激光倍頻晶體應用實驗

激光倍頻晶體應用實驗倍頻晶體，用于倍頻效應的一類非線性光學晶體。其基本條件是：⑴不具有中心對稱性；⑵對基頻波和倍頻波的透明度高；⑶二次非線性電極化系數大，這是因為倍頻轉換效率與此系數的平方成正比；⑷有位相匹配能力，特別是非臨界匹配能力。位相匹配角度和溫度容限要在；⑸光學均勻性好，損傷閾值高；⑹物化性能穩(wěn)定；⑺生長工藝比較容易，能得到足夠大的晶體，在位相匹配方向上達到可用長度。常用的倍頻晶體分類⒈磷酸二氫銨（ADP）、磷酸二氫鉀（KDP）、磷酸二氘鉀（DKDP）、砷酸二氘銫（DCDA）、砷酸二氫銫（CDA）等晶體。它們是產生倍頻效應和其它非線性光學效應的一類具有代表性的晶體，適用于近紫外可見光區(qū)和近紅外區(qū)，其損傷閾值大。⒉鈮酸鋰（LN）、鈮酸鋇鈉、鈮酸鉀、α型碘酸鋰等晶體。它們的二次非線性電極化系數大，而且LN、BNN等晶體的折射率對溫度敏感，并且與色散效應的溫度變化特性不同，可適當調節(jié)溫度實現非臨界匹配，它們適用于可見光區(qū)和中紅外區(qū)（0.4μ-5μ）。LN在光照下易產生折射率變化，有光損傷現象；BNN的損傷閾值比LN高，但固熔區(qū)域較寬，組分易變動而導致光學均勻性變差，較難得到性能優(yōu)良的大型晶體；鈮酸鉀不存在固熔區(qū)，有可能得到光學性質均勻的大型晶體；α型碘酸鋰是水溶液生長晶體，能培養(yǎng)出光學質量好的大型晶體，且損傷閾值比BNN晶體高，缺點是不具有非臨界匹配能力。⒊砷化鎵、砷化銦、硫化鋅、碲化鎘、碲、硒等半導體晶體。它們的二次非線性電極化系數比前兩類的晶體更大，適用于較寬的紅外波段。但除硒、碲外，多數晶體無雙折射效應，不能實現位相匹配。4.硼酸鹽類,偏硼酸鋇(β-BaB2O4)、三硼酸鋰(LiB3O5)等。其中,偏硼酸鋇和三硼酸鋰晶體是我國于20世紀80年代首先研制成功的,具有非線性光學系數大、激光損傷閾值高的突出優(yōu)點,是優(yōu)秀的激光頻率轉換晶體材料,在國際上引起了很大的反響。適用于紫外波長段，其中KBBF等甚至適合與深紫外波長短。用于和頻、差頻和光的參量振蕩效應的非線性光學晶體的基本要求和倍頻晶體相同。倍頻技術原子是由原子核和核外電子構成。當頻率為w的光入射介質后，引起介質中原子的極化，即負電中心相對正電中心發(fā)生位移r形成電偶極矩m＝er，其中e是負電中心的電量．我們定義單位體積內原子偶極矩的總和為極化強度矢量P＝Nm，N是單位體積內的原子數。極化強度矢量和入射場的關系式為其中…分別稱為線性極化率、二級非線性極化率、三級非線性極化率…。并且在一般情況下…,每增加一次極化,值減小七八個數量級。由于人射光是變化的，其振幅為，所以極化強度也是變化的。根據電磁理論，變化的極化場可作為輻射源產生電磁波——新的光波．在入射光的電場比較小時(比原于內的場強還小)，等極小，P與E成線性關系為，新的光波與入射光具有相同的頻率，這就是通常的線性光學現象。但當入射光的電場較強時，不僅有線性現象，而且非線性現象也不同程度地表現出來。新的光波中不僅含有入射的基波頻率，還有二次諧波、三次諧波等頻率產生，形成能量轉移，頻率變換。這就是只有在高強度的激光出現以后，非線性光學才得到迅速發(fā)展的原因。設有下列兩波同時作用于介質：介質產生的極化強度應為二列光波的疊加。有經推導得出，二級非線性極化波應包含下面幾種不同頻率成分：從以上看出，二級效應中含有基頻波的倍頻分量(21)．(22)、和頻分量(1十2)、差頻分量(1—2)和直流分量。故二級效應可用于實現倍頻、和頻、差頻及參量振蕩等過程。當只有一種頻率為的光人射介質時，那么二級非線性效應就只有除基頻外的一種頻率(2)的光波產生，稱為二倍頻或二次諧波。為了獲得最好的倍頻效果，除了入射光要足夠強（功率密度高）、晶體的非線性極化細述要大外，還要使特定偏振方向的線偏振光以某一特定角度入射，這個特定的角度由相位匹配條件決定。從理論分析可得倍頻效率的關系式如下L為倍頻晶體的通光長度，只有當△K＝2K1－K2＝4π/λ1(nω-n2ω)=0,即nω＝n2ω時，效率最高。我們將之稱為位相匹配條件。怎樣實現相位匹配呢？對于介質，由于存在正常色散效應，是不能實現相位匹配的。對于各向異性晶體，由于存在雙折射，可以利用不同偏振態(tài)之間的折射率關系實現相位匹配。目前常用的負單軸晶體，如KDP，它對基頻光和倍頻光的折射率可以用圖3－1的折射率面來表示。圖中實線是倍頻光的折射率面，虛線是基頻光的折射率面。球面為o光折射率面，橢球為e光折射率面。折射率面的定義為，它的每一根矢徑長度（從原點到曲面的距離）表示以此矢徑方向為波法線方向的光波的折射率。從圖中可以看出，如果基頻光矢o光，倍頻光是e光，那么當波面沿著跟光軸成θ角的方向傳播時，二者折射率相同,θ稱為相位匹配角。這種方法成為第一類角度相位匹配，即o+o->e。圖2－1負單軸晶體的折射率面實驗裝置見圖3－2，并說明如下：12123456①一④構成YAG激光器振蕩級．其中：①是1.06微米全反射鏡；②是DKDP電光調Q晶體及介質膜起偏器；③為YAG激光器的主體．包括YAG棒、氙燈、聚光腔和冷卻系統(tǒng)；④是輸出端平面反射鏡．對1.06微米激光T＝80%。經邊束調制的YAG調Q激光器產生的1.06微米激光是全偏振光，通常為偏振方向在豎直方向上的o光，以滿足倍頻晶體相位匹配的要求。⑤KTP倍頻晶體，將1.06微米的紅外激光轉變成0.53微米的綠光．晶體的入射面鍍有對1.06微米的增透膜，出射面鍍有對0.53微米的增透膜，倍頻效率約5％～15％。KTP晶體易損傷,操作時要細心。⑥能量計。實驗步驟1、調整激光器出射光方向，使其和基座導軌同方向并與導軌上各光學器件處于等高的水平方向，這樣便于接收調節(jié)．檢測YAG激光器輸出光能量是否正常。微調YAG放大器基座，與激光器保持共軸，使輸出能量最佳．對1.06微米不可見的紅外激光除可用能量計準確測定其能量值外．還可用燒斑紙對光的有無和能量的大小進行粗略撿查。2、將倍頻晶體、能量計放置在同一水平高度上。使KTP晶體處于o+o->e的第一類相位匹配方式。3、由于晶體切割時，截面的法線與晶體的光軸夾角即為該晶體的相位匹配角，入射光只要垂直射到晶體上，就可獲得最好的倍頻效果。轉動倍頻晶體，使1.06微米的基頻光以不同角度入射于晶體。從光強的變化中也可看出，當倍頻光由弱的圓環(huán)或散開的光斑縮為一耀眼的光點時，即