脉冲激光器的调q和倍频

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1、脉冲激光器的调Q和倍频实验目的1.熟悉Nd:YAG激光器的结构。2.了解和掌握利用晶体的线性电光效应实现激光调Q的原理。3.了解和掌握激光倍频技术的基本原理和倍频晶体相位匹配的方法。实验原理激光调Q技术就是使激光谢振腔的Q值发生变化，使激光工作物质的受激辐射压缩在极短的时间内发射的一种技术。具体的讲就是在光泵开始激励的初期，使腔内的损耗很大，Q值很低，这使激光振荡的阈值很高，使激光振荡不能形成，因而上能级的反转粒子数大量积累。当积累达到最大值时，突然时谐振腔的损耗变小，Q值突增，这时反转粒子数密度比阈值大得多，使激光振荡迅速建立，腔内像雪崩一样以极快的速度建立起

2、极强的振荡，于是在极短的时间内输出一个极强的激光脉冲。调Q激光脉冲峰值功率一般都高于兆瓦级，而脉冲宽度只有10-8~10-9秒，因而通常将这种脉冲称为激光巨脉冲。激光谐振腔内的损有多种，用不同的方法来控制腔内不同的损耗，就形成了不同的调Q技术，例如控制反射损耗的有转镜调Q技术、电光调Q技术，控制吸收损耗的有染料调Q技术，控制衍射损耗的有声光调Q技术等。倍频技术就是将频率为ω的强激光束入射到某些非线性晶体，通过强光与物质的相互作用，产生2ω的二次谐波的技术。倍频技术是目前由较低频率的激光转换为较高频率激光的最成熟和最常用的频率转换技术，也是最早被利用的非线性光学效

3、应。当光与物质相互作用时，就会带起原子外层电子的位移，产生电偶极矩,其中e为负电中心的电荷量，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，,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，这种极化场就会产生电磁波的辐射。如果入射到介质上光束的频率为ω，电场矢量为由于光的作用，产生的极化强度与外电场强度矢量之间的关系为式中,为与时间、位置无关的常数，成为介质的极化系数，且有当入射光很弱时，极化系数的高阶项都可忽略不计，则(2)可简化这就表明弱光照射下，介质的极化强度矢量与电场强度成线性关系，其频率与入射光频率相同。因此称为线

4、性极化强度矢量，称为线性极化系数。4当入射光很强时，极化系数的高阶项就不可忽略，介质的极化矢量与电场强度的关系不能认为是简单的线性关系，而必须考虑高阶项的贡献。由于和不是线性关系，所以称之为非线性极化强度矢量。如果仅考虑到二次项，而三次项以上略去不计，则(2)式的标量形式为式中，称为倍频系数。可见，由于非线性极化效应，使介质极化强度波中出现了2ω的二次谐波分量。这样从介质中出射的光中，既有频率为ω的基波，又包含有频率为2ω的二次谐波，也就是倍频光。在相位失配的情况下，频率为ω的强光入射到长度为L的晶体后得到的倍频光强为其倍频转换效率式中，为倍频光的波矢，为基频光

5、的波矢，所以。由以上二式可看出，当（即）时，倍频光最强，倍频效率最高。所以将这种情况称为实现了相位匹配。称为相位匹配条件。在实际的倍频装置中，都希望获得最高的倍频转换效率，这就要在相位匹配的条件下工作。主要有两种：1、实际相位匹配，就是要使。对于具有正常色散的材料，e光和o光的折射率都是随频率升高而单调增大的，因而当倍频和基频光同属于e光或o光时，相位匹配条件是无法满足的。但当这两种光分别属于不同的偏振态时，利用双折射现象，就可能是基频o光和倍频e光在某一特定的方向上，实现，如图1所示θm角是光传播方向与晶体光轴之间的夹角，此角称为相位匹配角。4图1对于负单轴晶

6、体，由于ne总小于no，并且o光折射率no与光波法线方向θ无关，e光折射率与θ有关。因而选用基频o光和倍频e光，就可以找到一个特定的θm角，在这个角度θm上，正好有。也就是说，光的基波沿θm方向传播时，如果产生的倍频光也沿同一方向传播，当它是e光时，相位匹配条件就可以满足，这种匹配方式称之为oo-e匹配方式.对于正单轴晶体，它的no

7、配温度。当晶体温度改变时，它的折射率就会发生变化。有些晶体，例如LiNbO3、KDP、ADP等，它们的折射率ne对温度变化的改变量比no对温度变化的改变量大得多，因而有可能改变晶体温度使θm=90º。实验装置倍频实验装置通常有三个基本部分组成，即非线性倍频晶体、基频光源以及相位匹配与激励耦合元件等三部分组成。倍频晶体应根据倍频的工作频率和实际需要来选取。各向同性的介质和据有中心对称的晶体，他们的=0，不能用来产生二次谐波。因而倍频晶体要选用不具有对称中心的晶体，此外还要求用作倍频晶体有较大的非线性极化系数，透明性要好，能实现相位匹配条件等。基频光源一般采用各种类

8、型的激光器。相位匹配与激