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激光倍频晶体应用实验报告 激光倍频实验报告 激光谐振腔与倍频实验 a13组 03光信息陆林轩 033012017 实验时间：2006-4-25 [实验目的和内容] 1、学习与掌握工作物质端面呈布儒斯特角的钕玻璃激光器的调节，以获得激光红外输出。 2、掌握腔外倍频技术，并了解倍频技术的意义。 3、观察倍频晶体0.53?m绿色光的输出情 况。 [实验基本原理] 1、激光谐振腔 光学谐振腔是激光器的重要组成部分，能起延长增益介质的作用（来提高光能密度），同 时还能控制光束的传播方向，对输出激光谱线的频率、宽度、和激光输出功率、等都产生很 大的影响。 图1 激光谐振腔示意图 （1）组成： 光学谐振腔是由两个光学反射镜面组成、能提供光学正反馈作用的光学装置，如图1所 示。两个反射镜可以是平面镜或球面镜，置于激光工作物质两端。两块反射镜之间的距离为 腔长。其中一个镜面反射率接近100%，称为全反镜；另一个镜面反射率稍低些，激光由此镜 输出，故称输出镜。 （2）工作原理： 谐振腔中包含了能实现粒子数反转的激光工作物质。它们受到激励后，许多原子将跃迁 到激发态。但经过激发态寿命时间后又自发跃迁到低能态，放出光子。其中，偏离轴向的光 子会很快逸出腔外。只有沿着轴向运动的光子会在谐振腔的两端反射镜之间来回运动而不逸 出腔外。这些光子成为引起受激发射的外界光场。促使已实现粒子数反转的工作物质产生同 样频率、同样方向、同样偏振状态和同样相位的受激辐射。这种过程在谐振腔轴线方向重复 出现，从而使轴向行进的光子数不断增加，最后从部分反射镜中输出。所以，谐振腔是一种 正反馈系统或谐振系统，具有很好的准直，选频和放大功能。 （3）种类： 图2 谐振腔的种类 按组成谐振腔的两块反射镜的形状以及它们的相对位置，可将光学谐振腔区分为：平行 平面腔，平凹腔，对称凹面腔，凸面腔等。平凹腔中如果凹面镜的焦点正好落在平面镜上， 则称为半共焦腔；如果凹面镜的球心落在平面镜上，便构成半共心腔。对称凹面腔中两块反 射球面镜的曲率半径相同。如果反射镜焦点都位于腔的中点，便称为对称共焦腔。如果两球 面镜的球心在腔的中心，称为共心腔。 如果光束在腔内传播任意长时间而不会逸出腔外，则称该腔为稳定腔（满足，否则称为 不稳定腔（满足1?g1.g2或0?g1.g2）。上述列举的谐振腔都属0?g1.g2?1） 稳定腔。 （4）本实验中的激光谐振腔：本实验采用的是外腔式钕玻璃激光器。外腔式激光器的两个反射镜是放在激光棒的外侧， 长度可调，频率可变，在激光棒的两侧按一定的角度贴有布儒斯特窗片。由于布儒斯特窗对 p偏振分量具有100%的透过率，从而输出线偏光。 2、激光倍频 (1)非线性光学基础 极化强度矢量和入射长的关系为： p??(1)e??(2)e2??(3)e3??（1）??分别是线性极化率，二阶非线性极化率，三阶非线性极化率??，?(2) ，?(1)，?(3)， 且每加一次极化，?值减小七八个数量级。在入射光场比较小的时候，? (2) ，? (3) 等极小， p与e成线性关系。当入射光场较强时，体现出非线性。只有在具有非中心对称的晶体 中才 可以观测到二阶非线性效应。二阶效应可用于实现倍频、和频、差频和参量震荡过程。 其中二倍频技术是最基本，利用最广泛的一种技术。本实验就是要观测倍频技术。 (2)相位匹配及实现方法 除了要光强比较大还要实现相位匹配，才可以获得好的倍频效果。由倍频转换率公式：2 p2?sin(l??k/2)2 ?d?l2?e?(2) ???? l??k/2p 可知，要获得最大的转换率，必须使l??k/2=0，因为l不为0，所以?k=0， 即： ?k?2k1?k2?? 2? 4? ?1 (n??n2?)?0 （3） 即 n?n 。可见基频光和倍频光在晶体中的传播速率是一样的。相位匹配的物理实质就是使基频光在晶体中沿途各点激发的倍频光传播到出射面时，有相同的相位，可以 相 互干涉增强，达到好的倍频效果。 (3)实现相位匹配条件的方法对于一般介质，由于正常色散，高频光的折射率大于低频光的折射率，不能实现n?n? 2? 的条件。而对于各向异性晶体，由于双折射效应，可以利用偏振光间的折射率关系，以 实现相位匹配条件。 本实验采用负单轴晶体，如图3所示。由负单轴晶体的折射率椭球及相位匹配条件，以 及由谐振腔输出线偏光可知，我们采用了o+o?e的第一类相位匹配，其匹配条件是 no??ne2?。 除了相位匹配条件以外，晶体的有效长度ls和模式状况也需要考虑。 图3 负折射率晶体折射率椭球 注：本实验用的是负单轴铌酸锂晶体i类角度相