激光倍頻晶體應(yīng)用實驗

激光倍頻晶體應(yīng)用實驗倍頻晶體，用于倍頻效應(yīng)的一類非線性光學(xué)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(shù)大，這是因為倍頻轉(zhuǎn)換效率與此系數(shù)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(xué)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(chǎn)生倍頻效應(yīng)和其它非線性光學(xué)效應(yīng)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(shù)大，而且LN、BNN等晶體的折射率對溫度敏感，并且與色散效應(yīng)的溫度變化特性不同，可適當(dāng)調(diào)節(jié)溫度實現(xiàn)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(chǎn)生折射率變化，有光損傷現(xiàn)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(dǎo)致光學(xué)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(xué)性質(zhì)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(xué)質(zhì)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(dǎo)體晶體。它們的二次非線性電極化系數(shù)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(shù)晶體無雙折射效應(yīng)，不能實現(xiàn)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(xué)系數(shù)大、激光損傷閾值高的突出優(yōu)點,是優(yōu)秀的激光頻率轉(zhuǎn)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(yīng)的非線性光學(xué)晶體的基本要求和倍頻晶體相同。倍頻技術(shù)原子是由原子核和核外電子構(gòu)成。當(dāng)頻率為w的光入射介質(zhì)后，引起介質(zhì)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(nèi)原子偶極矩的總和為極化強度矢量P＝Nm，N是單位體積內(nèi)的原子數(shù)。極化強度矢量和入射場的關(guān)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(shù)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(jù)電磁理論，變化的極化場可作為輻射源產(chǎn)生電磁波——新的光波．在入射光的電場比較小時(比原于內(nèi)的場強還小)，等極小，P與E成線性關(guān)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(xué)現(xiàn)象。但當(dāng)入射光的電場較強時，不僅有線性現(xiàn)象，而且非線性現(xiàn)象也不同程度地表現(xiàn)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(chǎn)生，形成能量轉(zhuǎn)移，頻率變換。這就是只有在高強度的激光出現(xiàn)以后，非線性光學(xué)才得到迅速發(fā)展的原因。設(shè)有下列兩波同時作用于介質(zhì)：介質(zhì)產(chǎn)生的極化強度應(yīng)為二列光波的疊加。有經(jīng)推導(dǎo)得出，二級非線性極化波應(yīng)包含下面幾種不同頻率成分：從以上看出，二級效應(yīng)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(yīng)可用于實現(xiàn)倍頻、和頻、差頻及參量振蕩等過程。當(dāng)只有一種頻率為的光人射介質(zhì)時，那么二級非線性效應(yīng)就只有除基頻外的一種頻率(2)的光波產(chǎn)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(guān)系式如下L為倍頻晶體的通光長度，只有當(dāng)△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(xiàn)相位匹配呢？對于介質(zhì)，由于存在正常色散效應(yīng)，是不能實現(xiàn)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(guān)系實現(xiàn)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(dāng)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(gòu)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(diào)Q晶體及介質(zhì)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(jīng)邊束調(diào)制的YAG調(diào)Q激光器產(chǎn)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(zhuǎn)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(diào)整激光器出射光方向，使其和基座導(dǎo)軌同方向并與導(dǎo)軌上各光學(xué)器件處于等高的水平方向，這樣便于接收調(diào)節(jié)．檢測YAG激光器輸出光能量是否正常。微調(diào)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(zhuǎn)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(dāng)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