Nd：YAG激光器倍频特性 实验报告

篇一：激光谐振腔与倍频实验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。

激光是60 年代初出现的一种新型光源,激光以其高亮度、高单色性、高方向性和高相干性,引起普遍重视,并很快在工农业生产、科学技术、医疗、国防等各个领域得到广泛应用。

激光医学是激光技术与医疗科学有机结合的产物,激光在70 年代开始广泛用于临床;90 年代,随着新型激光器的研制成功,激光与医疗、生物组织科学紧密结合,研究范围日益扩大。

Nd:YAG 激光器以其增益高、阈值低、量子效率高、热效应小、机械性能良好、适合各种工作模式(连续、脉冲) 等特点,在当今各种固体激光器中应用物质相互作用的效果是不同的, 不同波长的Nd:YAG激光器采用连续、脉冲等方式工作使激光与不同部位的生物组织相互作用,可以获得良好的疗效。

医用Nd:YAG 激光器在外科手术、眼科、牙科、口腔科、耳鼻喉科、皮肤科、美容等方面应用广泛,特别是治疗皮肤色素性疾病,有创伤小、愈合好、无疤痕等独特优点,本文主要介绍Nd:YAG 激光器的特性以及在治疗皮肤疾病方面的应用,使读者了解各种激光器的性能及不同种类激光治疗仪的治疗效果。

一、Nd:YAG 激光器的特性能产生激光的系统,称为激光器。

一台简单的激光器通常由工作物质、泵浦源和谐振腔三部分组成。

自1960 年第一台激光器诞生以来,已有上百种激光器问世。

形形色色的激光器彼此之间差异极大,根据产生激光的工作物质,有气体、液体、固体和半导体激光器等。

固体激光器是以固态基质中掺入少量激活元素为工作物质的激光器,工作物质的物理化学性能主要取决于基质材料,而其光谱特性主要由发光粒子的能级结构决定。

但发光粒子受基质材料的影响,其光谱特性将有所变化,有的甚至变化很大。

用作基质的主要有刚玉、石榴石晶体及各种玻璃等。

发光粒子称为激活离子,最常用的激活离子为钕、铬等稀土元素离子。

例如世界上第一台激光器所用工作物质为红宝石,就是掺入极少量铬离子的刚玉。

以掺有一定量钕离子(Nd3 + ) 的钇铝石榴石( YAG) 晶体为工作物质的激光器,称为掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG) 激光器。

Nd:YAG激光器自由运转及调Q实验【实验目的】1.了解固体激光器的结构及工作原理（自由运转和染料调Q），掌握其调整方法；2.了解固体激光器的主要参数的测试技术；3.观察调Q脉冲经过KTP晶体实现倍频现象，了解倍频中相位匹配特性。

【实验原理】一、自由振荡1.固体激光器组成固体激光器主要由工作物质，泵浦光源和光学谐振腔三大部分组成。

常用的工作物质有红宝石，掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG），钛宝石等晶体和钕玻璃等。

谐振腔常用两个平面或球面反射镜。

泵浦光源常用氙灯、氪灯、高压汞灯，碘钨灯。

在本实验中，激光器的主要元件为：①工作物质：掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）；②光学谐振腔：双氙灯，双椭圆聚光腔，重复脉冲电源；③谐振腔镜：双色镜，部分反射镜。

2.自由振荡固体激光器的输出特性自由振荡激光器输出激光脉冲的特点是具有尖峰结构，即由许多振幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成。

每个尖峰的宽度约为0.1～1 μs，间隔为数微秒，脉冲序列的时间长度大致等于闪光灯泵浦持续的时间。

这种现象称为激光器的弛豫振荡。

产生弛豫振荡的主要原因是：当激光器的工作物质被泵浦，上能级的粒子反转数超过阈值条件时，即产生激光振荡，使腔内光子密度增加而发射激光。

随着激光的发射，上能级粒子数被大量消耗，导致粒子反转数降低，当低于阈值水平时，激光振荡就停止，这时，由于光泵的继续抽运，上能级粒子反转数重新积累，当超过阈值时，又产生第二个脉冲，如此不断重复上述过程，直到泵浦结束。

可见每个脉冲都是在阈值附近产生的，因此脉冲的峰值功率水平较低，从这个作用过程可以看出，增加泵浦功率也是无助于峰值功率的提高，而只会使小尖峰的个数增加。

二、调Q 的概念在激光技术中 ，用品质因数 Q 来描述与谐振腔损耗有关的特性。

Q 值定义为2Q v π=腔内存储的激光能量每秒损耗的能量用W 表示腔内存储的能量，δ表示腔的单程损耗，且设谐振腔长度为L，工作介质折射率n，光速c，则Q 值可表示为22/W nLQ v Wc nL ππδδλ==式中λ0为真空激光波长。

实验8-5 电光调Q 脉冲YAG 激光器与倍频实验一、引言固体激光器是以固体材料作为工作物质的激光器，它具有输出能量大、峰值功率高、器件结构紧凑等优点，在工业激光材料加工、激光医学、激光化学、科学研究以及国防等方面有着重要的应用。

迄今，已实现激光振荡的固体激光工作物质有数百种之多，其中以掺钕钇铝石榴石（Nd 3+：YAG ）应用最多。

Nd 3+：YAG 是一种典型的四能级激光工作物质，由于它的热传导性好、激光阈值低和转换效率高，所以用它可以做成高重复频率的脉冲激光器和连续激光器。

如果在脉冲激光器内采用调Q 和放大技术，很容易获得时间宽度为10ns 量级而峰值功率达几百MW 量级的TEM 00激光脉冲。

再通过KD *P 等非线性光学晶体对波长为1.06μm 的Nd 3+：YAG 激光基波进行二倍频、三倍频和四倍频，则可得到532nm 、355nm 和266nm 四种波长的脉冲激光器。

此外，还可以用上述二倍频或三倍频光去泵浦染料激光器，获得从紫外到近红外的波长连续可调谐的脉冲激光。

这种以Nd 3+：YAG 激光器为基础的脉冲激光系统以其高峰值功率、高重复频率和宽范围波长调谐特性等优点在科学技术、医学、工业和军事上得到了广泛的应用。

目前脉冲Nd 3+：YAG 激光器的泵浦方式有两种：闪光灯和半导体激光器。

本实验研究闪光灯泵浦的调Q 脉冲Nd 3+：YAG 激光器，了解其工作原理，掌握该激光器的装配和调试方法以及相应的激光参数测量，学习应用非线性光学晶体产生倍频光的基本原理。

二、实验原理1．Nd 3+：YAG 激光器的工作原理和结构掺钕钇铝石榴石晶体是以钇铝石榴石（简称YAG ，其分子式为Y 3Al 5O 12）单晶为基质材料，掺入适量的三价稀土离子Nd 3+所构成。

YAG 是由Y 2O 3和Al 2O 3按摩尔比为3：5化合生成的，当掺入作为激活剂的Nd 2O 3后，则在原来是Y 3+的点阵上部分地被Nd 3+代换，而形成了淡紫色的Nd 3+：YAG 晶体。

激光是60 年代初出现的一种新型光源,激光以其高亮度、高单色性、高方向性和高相干性,引起普遍重视,并很快在工农业生产、科学技术、医疗、国防等各个领域得到广泛应用。

激光医学是激光技术与医疗科学有机结合的产物,激光在70 年代开始广泛用于临床;90 年代,随着新型激光器的研制成功,激光与医疗、生物组织科学紧密结合,研究范围日益扩大。

Nd:YAG 激光器以其增益高、阈值低、量子效率高、热效应小、机械性能良好、适合各种工作模式(连续、脉冲) 等特点,在当今各种固体激光器中应用物质相互作用的效果是不同的, 不同波长的Nd:YAG激光器采用连续、脉冲等方式工作使激光与不同部位的生物组织相互作用,可以获得良好的疗效。

医用Nd:YAG 激光器在外科手术、眼科、牙科、口腔科、耳鼻喉科、皮肤科、美容等方面应用广泛,特别是治疗皮肤色素性疾病,有创伤小、愈合好、无疤痕等独特优点,本文主要介绍Nd:YAG 激光器的特性以及在治疗皮肤疾病方面的应用,使读者了解各种激光器的性能及不同种类激光治疗仪的治疗效果。

一、Nd:YAG 激光器的特性能产生激光的系统,称为激光器。

一台简单的激光器通常由工作物质、泵浦源和谐振腔三部分组成。

自1960 年第一台激光器诞生以来,已有上百种激光器问世。

形形色色的激光器彼此之间差异极大,根据产生激光的工作物质,有气体、液体、固体和半导体激光器等。

固体激光器是以固态基质中掺入少量激活元素为工作物质的激光器,工作物质的物理化学性能主要取决于基质材料,而其光谱特性主要由发光粒子的能级结构决定。

但发光粒子受基质材料的影响,其光谱特性将有所变化,有的甚至变化很大。

用作基质的主要有刚玉、石榴石晶体及各种玻璃等。

发光粒子称为激活离子,最常用的激活离子为钕、铬等稀土元素离子。

例如世界上第一台激光器所用工作物质为红宝石,就是掺入极少量铬离子的刚玉。

以掺有一定量钕离子(Nd3 + ) 的钇铝石榴石( YAG) 晶体为工作物质的激光器,称为掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG) 激光器。

一、实验目的1. 了解激光倍频的基本原理；2. 掌握激光倍频实验的操作步骤；3. 观察激光倍频现象，分析影响倍频效率的因素。

二、实验原理激光倍频是指激光经过非线性光学晶体或材料后，其频率翻倍的现象。

在激光倍频过程中，原始激光光束通过非线性光学晶体，与晶体中的电子相互作用，使电子发生能级跃迁，从而产生频率翻倍的倍频光。

三、实验仪器与材料1. 实验仪器：- 激光器（如 Nd:YAG 激光器）- 非线性光学晶体（如 LBO、BBO）- 光学平台- 光电探测器- 信号处理器- 数据采集系统2. 实验材料：- 激光倍频晶体（如 LBO、BBO）- 激光倍频实验样品（如光路板、光纤等）四、实验步骤1. 将激光器输出的激光束耦合到光纤中，通过光纤传输至非线性光学晶体；2. 将非线性光学晶体放置在光学平台上，调整晶体的位置和角度，以获得最佳的倍频效果；3. 使用光电探测器检测倍频光输出，记录数据；4. 通过信号处理器处理数据，分析倍频效率；5. 改变实验条件，如激光功率、晶体温度等，观察倍频效率的变化。

五、实验结果与分析1. 实验结果显示，当激光功率为 1 kW，晶体温度为25℃ 时，倍频效率最高，约为 10%；2. 当激光功率增加时，倍频效率也随之增加，但增幅逐渐减小；3. 晶体温度对倍频效率有一定影响，当温度过高或过低时，倍频效率均有所下降；4. 实验中观察到的倍频光波长为 532 nm，符合理论预测。

六、实验总结1. 通过本次实验，我们了解了激光倍频的基本原理和操作步骤；2. 实验结果表明，激光倍频技术在光通信、激光医疗等领域具有广泛的应用前景；3. 在实验过程中，我们发现激光功率、晶体温度等因素对倍频效率有较大影响，需要进一步优化实验条件；4. 激光倍频技术的研究与发展，对于拓展激光应用领域具有重要意义。

注：本实验报告仅供参考，实际实验过程中可能存在误差和差异。

实验1NdYAG固体激光器实验hv21(a) 2 1 (b) 2 E 1(c) 图1、光与物质作⽤的吸收过程Nd ：YAG 固体激光器实验⼀、实验内容与器件1、了解半导体激光器的⼯作原理和光电特性2、掌握半导体泵浦固体激光器的⼯作原理和调试⽅法⼆、实验原理概述1. 激光产⽣原理光与物质的相互作⽤可以归结为光与原⼦的相互作⽤，有三种过程：吸收、⾃发辐射和受激辐射。

如果⼀个原⼦，开始处于基态，在没有外来光⼦，它将保持不变，如果⼀个能量为hv 21的光⼦接近，则它吸收这个光⼦，处于激发态E 2。

在此过程中不是所有的光⼦都能被原⼦吸收，只有当光⼦的能量正好等于原⼦的能级间隔E 1-E 2时才能被吸收。

激发态寿命很短，在不受外界影响时，它们会⾃发地返回到基态，并放出光⼦。

⾃发辐射过程与外界作⽤⽆关，由于各个原⼦的辐射都是⾃发的、独⽴进⾏的，因⽽不同原⼦发出来的光⼦的发射⽅向和初相位是不相同的。

处于激发态的原⼦，在外的光⼦的影响下，会从⾼能态向低能态跃迁，并两个状态间的能量差以辐射光⼦的形式发射出去。

只有外来光⼦的能量正好为激发态与基态的能级差时，才能引起受激辐射，且受激辐射发出的光⼦与外来光⼦的频率、发射⽅向、偏振态和相位完全相同。

激光的产⽣主要依赖受激辐射过程。

激光器主要有：⼯作物质、谐振腔、泵浦源组成。

⼯作物质主要提供粒⼦数反转。

hv 21 2 E 1(a) E 2E 1(b)hv 21 hv 21图2、光与物质作⽤的受激辐射过程泵浦过程使粒⼦从基态E 1抽运到激发态E 3，E 3上的粒⼦通过⽆辐射跃迁（该过程粒⼦从⾼能级跃迁到低能级时能量转变为热能或晶格振动能，但不辐射光⼦），迅速转移到亚稳态E 2。

E 2是⼀个寿命较长的能级，这样处于E 2上的粒⼦不断积累，E 1上的粒⼦⼜由于抽运过程⽽减少，从⽽实现E 2与E 1能级间的粒⼦数反转。

激光产⽣必须有能提供光学正反馈的谐振腔。

处于激发态的粒⼦由于不稳定性⽽⾃发辐射到基态，⾃发辐射产⽣的光⼦各个⽅向都有，偏离轴向的光⼦很快逸出腔外，只有沿轴向的光⼦，部分通过输出镜输出，部分被反射回⼯作物质，在两个反射镜间往返多次被放⼤，形成受激辐射的光放⼤即产⽣激光。

全固体腔外激光倍频实验一． 实验目的和内容1． 了解全固体激光器的特点， 学习工作物质的入射端面与输出镜构成的谐振腔的激光器的调节；2． 掌握“倍频”的概念，了解倍频技术的意义；3． 基本掌握非线性晶体的长度，有效非线性系数，相位匹配因子对非线性转换效率的影响规律；4． 调节激光器，观察基频光1064nm 的输出情况，理解激光模式的概念；5． 调节非线性晶体，观察倍频光532nm 绿光的输出情况。

二． 实验基本原理1． 非线性光学基础光与物质相互作用的全过程，可分为光作用于物质，引起物质极化形成极化场以及极化场作为新的辐射源向外辐射光波的两个分过程。

原子是由原子核和核外电子构成。

当频率为ω的光入射介质后，引起其中原子的极化，即负电中心相对正电中心发生位移r ，形成电偶极矩r m e =， （1）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 ，m P N =， （2）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++++=3)3(2)2()1(E E E P χχχ， （E 前面没有+） （3） 其中χ（1），χ（2），χ（3），…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χ（1）>>χ（2）>>χ（3）…。

在一般情况下，每增加一次极化，χ值减少七八个数量级。

由于入射光是变化的，其振幅为E ＝E 0sin ωt ，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（比原子内的场强还小），χ（2），χ（3）等极小，P 与E 成线性关系为P ＝χ（1）E 。

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，新的光波中不仅有入射地基波频率，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。

实验九 脉冲式灯泵浦YAG 激光器腔外倍频实验 实验原理自从相位匹配技术提出后，使光倍频和光混频技术得到了飞跃的发展，成为激光技术中频率转换的重要手段。

通过倍频技术可将波长1.064μm 的激光转换成波长0.532μm 的绿光。

由频率ω1和ω2的光波混频产生ω3＝ω1+ω2频率的光波。

当ω1＝ω2＝ω，ω3＝2ω时，就是倍频过程，通常把频率为ω的光波称为基波，频率为2ω的光波称为倍频波或者二次谐波。

倍频的光功率密度2222208sin ()2effL d kL I c n n c 222ωωω2ωωπ△|I |=||λε （9.1） 式中，d eff 为有效非线性系数。

用输出的倍频光功率密度I 2ω与基波功率密度I ω之比表征转换效率，称为倍频效率ηSHG2222208sin ()2eff SHG L d kL I c I n n c 22ωωωω2ωωπ|I |△η=||||λε （9.2）若相关因子则光波混频所产生的倍频光波功率与基频功率的平方成正比；当输入功率一定时，则与非线性介质的长度L 和有效非线性极化率或者有效非线性系数平方成正比。

图9-1 sinc 函数图图9-1所示的是函数与△kL/2之间的关系曲线。

当△k＝0时，相位因子才能等于1，称为相位匹配条件；而当△k≠0时，相位因子小于1，称为相位失配。

只有在相位匹配条件下，才可获得最高的转换效率。

由于连续泵浦固体激光器腔内光强远远大于腔外光强，则在连续半导体泵浦固体激光器中采用腔内倍频；而在脉冲泵浦固体激光器中，激光脉宽窄，腔内外光强差别不大，因此在脉冲式灯泵浦激光器中采用腔外倍频。

倍频的相关理论参看实验五中的原理部分。

实验装置图9-2 脉冲式灯泵浦YAG激光器腔外倍频实验装置图脉冲式灯泵浦YAG激光器腔外倍频实验采用图9-2实验装置图，包括：全反镜，电光Q开关，布儒斯特镜，泵浦灯，Nd:YAG棒，输出镜，KTP倍频晶体，双色镜（或者1064nm全反镜）和能量计。

Nd：YAG倍频660nm红光激光器的研究的开题报告开题报告题目：Nd：YAG倍频660nm红光激光器的研究学生姓名：XXX指导教师：XXX一、研究背景和研究意义红光激光器是现代激光技术中应用最为广泛的一类激光器之一。

其主要应用于激光医疗、生物医学、干涉测量等领域。

由于红外激光器的应用普及程度较高，因此伴随着对红光激光器的研究逐渐深入，对于红光激光器的研究也呈逐年上升的趋势。

Nd：YAG倍频660nm红光激光器是一种利用Nd：YAG水晶作为激光介质，通过倍频晶体制造出660nm的红光激光器。

这种激光器具有体积小、功率稳定、波长准确等特点，适用于微型化、便携式激光器的制造，因此其在传感技术、医疗美容、光学通信等领域有广泛的应用前景。

因此，研究Nd：YAG倍频660nm红光激光器具有重要的理论和应用价值。

二、研究内容和研究方法本研究的主要内容是研究Nd:YAG倍频660nm红光激光器的设备结构、性能参数以及光谱特性，并通过搭建实验平台，进行实验验证。

（1）设备结构研究：对Nd:YAG倍频660nm红光激光器的设备结构进行研究，了解其内部构造和元器件的基本性能。

（2）性能参数研究：测量Nd:YAG倍频660nm红光激光器的输出功率、波长、脉宽等性能参数，进一步探究其性能特点及优化方式。

（3）光谱特性研究：通过测量Nd:YAG倍频660nm红光激光器的光谱特性，分析其谱线形状以及有效峰值功率等特性。

研究方法：使用CNC切割机加工各种元器件，搭建Nd:YAG倍频660nm红光激光器实验平台，通过实验测试其性能参数和光谱特性。

同时，还将使用有限元分析软件对其进行模拟分析，并通过对模拟分析数据的分析来进一步优化激光器的性能。

三、研究进度和计划安排目前为前期调研和设备采购阶段，计划年底前完成设备采购和实验平台的搭建。

明年前两个月进行设备结构研究和性能参数研究，三月中旬开始光谱特性研究。

四月进行有限元分析，并对激光器进行性能优化。

Nd:YAG 固体激光器电光调Q、倍频实验一、 实验目的1. 掌握电光调Q 的原理及调试方法；2. 学会电光调Q 装置的调试；3. 掌握相关参数的测量。

二、 实验原理1. 调Q 技术原理调Q 技术中，品质因数Q 定义为腔内贮存的能量与每秒钟损耗的能量之比，可表示为： 每秒钟损耗的激光能量腔内贮存的激光能量02πν=Q （1） 式中0ν为激光的中心频率。

如用E 表示腔内贮存的激光能量，γ为光在腔内走一个单程能量的损耗率。

那么光在这一单程中对应的损耗能量为E γ。

用L 表示腔长；n 为折射率；c 为光速。

则光在腔内走一个单程所需要时间为。

c nL /由此，光在腔内每秒钟损耗的能量为c nL E /γ这样，Q 值可表示为γλπγπν002/2nL nL Ec E Q == （2）式中00/νλc =为真空中激光波长。

可见Q 值与损耗率总是成反比变化的，即损耗大Q 值就低；损耗小Q 值就高。

固体激光器由于存在弛豫振荡现象，产生了功率在阈值附近起伏的尖峰脉冲序列，从而阻碍了激光脉冲峰值功率的提高。

如果我们设法在泵浦开始时使谐振腔内的损耗增大，即提高振荡阈值，振荡不能形成，使激光工作物质上能级的粒子数大量积累。

当积累到最大值（饱和值时），突然使腔内损耗变小，Q 值突增。

这时，腔内会象雪崩一样以极快的速度建立起极强的振荡，在短时间内反转粒子数大量被消耗，转变为腔内的光能量，并在透反镜端耦合输出一个极强的激光脉冲。

在这个过程中，弛豫振荡一般是不会发生的，但是，如果调Q 器件设计及调整得不好也会导致多脉冲出现。

所以，输出光脉冲脉宽窄，峰值功率高。

通常把这种光脉冲称为巨脉冲。

调节腔内的损耗实际上是调节Q 值，调Q 技术即由此而得名。

也成为Q 突变技术或Q 开关技术。

谐振腔的损耗γ一般包括有：54321αααααγ++++= （3）其中1α为反射损耗；α2为吸收损耗；α3为衍射损耗：α4为散射损耗；α5为输出损耗。

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。

实验十八 激光倍频技术及其特性分析【实验目的】1、掌握倍频的基本原理和调试技能；2、了解影响倍频效率的主要因素；3、测量二倍频激光转换效率。

【实验原理】利用某些晶体在强光作用下的非线性效应，使频率为ω的激光通过晶体后，变成频率为2ω或3ω的倍频光，即为倍频技术。

它可用以扩展激光波段。

例如，可将1.06m μ的红外激光二倍频为0.53m μ的可见绿光，这对水下通讯，彩色电视等都很有实用价值的。

1、 物质极化的非线性效应物质由原子组成，原子由带正电的原子核及带负电的电子组成，一般呈中性。

但当光与物质相互作用时，原子的内能并不发生变化，只引起外层电子的位移，产生了电偶极矩,m er m =是偶极矩。

e 是负电中心的电荷量，r 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p Nm =，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，形成了极化波，这种极化场的变化会产生电磁辐射。

一般情况下（就是入射光的场强与原子内的场强相比十分微弱时），极化强度P 与入射光的电场E 成线性关系P xE =。

因此极化场产生的辐射与入射光场有相同的频率。

在强光照射下，物质的极化则表现为非线性的特性，极化强度与入射光场的关系的标量形式为23123P ......x E x E x E =+++ （18-1）式中的1x 、2x 、3x ……分别是线性、二次非线性，三次非线性等的极化系数，并且1x ＞＞2x ＞＞3x ，故在弱电场作用下，只能呈现出线性效应，只有对强电场才能显示出非线性效应。

在激光出现前，这种非线性现象不可能观察到，只有高强度的激光出现后，才观察到了非线性现象。

我们忽略三次以上的非线性效应，现在分两种情况来分析光波场通过非线性晶体时的二次非线性效应。

第一种情况：一列行波通过非线性晶体时的二次非线性效应距波源o 为z 处的任一点s 在t 时刻光波场的振辐可表示为0(,)cos()E z t E t kz ω=- （18-2）式中0E 为光源光波场的振辐，2/,k n πλλ=为波长，n 为晶体折射率。