实验五激光倍频实验

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1、实验五连续半导体泵浦固体激光器腔内倍频实验＞实验目的1.观察激光倍频现象，测量晶体在不同条件下的倍频转换效率nSHC。2.通过实验找出最佳位相匹配条件。＞实验原理激光倍频是指单一频率的激光入射到非线性光学介质，引起倍频光辐射的过程。激光倍频技术也称为二次谐波(SHG)技术，是最先在实验上发现的非线性光学效应。1961年由Franken等人进行的红宝石激光倍频实验，标志着对非线性光学进行广泛实验和理论研宄的开端。激光倍频是将激光向短波长方向变换的主要方法，已达到实用化的程度，有商品化的器件和装置，获得非常广泛的应用。红宝石石1k激光器图5-1Franken等人1961年进行的红宝石激光倍频实验

2、装置.1.倍频光辐射倍频光辐射属于强光和物质相互作用效应。其物理机制叙述如下：当光波电场E入射到介质中，介质会产生感应电偶极矩P，从而輻射出相应的光波。因此，P为E的函数：P=f(E),按级数展开：/^。(/⑴五十，⑺£2+……+Z(f+……)(5.1)其中&为真空介电常数，/(/)为极化率张量，此处考虑E的二次项的作用，得：P=ej⑴+ea[2}E；e-i2M+c.c=PL+(5.2)其屮巧与/^分别表示线性与非线性极化强度，在P的表达式中有项出现，导致相应的电磁辐射中就有频率为2o的光波，这就是倍频光，也称为二次谐波。图5-2倍频光辐射1.倍频技术（1）匹配方式：从与£（2＞的矩阵关系式

3、可以看出,）产生的。6⑽是由£,•£山•=々）=£,和按j=k^Wj本k两种情况划分：1）平行式：基波的电矢量在某一特定线偏振方向上的分量的平方项产生倍频极化场。2）正交式：基波的电矢量在两互相正交的特定偏振方向上的分量的乘积产生倍频极化场。不同的倍频晶体其非线性极化系数矩阵中矩阵元dil的分布不同，应采用不同的匹配方式。另外，还有直接关系到匹配方式的有效非线性系数def，对基波波矢k的方位角也有各自程度不同的耍求。这个问题在《激光技术》中有论述，（2）相位匹配条件：如果对应高能量的基波输入，在倍频晶体的另一端只有很弱的二次谐波输出的话，就失去了激光倍频的使用价值。因此，提高基波转化成二次谐

4、波的效率是激光倍频技术的关键性问题。下面从一个比较简捷的标量形式（1类匹配）来求出倍频效率IISHG的表达式:图5-3倍频晶体内各处产生的二次谐波的相干叠加在晶体中Z处，厚度为dz的一小段内感应的二次电偶极矩：dP2(0-deffEle”、dz，将辐射和应的必〜和必〜初和位和当必2"传播到/处时，相位移动为S=^-z)k22ndz处的倍频电矢量dE2MocdP2Moc令：k=k2-2k}=k2(0-2k(0总倍频电矢量£2"为晶体内各点dE^的迭加：E2m=deff^-iAkeff变形得：E2(0ocdsin(/W/2)AW/2倍频光强:2(y2(oocmax£2似200(/似)2々2si

5、n(層/2)續/2sin(⑽/2pAW/2得："5W;co故：k=o,^T：r]SHG=z/max,yp:/2

6、生。(3)相位匹配方法：目前，最常用，最主要的相位匹配方法是：在正常色散范围，利用各向异性晶体的双折射效应抵消色散，达到相位匹配的耍求。这也是本实验所采用的方法。1)角度匹配：将基频光以特定的角度和偏振态入射到倍频晶体，利用倍频晶体本身所具有的双折射效应抵消色散效应.角度匹配是高效率产生倍频光辐射的最常用、最主要的方法。按基频光电场偏振态的配置方式，分为平行式和正交式，相应的角度匹配称为I类和II类相位匹配方式。在正常色散条件下，对于单轴晶体，可以得到相应于I类和n类方式匹配角的解析表示式。让基频光与倍频晶体的光轴(Z)形成夹角氏，使由色散造成的AZ:在双折射现象中得到补偿。对于正常色散的负

7、单轴倍频晶体，E"为E0,E2M为Ee，I类匹配方式，则n(0=n()，n2⑴=ne(0)折射率曲面在OZY平面的截面如下图所示:在P点两曲线相交：％=即：nW，满足的相位匹配。么称为相位匹配角。可由方程组：1=cos2匕

8、sin2氏2(氏)＜求得不同的相位匹配方式nm的表达式不同。2)温度匹配：(0^90°)利用倍频晶体内折射率随温度的变化关系的特性，使当T=Tpm时，达到相位匹配，Tpm为匹配温度。温度匹