激光基础——非线性光学 实验步骤

固体激光倍频与和频一、实验目的：1、了解激光倍频的原理和意义；2、了解角度匹配的原理及调节方法；3、掌握KTP晶体（KTiOPO4磷酸氧钛钾）的匹配类型及匹配角度；4、了解KTP晶体匹配角的计算方法；5、掌握倍频效率的测量方法及倍频效率随注入能量的变化规律。

二、实验原理：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，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值减小七八个数量级．由于入射光是变化的．其振幅为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．新的光波中不仅含有入射的基波频率．还有二次谐坡．三次谐波等频率产生，形成能量转栘．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．2．二级非线性光学效应虽然许多介质都可产生非线性效应，但具有中心结构的某些晶体和各向同性介质(如气体)，由于{10-3}式中的偶级项为零,只含有奇级项(最低为三级)，因此要观测二级非线性效应只能在具有非中心对称的一些晶体中进行，如KDP(或KD*P)、LiNO3晶体等。

P1 2 0 2 E1 E2 cos1 2 t k1 k2 z
1 2 P 0 2 E12 E 2 2
0


P
1 2
P
NL
P
21
P
2 2
P
1 2
P
0
上式表明，极化产生的光波不仅有基频光成分，还可能 有倍频光、和频光、差频光和直流分量。但应指出，实际的 出射光波中并不能同时观察到所有频率的光波。两束基频光 波将能量转移到哪个新频率的光波上，还需受到能量守恒和 动量守恒的制约，实际观察到的往往是某一频率的光波。
n10 基频波寻常光的折射率；
n
e 基频波非常光的折射率； 1
0 倍频波寻常光的折射率； n2
e 倍频波非常光的折射率。 n2
基频光只有一种偏振状态，
o o e n2e ( ) n10
称一类相位匹配。 KDP晶体的折射率
例 ：KDP晶 体 ， 10 0.694m，n10 1.505 ，n1e 1.465
实例：LD抽运Nd:YAG腔内倍频蓝光输出
Nd:YAG晶体有1319nm、1064nm 和 946nm 三条主要激光谱线，其 中用于倍频产生蓝光的 946nm 谱 线属于准三能级之间的跃迁，所 以激光振荡阈值比四能级系统大 很多。
(1) 在LD抽运Nd:YAG腔内倍频蓝光激光器中，KN（铌酸钾 ）、 BBO （偏硼酸钡）、 LBO （三硼酸锂）、 BIBO （三硼 酸锂）LiIO3(碘酸锂)等很多晶体都曾别用来作为倍频晶体。
212 2 2 2 k L ) 转换效率为： 2 3 d eff I1 (0) L sinc ( n1 n2c 2
1 n1 2 利用：I E0 2 0c

相干
2012-4-19
wzhuo
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受激辐射：
当原子处于激发态E2时， 如果恰好有能量 E2 —E1
的光子射来，
在入射光子的影响下，原 子会发出一个与入射光子 同样的光子而跃迂到低能 级E1上去，
这种辐射叫做受激辐射。
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wzhuo
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2. 激光（Laser）
激光（Laser）
是指在同一时刻，多大 的尺度范围内光源发出 的光在空间某处合成时 会形成干涉；
对于普通光源，主要是 由于光源大小对光的相 干性的限制。
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最大相干长度
L
= δ max
=
λ2 Δλ
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2）时间相干性
时间相干性存在的原因： （1）微观客体每次发光
的持续时间有限或每次发
射的波列长度l0有限。
（2）任意两列光波一般 并不相干。
light amplification by stimulated emission of radiation
受激辐射光放大的简称。 采用受激辐射的方式，使光放大。
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wzh因斯坦1917年提出自发辐射和受激发射的概 念，1960年造出第一台激光器。
大小分类。
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1、固体激光器
固体激光器 一般讲，固体激光器具有器件小、坚固、
使用方便、输出功率大的特点。这种激光 器的工作介质是在作为基质材料的晶体或 玻璃中均匀掺入少量激活离子，除了前面 介绍用红宝石和玻璃外，常用的还有钇铝 石榴石（YAG）晶体中掺入三价钕离子的 激光器，它发射1060nm的近红外激光。 固体激光器一般连续功率可达100W以 上，脉冲峰值功率可达109W。

激光用非线性光学晶体元件性能测量方法1 范围本文件规定了非线性光学晶体元件低温相偏硼酸钡（β-BaB2O4，简称BBO）、三硼酸锂（LiB3O5，简称LBO）、磷酸二氢钾（KH2PO4，简称KDP）、磷酸钛氧钾（KTiOPO4，简称KTP）、铌酸锂（LiNbO3，简称LN）、硫镓银（AgGaS2，简称AGS）、碘酸钾（KIO3）的质量测试方法。

本文件适用于BBO、LBO、KDP、KTP、LN、AGS和KIO3晶体元件。

能满足本文件要求的其它非线性光学晶体元件也可参照使用。

2 规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。

其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T 11297.1 激光棒波前畸变的测量方法GB/T 16601.4 激光器和激光相关设备激光损伤阈值测试方法第4部分：检查、探测和测量3 主要测试项目物理性能散射、光学不均匀性、特定波长吸收、紫外截止波长、I类相位匹配波长、有效非线性光学系数、倍频转换效率、弱吸收系数、双折射率、激光损伤阈值、减反膜剩余反射率、波前畸变。

加工质量尺寸公差、角度偏差、平行度、平面度、垂直度、有效通光孔径、膜层牢固度、膜层的抗高湿性能、膜层的抗温度冲击、粗糙度、崩边、崩口及崩裂、倒角、表面疵病。

4 测试的环境要求洁净等级：10000级温度：（23±2）℃湿度：（55±5）%5 测试方法散射5.1.1 测试原理利用单晶元件内部的包络、气泡等缺陷对激光束的散射作用，观测单晶元件内部质量。

当激光通过元件的光路被散射变粗或出现发散光，表明元件存在包络、气泡等缺陷。

5.1.2 测试条件样品：单晶元件的激光入射面、出射面及观测面抛光。

环境：在暗室内测量。

5.1.3 测试仪器He-Ne激光器（波长632.8nm，功率40mW～50mW，光斑直径大于等于2mm），三维调节平台，带标尺的50倍显微镜。