非线性倍频技术

固体激光倍频技术实验课件YOURSITEHERELOGO1.简介2.实验目的3.实验原理4.实验装置及仪器目录5.实验内容与步骤6.实验结果与讨论YOURSITEHERELOGO简介当光照射物质时，光波电磁场将对物质中的电子产生作用，在外电场的作用下，介质原子成为电偶极子。电偶极子将随光波的电磁场的变化产生振荡。++－原子的电极化：负电荷中心与正电荷中心产生偏离的状态。YOURSITEHERELOGO简介当频率为ω的光入射到非线性介质时，设光的电场为E=E0sinωt它在介质中感生出的宏观电极化强度P与E的关系为式中分别称为线性极化率、(2)(3)000:PEEEEEE（1）（1）（2）（3），，二阶和三阶非线性极化率。YOURSITEHERELOGO简介当入射光强度很弱时，很小，所以可忽略上式中的高次项，则有，此时0E0sinPEEt呈线性关系，通常称为线性光学现象。随着入射光强度增大，上式中的高次项就要起作用，是非线性关系，由此产生的光学现象叫做非线性光学效应。21EE（2）（3）PEYOURSITEHERELOGO1、了解激光倍频的原理和意义；2、了解角度匹配的原理及调节方法；3、掌握倍频效率的测量方法及倍频效率随注入能量的变化规律。实验目的YOURSITEHERELOGO实验原理激光具有能显示介质非线性所需的高强度辐射场。激光倍频技术当入射到介质中的光波E=E0cosωt很强时，强光将在介质中感生电极化强度PtEtEEEP22002coscostEtEEtEtE2cos21cos21)2cos1(21cos20020200YOURSITEHERELOGO实验原理倍频方式腔外倍频腔内倍频全反镜声光Q开关YAG谐波反射镜KTP输出镜激光器滤光片非线性晶体棱镜能量计YOURSITEHERELOGO实验原理人们在进行二次谐波实验时发现只要特定偏振方向的线偏振光以某一特定的角度入射时才有最好的倍频效果，当以其他角度入射时，倍频效果很差，甚至观察不到，这就涉及到相位匹配的问题。当入射角度满足相位匹配时，许多倍频次波辐射就因干涉相长而得到最强的倍频光，反之，不满足相位匹配时，倍频次波辐射就因干涉相消而使倍频光为零。相位匹配YOURSITEHERELOGO实验原理相位匹配方式角度相位匹配温度相位匹配11222sin2tanh22二次谐波产生的功率与入射基波的功率之比这定义为相位匹配或折射率匹配。20nnk22222cossin1oeennnYOURSITEHERELOGO实验原理常用的非线性光学晶体非线性光学系数大接收角大，走离角小宽的温度和光谱带宽光电系数高和介电常数低抗阻比值大不吸水,化学、机械性能稳定性磷酸钛氧钾(KTP)β相偏硼酸钡晶体(β-BBO)可实现相位匹配的波段范围宽（409.6—3500nm可透过波段范围宽（190—3500nm）倍频转换效率高(相当于KDP晶体的6倍）光学均匀性好高损伤阈值（100ps脉宽的1064nm10GW/cm^2）温度接收角宽（55℃左右）YOURSITEHERELOGO实验原理三硼酸锂（LBO）可透光波段范围宽（光学均匀性好，内部包络少倍频转换效率较高(相当于KDP晶体的3倍）高损伤域值（1.3ns脉宽的1053nm激光可达10GW/cm2)接收角度宽，离散角度小I,II类非临界相位匹配（NCPM）的波段范围宽光谱非临界相位匹配（NCPM）接近1300nm常用的非线性光学晶体三硼酸铋（BIBO）具有较大的有效非线性光学系数高损伤阈值不易潮解光学均匀性优良其非线性光学系数大概是LBO的3.5~4倍，BBO的1.5~2倍，是一种可用来产生蓝光的优良倍频晶体YOURSITEHERELOGO实验装置分别测得532nm激光的能量（E1)，1064nm激光的能量(E2），并计算倍频效率：112100%EEEYOURSITEHERELOGO测试仪器可存储示波器能量计脉冲光电探头连续光电探头短脉冲光电探头YOURSITEHERELOGO实验内容与步骤1.首先按照前面提到的步骤调节动态激光直到光斑均匀圆整。之后可用像纸的背面接受动态激光若没有发现强点，则可以加装非线性晶体KTP（防止高功率下损坏倍频晶体）。2.调整晶体的位置，打开半导体准直光源，使红光正好通过晶体的中心且倍频晶体前后两个面的反射像都要返回小孔光阑。固定KTP晶体，加入色散棱镜，开准直光，找到偏折后光斑大致位置。关闭准直光源，打开动态激光，能观察到强的绿光输出。3.1064nm基频光通过KTP倍频晶体后输出包含532nm和1064nm两种光。为了测得532nm激光能量，我们使用一个60°等边色散棱镜将其分光。转动倍频晶体，使1．06μm的基频光以不同角度入射于晶体。从透射光强的变化中也可看出，当倍频光由弱的圆环或散开的光斑缩为一耀眼的光点时，即达到了最佳匹配状态。。YOURSITEHERELOGO实验内容与步骤4.将倍频晶体固定在最佳倍频位置，打开示波器，接好热释电探测器，改变氙灯注入能量，测量532nm绿光的输出能量（E1），再将倍频晶体和三棱镜拿走，测量在上述注入电压下1.06μm基频光的能量E，再利用公式=E1/E×100%，计算倍频效率。最后列表或画图表示实验结果。YOURSITEHERELOGO实验结果氙灯注入电压（V）倍频峰值电压（mV）平均输出电压（mV）输出能量（mJ）标准差（mJ）12345510520530540550表1532nm倍频激光输出能量数据表YOURSITEHERELOGO氙灯注入电压（V）基频峰值电压（mV）平均峰值电压（mV）输入能量（mJ）标准差（mJ）12345510520530540550表21064nm基频激光输入能量数据表实验结果YOURSITEHERELOGO氙灯注入电压（V）1064nm532(nm)倍频效率峰值电压（mV）输入能量（mJ）峰值电压（mV）输出能量（mJ）510520530540550表3实验数据汇总实验结果YOURSITEHERELOGO实验结果图1倍频效率与注入电压关系曲线注入电压/V倍频效率YOURSITEHERELOGO实验结论：影响倍频效率的因素很多，其中角度匹配是最重要的一个因素。说明倍频效率与注入电压关系，当注入电压为何值时，倍频效率最高。YOURSITEHERELOGO思考问题1.欲获得0．35μm的紫外光．为何采用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？2.如何知道本实验的倍频为第一类相位匹配？若改用第二类相位匹配，应如何做？YOURSITEHERELOGO注意事项脉冲Nd:YAG激光器辐射的激光功率非常高，使用过程中稍有不慎，激光束就会损伤身体或物品，轻则烧坏衣物，烧伤皮肤，重则造成眼睛永久性失明；如果照射到某些危险物上甚至会引起火灾和爆炸。激光器泵浦闪光灯电源、触发电源和调Q电源都使用高压电，意外触及可造成人身伤害。因此，在实验中应注意以下安全事项：1、仪器启动后，不准向激光腔内窥视。2、绝对禁止直接或反射的激光射入眼内，有关人员应配戴激光防护镜。3、严禁学生实验时打开电源箱外壳，以防剩余电压伤人或损伤仪器。4、激光器工作时随时注意仪器的运转情况，特别是循环水的流动与否和电源放电声音是否正常。遇异常情况，请迅速关机；待查明异常情况原因并排除后再行开机工作。YOURSITEHERELOGO《激光原理》沈柯《激光技术》蓝信钜《非线性光学》N.布洛姆伯根《非线性光学》李淳飞《非线性光学频率变换及调谐技术》姚健铨《激光频率的变换与扩展》李港参考文献YOURSITEHERELOGOThankyou!