激光倍频晶体应用实验

激光倍频晶体应用实验倍频晶体，用于倍频效应的一类非线性光学晶体。其基本条件是：⑴不具有中心对称性；⑵对基频波和倍频波的透明度高；⑶二次非线性电极化系数大，这是因为倍频转换效率与此系数的平方成正比；⑷有位相匹配能力，特别是非临界匹配能力。位相匹配角度和温度容限要在；⑸光学均匀性好，损伤阈值高；⑹物化性能稳定；⑺生长工艺比较容易，能得到足够大的晶体，在位相匹配方向上达到可用长度。常用的倍频晶体分类⒈磷酸二氢铵（ADP）、磷酸二氢钾（KDP）、磷酸二氘钾（DKDP）、砷酸二氘铯（DCDA）、砷酸二氢铯（CDA）等晶体。它们是产生倍频效应和其它非线性光学效应的一类具有代表性的晶体，适用于近紫外可见光区和近红外区，其损伤阈值大。⒉铌酸锂（LN）、铌酸钡钠、铌酸钾、α型碘酸锂等晶体。它们的二次非线性电极化系数大，而且LN、BNN等晶体的折射率对温度敏感，并且与色散效应的温度变化特性不同，可适当调节温度实现非临界匹配，它们适用于可见光区和中红外区（0.4μ-5μ）。LN在光照下易产生折射率变化，有光损伤现象；BNN的损伤阈值比LN高，但固熔区域较宽，组分易变动而导致光学均匀性变差，较难得到性能优良的大型晶体；铌酸钾不存在固熔区，有可能得到光学性质均匀的大型晶体；α型碘酸锂是水溶液生长晶体，能培养出光学质量好的大型晶体，且损伤阈值比BNN晶体高，缺点是不具有非临界匹配能力。⒊砷化镓、砷化铟、硫化锌、碲化镉、碲、硒等半导体晶体。它们的二次非线性电极化系数比前两类的晶体更大，适用于较宽的红外波段。但除硒、碲外，多数晶体无双折射效应，不能实现位相匹配。4.硼酸盐类,偏硼酸钡(β-BaB2O4)、三硼酸锂(LiB3O5)等。其中,偏硼酸钡和三硼酸锂晶体是我国于20世纪80年代首先研制成功的,具有非线性光学系数大、激光损伤阈值高的突出优点,是优秀的激光频率转换晶体材料,在国际上引起了很大的反响。适用于紫外波长段，其中KBBF等甚至适合与深紫外波长短。用于和频、差频和光的参量振荡效应的非线性光学晶体的基本要求和倍频晶体相同。倍频技术原子是由原子核和核外电子构成。当频率为w的光入射介质后，引起介质中原子的极化，即负电中心相对正电中心发生位移r形成电偶极矩m＝er，其中e是负电中心的电量．我们定义单位体积内原子偶极矩的总和为极化强度矢量P＝Nm，N是单位体积内的原子数。极化强度矢量和入射场的关系式为其中…分别称为线性极化率、二级非线性极化率、三级非线性极化率…。并且在一般情况下…,每增加一次极化,值减小七八个数量级。由于人射光是变化的，其振幅为，所以极化强度也是变化的。根据电磁理论，变化的极化场可作为辐射源产生电磁波——新的光波．在入射光的电场比较小时(比原于内的场强还小)，等极小，P与E成线性关系为，新的光波与入射光具有相同的频率，这就是通常的线性光学现象。但当入射光的电场较强时，不仅有线性现象，而且非线性现象也不同程度地表现出来。新的光波中不仅含有入射的基波频率，还有二次谐波、三次谐波等频率产生，形成能量转移，频率变换。这就是只有在高强度的激光出现以后，非线性光学才得到迅速发展的原因。设有下列两波同时作用于介质：介质产生的极化强度应为二列光波的叠加。有经推导得出，二级非线性极化波应包含下面几种不同频率成分：从以上看出，二级效应中含有基频波的倍频分量(21)．(22)、和频分量(1十2)、差频分量(1—2)和直流分量。故二级效应可用于实现倍频、和频、差频及参量振荡等过程。当只有一种频率为的光人射介质时，那么二级非线性效应就只有除基频外的一种频率(2)的光波产生，称为二倍频或二次谐波。为了获得最好的倍频效果，除了入射光要足够强（功率密度高）、晶体的非线性极化细述要大外，还要使特定偏振方向的线偏振光以某一特定角度入射，这个特定的角度由相位匹配条件决定。从理论分析可得倍频效率的关系式如下L为倍频晶体的通光长度，只有当△K＝2K1－K2＝4π/λ1(nω-n2ω)=0,即nω＝n2ω时，效率最高。我们将之称为位相匹配条件。怎样实现相位匹配呢？对于介质，由于存在正常色散效应，是不能实现相位匹配的。对于各向异性晶体，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。目前常用的负单轴晶体，如KDP，它对基频光和倍频光的折射率可以用图3－1的折射率面来表示。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。折射率面的定义为，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。从图中可以看出，如果基频光矢o光，倍频光是e光，那么当波面沿着跟光轴成θ角的方向传播时，二者折射率相同,θ称为相位匹配角。这种方法成为第一类角度相位匹配，即o+o->e。图2－1负单轴晶体的折射率面实验装置见图3－2，并说明如下：12123456①一④构成YAG激光器振荡级．其中：①是1.06微米全反射镜；②是DKDP电光调Q晶体及介质膜起偏器；③为YAG激光器的主体．包括YAG棒、氙灯、聚光腔和冷却系统；④是输出端平面反射镜．对1.06微米激光T＝80%。经边束调制的YAG调Q激光器产生的1.06微米激光是全偏振光，通常为偏振方向在竖直方向上的o光，以满足倍频晶体相位匹配的要求。⑤KTP倍频晶体，将1.06微米的红外激光转变成0.53微米的绿光．晶体的入射面镀有对1.06微米的增透膜，出射面镀有对0.53微米的增透膜，倍频效率约5％～15％。KTP晶体易损伤,操作时要细心。⑥能量计。实验步骤1、调整激光器出射光方向，使其和基座导轨同方向并与导轨上各光学器件处于等高的水平方向，这样便于接收调节．检测YAG激光器输出光能量是否正常。微调YAG放大器基座，与激光器保持共轴，使输出能量最佳．对1.06微米不可见的红外激光除可用能量计准确测定其能量值外．还可用烧斑纸对光的有无和能量的大小进行粗略捡查。2、将倍频晶体、能量计放置在同一水平高度上。使KTP晶体处于o+o->e的第一类相位匹配方式。3、由于晶体切割时，截面的法线与晶体的光轴夹角即为该晶体的相位匹配角，入射光只要垂直射到晶体上，就可获得最好的倍频效果。转动倍频晶体，使1.06微米的基频光以不同角度入射于晶体。从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