实验六-激光倍频实验

1实验三激光倍频实验一．实验目的和内容1、半导体泵浦0.53μm绿光激光器由于其具有波长短，光子能量高，在水中传输距离远和人眼敏感等优点。效率高、寿命长、体积小、可靠性好。近几年在光谱技术、激光医学、信息存储、彩色打印、水下通讯、激光技术等科学研究及国民经济的许多领域中展示出极为重要的应用,成为各国研究的重点。2、半导体泵浦0.53μm绿光激光器适用于大学近代物理教学中非线性光学实验。本实验以808nm半导体泵浦Nd：YVO4激光器为研究对象，让学生自己动手，调整激光器光路，在腔中插入KTP晶体产生532nm倍频激光，观察倍频现象，测量阈值、相位匹配等基本参数。从而对激光技术有一定了解。二、实验仪器1．808nm半导体激光器≤500mW2．半导体激光器可调电源电流0～500mA3．Nd:YVO4晶体3×3×1mm4．KTP倍频晶体2×2×5mm5．输出镜（前腔片）φ6R=50mm6．光功率指示仪2μW～200mW6挡三、实验基本原理光的倍频是一种最常用的扩展波段的非线性光学方法。激光倍频是将频率为ω的光，通过晶体中的非线性作用，产生频率为2ω的光。当光与物质相互作用时，物质中的原子会因感应而产生电偶极矩。单位体积内的感应电偶极矩叠加起来，形成电极化强度矢量。电极化强度产生的极化场发射出次级电磁辐射。当外加光场的电场强度比物质原子的内场强小的多时，2物质感生的电极化强度与外界电场强度成正比。P=ε0χE在激光没有出现之前，当有几种不同频率的光波同时与该物质作用时，各种频率的光都线性独立地反射、折射和散射，满足波的叠加原理，不会产生新的频率。当外界光场的电场强度足够大时（如激光），物质对光场的响应与场强具有非线性关系：P=αE+βE2+γE3+…式中α，β，γ，…均为与物质有关的系数，且逐次减小，它们数量级之比为其中E原子为原子中的电场，其量级为108V/cm，当时上式中的非线性项E2、E3等均是小量，可忽略，如果E很大，非线性项就不能忽略。考虑电场的平方项出现直流项和二倍频项cos2ωt，直流项称为光学整流，当激光以一定角度入射到倍频晶体时，在晶体产生倍频光，产生倍频光的入射角称为匹配角。倍频光的转换效率为倍频光与基频光的光强比，通过非线性光学理论可以得到：3式中L为晶体长度，Iω、I2ω分别为入射的基频光、输出的倍频光的光强，△k=kω-2k2ω分别为基频光和倍频光的传播矢量。在正常色散的情况下，倍频光的折射率n2ω总是大于基频光的折射率，所以相位失配，双折射晶体中o光和e光的折射率不同，且e光的折射率随着其传播方向与光轴间夹角的变化而改变，可以利用双折射晶体中o光、e光间的折射率差来补偿介质对不同波长光的正常色散，实现相位匹配。四、实验装置实验使用808nmLD泵浦晶体得到1.064μm近红外激光，再用KTP晶体进行腔内倍频得到0.53μm的绿激光，长度为3×3×1mm搀杂浓度3at%α轴向切割Nd:YVO4晶体作为工作介质，入射到内部的光约95%被吸收，采用Ⅱ类相位匹配2×2×5mmKTP晶体4作为倍频晶体，它的通光面同时对1.064μm0.53μm高透，采用端面泵浦以提高空间耦合效率，用等焦距为3mm的梯度折射率透镜收集808LD激光聚焦成0.1μm的细光束，使光束束腰在Nd:YVO4晶体内部，谐振腔为平凹型，后腔片受热后弯曲。输出镜（前腔片）用K9玻璃，R为50mm，对808.5，1.064高反，0.53增透。用632.8nmHe-Ne激光器作准直光源。五、操作步骤激光器光路调整1．将808nmLD固定在二维调节架上，将He-Ne632.8nm红光通过白屏小孔聚到折射率梯度透镜上。让He-Ne632.8nm光和小孔及808nmLD在同一轴线上。2．将Nd:YVO4晶体安装在二维调节架上，将红光通过晶体并将返回的光点通过小孔。3．将输出镜（前腔片）固定在四维调节架上。调节输出镜使返回的光点通过小孔。对于有一定曲率的输出镜，会有几个光斑，应区分出从球心返回的光斑。4．在Nd:YVO4晶体和输出镜之间插入KTP倍频晶体，接通电源，调节多圈电位器。5．产生532nm倍频绿激光。调节输出镜，LD调节架，使532nm绿光功率最大。六．注意事项1．实验中激光器输出的光能量高、功率密度大，应避免直射到眼睛。特别是532nm绿光，切勿用眼睛直视激光器的轴向输出光束，以免视网膜受到永久性的伤害。2．避免用手接触激光器的输出镜，晶体的镀膜面，膜片应防潮，不用的晶体，输出腔片用镜头纸包好，放在干燥器里。3．如果在调整时，发现晶体及输出镜镜面较脏有灰尘时，可用混合液（酒精和5乙醚4:1）搽试。4．激光器应注意开关步骤，先检查多圈电位器是否处于最小处，再打开电源开关，逐步调整电位器，使电流逐渐增大，激光器出光。实验完成后，调整电位器，直到电流为零，再关闭电源。调试经验：1、808nm光源，Nd:YVO4晶体,KTP晶体要靠得近；808nm激光首先要足够强，用白纸观察有一条亮红线，透过Nd:YVO4后也足够强。2、电源输出电流400以上；3、KTP晶体棱角向下（转一圈），4、Nd:YVO4晶体横着放。5、先取下输出镜，光斑重合，再放上输出镜，左右调下输出镜。镜表面要用无水酒精+乙醚清洗干净。用干棉花。调共轴比较关键。两套KTP的角度不同，见照片。