的折射率面。球面为O光折射率面，椭球为e光折射率面。折射率面定义为：它的每一根矢径长度（从原点到曲面的距离）表示以此矢径方向为波法线方向的光波的折射率。从图可看出，如果基频光是o光，倍频光是e光，那么当波面沿着跟光轴成m角的方向传播时，二者折射率相等，传播速度相同，实现了相位匹配，m称为匹配角，它满足下式22022220202)()()()(sinnnnnem（18-7）式中0n为基频光的折射率，20n、2en是倍频光的o光折射率和e光折射率，知道了晶体的这些数据，就可算出m。以KDP晶体为例，设基波波长00.694m，倍频波波长为m347，并以如下折射率数据：1.465en，1.505on，21.487en，21.538on，代入（18-7）式，经计算可得50.4om3、温度相位匹配在上述相位匹配条件下，光波在倍频晶体中传播时，随着穿透距离L的增长，基频光强衰减，倍频光强增加。在其初始阶段，倍频光强与基频光在晶体中穿透距离L的平方成正比。但是，由于o光方向和e光方向在不断传播过程中将产生离散（相位匹配正是要求基频和倍频光波分别是o光和e光），两者之间在传播一定距离后将失去能量的耦合作用，这段有效倍频转换长度称为离散效应相干长度。它限制了晶体实际长度的有效使用，使倍频转换能量很低。上述现象称为光孔效应。另外，由于温度的变化，会引起倍频晶体2m,n,n的变化以及的变化，导致相位失效配，也使倍频效率降低。为了解决相位匹配中的实际困难，我们可以设法使om90，这时就可以克服光孔效应，并对激光束散角和温度变化的影响减小。有些晶体（例如3LiNbO，KDP，ADP）它们的折射率en随温度的改变量要比n随温度的改变量大得多，那么我们就有可能改变晶体的温度使得om90，这种相位匹配技术称为温度相位匹配或o90相位匹配，实现o90匹配时的温度mT称为相位匹配温度。例如3LiNbO倍频晶体，对1.06m光的相位匹配角om84；而当采用温度相位匹配，即om90时，其匹配温度63mT℃，倍频效率达20~30%SHG。【实验仪器】1、YAG激光器2、倍频晶体3、示波器4、激光能量计【实验内容与步骤】1、实验前要认真阅读讲义，弄清实验内容，了解仪器的使用方法与结构，然后开始实验。2、如图18-2接好各仪器的联线，并检查无误图18-2YAG激光器倍频实验装置图3、旋转倍频晶体在空间的位置，调整其仰角和方位角，使得其光轴与入射基频光的传播方向夹角满足位相匹配角的要求，从而获得最佳倍频功率输出。4、利用能量计分别测出1.06m、0.53m光输出能量，并分别计算出倍频光对基频光的能量转换效率。【注意事项】1、实验过程中要注意眼睛的防护，绝对禁止用眼睛直视激光束；2、实验时关闭遮光窗帘及灯光，尽量减少外界光源的干扰；3、对准光路时一定要用He-Ne激光；4、测量时电压要保持稳定。【思考题】1．一次倍频晶体的相位匹配角与二次（和频）倍频晶体的相位匹配角是否相同？为什么？2．欲获得0.35μm的紫外光，为何一般采用1.06μm和0.53μm和频的方法，而不是直接用1.06μm光的三倍频方法？3.对要求相位匹配的倍频晶体，由于激光束发散的实际存在，对其倍频效率有何影响？为什么？针对这个问题，如何采取措施提高其倍频效率?