激光原理與技術(shù)課程設(shè)計

1、<p>　　激光原理與技術(shù)實訓(xùn) </p><p><b>　　課程設(shè)計說明書</b></p><p>　　題 目 激光原理與技術(shù)課程設(shè)計 </p><p>　　系 (部) 電子與通信工程系 </p><p>　　專業(yè)(班級) 10光電信

2、息工程 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　學(xué) 號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　起止日期 2012年1

3、2月30日—2013年1月6日 </p><p>　　10級激光原理與技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　摘要： 5</p><p>　　1.聲光效應(yīng)實驗：

4、6</p><p>　　1.3.1超聲駐波場中光衍射的實驗觀察 6</p><p>　　1.3.2 觀察超聲駐波場的像，測量聲波的傳播速度。 7</p><p>　　1.3.3 超聲駐波衍射光強(qiáng)的測量

5、 衍射效率 8</p><p>　　1.3.4 衍射光強(qiáng)分布的測量 光柵常數(shù) 8</p><p>　　3.Nd：YAG激光器調(diào)腔實驗

6、 12</p><p>　　4.Nd：YAG激光器調(diào)Q實驗 17</p><p>　　5.Nd：YAG激光器倍頻實驗 21</p><p>　　6.晶體的電光效

7、應(yīng)實驗 23</p><p>　　7 總結(jié)與體會： 26</p><p>　　8注意事項：

8、 26</p><p>　　參考文獻(xiàn) 27</p><p><b>　　摘要：</b></p><p>　　在本次課程設(shè)計中，我們做了以下幾個實驗：晶體的電光效應(yīng)實驗、

9、聲光效應(yīng)實驗、YAG激光器調(diào)腔實驗、YAG激光器調(diào)Q實驗、YAG激光器倍頻實驗和氦氖激光器調(diào)腔及其性能研究實驗。在試驗中，我們了解了LN晶體的一次電光效應(yīng)特性和電廠對晶體的作用機(jī)理。知道了布拉格衍射的實驗條件和特點(diǎn)，并通過對聲光器件衍射效率和帶寬等的測量，加深了對其概念的理解。熟悉了固體激光器的裝配和調(diào)試方法和其主要性能。了解了氦氖激光器的結(jié)構(gòu)和工作原理及其調(diào)諧技巧。從實驗的結(jié)果來看，大體符合理論的結(jié)果，但由于試驗中的誤差，也有一些結(jié)果

10、不太精確。</p><p>　　關(guān)鍵詞：電光效應(yīng) 聲光效應(yīng) YAG 氦氖激光器 </p><p><b>　　聲光效應(yīng)實驗：</b></p><p><b>　　1.1實驗?zāi)康模?lt;/b></p><p>　　觀察聲光相互作用現(xiàn)象。</p><p>　　知道布喇格衍

11、射的實驗條件和特點(diǎn)。</p><p>　　通過對聲光器件衍射效率和帶寬等的測量，加深對其概念的理解。</p><p>　　學(xué)會測量聲光偏轉(zhuǎn)和聲光調(diào)制曲線。</p><p><b>　　1.2實驗原理：</b></p><p>　　聲波是一種彈性波（縱向應(yīng)力波），在介質(zhì)中傳播時，它使介質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)的彈性形變，從而激起介質(zhì)中各

12、質(zhì)點(diǎn)沿聲波的傳播方向振動，引起介質(zhì)的密度呈疏密相間的交替變化，因此，介質(zhì)的折射率也隨著發(fā)生相應(yīng)的周期性變化。超聲場作用的這部分如同一個光學(xué)的“位相光柵”，該光柵間距（光柵常數(shù)）等于聲波波長λs。與普通光柵相比，其不同在于不存在不透光部分，每一部分都有光透過，但其折射率不同。當(dāng)光波通過此介質(zhì)時，就會產(chǎn)生光的衍射。其衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向等都隨著超聲場的變化而變化。這就是聲光效應(yīng)。</p><p>　　1.3實驗內(nèi)

13、容與步驟：</p><p>　　1.3.1超聲駐波場中光衍射的實驗觀察</p><p><b>　　按照圖7塔好光路；</b></p><p>　　開啟激光電源，點(diǎn)亮激光器；</p><p>　　令激光束垂直于聲光介質(zhì)的通光面入射，觀察屏上的光點(diǎn)，可觀察到三個光點(diǎn)，它們分別由透射光以及聲光介質(zhì)兩個通光面反射并進(jìn)一步經(jīng)激光

14、器輸出鏡反射的光線形成，如圖8所示，當(dāng)此三個光點(diǎn)在觀察屏上處于與聲傳播方向相同的一條直線上即可，這時可認(rèn)為入射光已垂直于聲傳播方向。(但如果反射回來的光又進(jìn)入激光器，會引起激光器工作不穩(wěn)定。)</p><p>　　開啟聲光調(diào)制器驅(qū)動源，觀察衍射光斑，同時調(diào)節(jié)阻抗匹配磁芯，令衍射最強(qiáng)，觀察衍射光斑形狀。</p><p>　　改變聲光調(diào)制器的方位角，觀察不同入射角情況下的衍射光斑。</p

15、><p>　　1.3.2 觀察超聲駐波場的像，測量聲波的傳播速度。</p><p>　　在圖9中移開透鏡，重復(fù)實驗內(nèi)容(一)的步驟，令觀察屏上的衍射光點(diǎn)最多。</p><p>　　如圖9安上透鏡和光闌，改變透鏡與調(diào)制器之間的位置，用光闌限定聲光調(diào)制器前表面入射光斑的尺寸。</p><p>　　當(dāng)入射光充滿通光面時，數(shù)出衍射條紋的數(shù)目N，利用下式計

16、算聲光介質(zhì)中的聲速Ⅴ。</p><p><b>　　V=df/2N</b></p><p>　　式中d=2.5mm 是光斑直徑， f=10MHz為超聲波的頻率。</p><p>　　1.3.3 超聲駐波衍射光強(qiáng)的測量 衍射效率</p><p>　　如圖10搭好實驗儀器，重復(fù)實驗內(nèi)容（一）的步驟，令觀察屏上的衍射光點(diǎn)最多

17、。</p><p>　　移開觀察屏，用激光功率計測出入射光強(qiáng) </p><p>　　利用光闌分別讓0，1，2，3…級衍射光打到激光功率計的光敏面上，測出各級衍射光的強(qiáng)度，衍射效率為</p><p>　　改變驅(qū)動電壓，測出對應(yīng)的衍射效率，作出各級光的衍射效率與驅(qū)動電壓的關(guān)系曲線。</p><p>　　1.3.4 衍射光強(qiáng)分布的測量 光柵常數(shù)&l

18、t;/p><p>　　1、如圖11搭好實驗儀器，重復(fù)實驗內(nèi)容（一）的步驟，令觀察屏上的衍射光點(diǎn)最多。</p><p>　　2、將光強(qiáng)分布測量系統(tǒng)置于導(dǎo)軌另一端。</p><p>　　3、用適當(dāng)?shù)墓怅@測量各點(diǎn)上的光強(qiáng)，繪出光強(qiáng)分布曲線。</p><p>　　4、讀出聲光調(diào)制器距光闌的距離。</p><p>　　5、利用光柵公

19、式求出光柵常數(shù)。并與實驗內(nèi)容（二）進(jìn)行比較，求出聲波傳播速度。</p><p>　　激光波長635nm。</p><p>　　1.3.5 衍射光強(qiáng)波形的測量</p><p>　　重復(fù)實驗內(nèi)容（一）的步驟，令觀察屏上的衍射光點(diǎn)最多。</p><p>　　如圖12，用光電接收器分別接收不同級衍射光，改變驅(qū)動功率，用示波器觀察調(diào)制光強(qiáng)波形。<

20、/p><p>　　分析驅(qū)動功率與衍射光強(qiáng)波形的關(guān)系。</p><p><b>　　1.4實驗結(jié)果：</b></p><p>　　2．氦氖激光器調(diào)腔及其性能研究實驗</p><p><b>　　2.1實驗?zāi)康模?lt;/b></p><p>　　了解He－Ne激光器的結(jié)構(gòu)和工作原理；&l

21、t;/p><p>　　掌握He－Ne激光器的調(diào)諧技巧；</p><p>　　研究He－Ne激光器的工作電流、腔長、腔型與其輸出特性的關(guān)系。 </p><p><b>　　2.2實驗原理：</b></p><p>　　氦氖激光器因激光管中充有按一定比例混合的氦氣和氖氣而得名。輸出633nm的紅色激光是由氖原子的兩個激發(fā)態(tài)之間的

22、受激輻射產(chǎn)生的。氦原子作為一種輔助氣體，在將氖原子激發(fā)到高能級并實現(xiàn)兩個能級間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)起著重要作用。</p><p>　　2.3實驗內(nèi)容與步驟：</p><p>　　2.3.1激光器的安裝與諧振腔的調(diào)諧：</p><p>　　搭制實驗光路，用一束半導(dǎo)體激光對系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)直，調(diào)整半內(nèi)腔激光器的反射鏡，使反射鏡盡量垂直于毛細(xì)管，減少光在腔內(nèi)的傳輸損耗，產(chǎn)生激光。觀察反

23、射鏡失調(diào)對激光的影響。</p><p><b>　?。ˋ）激光器的安裝</b></p><p>　　將導(dǎo)軌放置在一個穩(wěn)定堅固的平臺上。</p><p>　　將He-Ne 激光器及四維調(diào)整架放置在導(dǎo)軌的一端，布氏窗朝向?qū)к壍牧硪欢?，鎖緊滑塊上的兩個螺釘，使激光器與導(dǎo)軌緊固連接。</p><p>　　將半導(dǎo)體激光器（LD）及

24、二維調(diào)整架放置在導(dǎo)軌的另一端，激光束指向He-Ne激光器，鎖緊滑塊上的螺釘，將半導(dǎo)體激光器固定在導(dǎo)軌上，并將電源線插入功率指示計上LD插孔。</p><p>　　緊靠LD放置小孔光闌屏并鎖緊滑塊上的螺釘。</p><p>　　在小孔光闌屏與He-Ne激光器之間放置一個滑塊用以放置He-Ne激光器的反射鏡。</p><p>　　將He-Ne激光器的高壓電源線與He-N

25、e激光器的電源可靠連接。</p><p>　　在確定He-Ne激光電源開關(guān)處于“關(guān)”狀態(tài)后，將功率指示器和激光電源與220V電源相連。</p><p><b>　　(B)激光器的調(diào)試</b></p><p>　　激光器的調(diào)試主要是調(diào)整He-Ne激光器與反射鏡的相對位置關(guān)系，只有當(dāng)諧振腔的兩個反射鏡均以激光器毛細(xì)管相垂直時，激光才有可能產(chǎn)生，本實

26、驗的調(diào)試過程主要是用一束半導(dǎo)體激光作為基準(zhǔn)，用自準(zhǔn)直的方法使激光諧振腔達(dá)到諧振條件，產(chǎn)生He-Ne激光。</p><p>　　本實驗裝置采用半內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，一個全反射鏡與激光工作物質(zhì)構(gòu)成一體，并在出廠前已調(diào)至同毛細(xì)管垂直。</p><p>　　1） 打開功率指示計的電源，LD發(fā)出激光。</p><p>　　調(diào)整LD的高度和方向，同時調(diào)整小孔屏的高度和位置，使通過小孔的激

27、光可打在He-Ne激光器的布氏窗中心區(qū)域。</p><p>　　前后滑動小孔屏，并注意光斑在布氏窗上的位置，并反復(fù)調(diào)整LD和小孔光欄屏方向和位置，以使小孔屏在前后滑動的過程中，光斑始終位于布氏窗片的中心區(qū)域。這時LD激光束基本上與導(dǎo)軌平行，我們將以這條激光束作為基準(zhǔn)來調(diào)整諧振腔。在實驗過程中這個基準(zhǔn)不應(yīng)再變動。</p><p>　　通過激光器的玻璃外殼，我們會看到這束LD激光是否進(jìn)入了毛細(xì)

28、管（這時 He-Ne激光器光源應(yīng)處于“關(guān)”狀態(tài)，以便于觀察）。調(diào)整布氏窗這端的二維調(diào)整架，使LD光束進(jìn)入毛細(xì)管，這時我們應(yīng)可在小孔光闌屏上看見從He-Ne激光管的另一端反射鏡反射回來的光，一般為環(huán)形，盡量使之明亮。</p><p>　　反復(fù)調(diào)整He-Ne激光管前后端的兩個二維調(diào)整架，小孔光欄屏上的反射光的強(qiáng)度和形狀也隨之變化，盡量使這個環(huán)形光斑變小、變強(qiáng)并成為一個亮點(diǎn)重合于小孔。此時可認(rèn)為毛細(xì)管基本與LD激光束（

29、基準(zhǔn)）相重合，全反射鏡與LD激光束垂直。</p><p>　　在He-Ne激光器與小孔光闌屏之間的滑塊上，裝置He-Ne激光器的另一個反射鏡和二維精密調(diào)整架，調(diào)整反射鏡架的高度使LD光斑落在反射鏡的中心位置上，鎖緊反射鏡架和滑塊。</p><p>　　調(diào)整反射鏡架上的兩個調(diào)整螺釘，使該反射鏡反射回小孔屏上的光斑落于小孔中心。</p><p>　　用脫脂棉和丙酮擦拭布

30、氏窗（視清潔程度而定，不必每次都做）。</p><p>　　打開He-Ne激光電源，激光管亮。調(diào)整電流到5.5mA左右。（不可過大以免損壞激光管和電源）。</p><p>　　這時應(yīng)有He-Ne激光輸出。如沒有，請仔細(xì)調(diào)整反射鏡上的兩個調(diào)整釘，直到有He-Ne激光輸出為止。</p><p>　　將功率計探頭放入光路，探測He-Ne激光器的輸出功率，反復(fù)仔細(xì)的微調(diào)反射

31、鏡上的兩個調(diào)整螺釘，以使功率達(dá)到最大。激光腔的調(diào)試即告完成。</p><p>　　2.3.2 He-Ne激光器輸出功率與電流的關(guān)系曲線的測定</p><p>　　1） 如前所述，調(diào)好激光器使輸出功率最大。</p><p>　　2） 將He-Ne激光器泵浦電源的電流調(diào)至最低，將功率指示器探頭置于He-Ne激光器輸出端。</p><p>　　3）

32、 逐步等間隔改變工作電流，記錄相應(yīng)電流下He-Ne激光器的輸出功率（注意在大電流時，工作時間不可過長。）</p><p>　　4） 作出輸出功率與電流的關(guān)系曲線，總結(jié)其規(guī)律。</p><p>　　2.3.3腔長對He-Ne激光器輸出特性影響的研究</p><p>　　1） 松開反射鏡架滑塊上的螺釘，移動反射鏡，在適當(dāng)位置上重新鎖緊，以改變諧振腔的腔長和腔型。<

33、/p><p>　　2） 重復(fù)諧振腔調(diào)整中的必要步驟，并觀察不同位置時光斑的形狀、大小，光束的發(fā)散角、功率、縱模（使用F-P掃描干涉儀）和增益曲線，以了解腔長、腔型和橫模、縱模、光斑直徑、發(fā)散角、功率、閾值等之間的相互關(guān)系。</p><p><b>　　2.5實驗結(jié)果：</b></p><p>　　氦氖激光器調(diào)腔及其性能研究</p>&

34、lt;p>　　腔長一定L=33cm工作電流I/（mA）） 4 5 6 7 8</p><p>　　輸出功率P/（uW） 51 76.5 87 93 90</p><p>　　工作電流一定I=8mA腔長L/（cm） 27 、 28.5 、 33、 38</p><p>　　輸出功率P/（uW）160 、

35、116 、 90、 73</p><p>　　3.Nd：YAG激光器調(diào)腔實驗</p><p><b>　　3.1實驗?zāi)康模?lt;/b></p><p>　　掌握固體激光器的裝配和調(diào)試方法；</p><p>　　熟悉脈沖固體激光器的主要性能；</p><p>　　學(xué)會選取最佳輸出耦合條件。</

36、p><p><b>　　3.2實驗原理：</b></p><p>　　1．Nd3+：YAG（摻釹釔鋁石榴石）晶體的光譜及物化特性：</p><p>　　Nd3+：YAG晶體是以釔鋁石榴石晶體（簡稱YAG，分子式為Y3Al3O12）為基質(zhì)，摻雜適量的三價稀土元素釹離子（Nd3+）構(gòu)成的，其中Nd3+置換YAG中的部分釔離子（Y3+），晶體呈淡紫色。N

37、d3+是激活離子，從提高工作物質(zhì)的增益來看，其濃度應(yīng)越大越好，但由于Nd3+的半徑（1.323）大于Y3+的半徑（1.281），將Nd3+摻入YAG中有結(jié)構(gòu)上的困難，其濃度過大會造成材料的缺陷，因此Nd3+的摻雜濃度通常嚴(yán)格控制在0.5%~1.5%。一般Nd3+的含量為1%左右（即100個Y3+中約有一個被Nd3+所取代），即Nd3+的密度約為1.38×1020cm-3。Nd3+：YAG屬于立方晶體系，是各向同性晶體，在實際生

38、產(chǎn)過程中是將Al2O3、Y2O3和Nd2O3按一定比例放入單晶爐中溶化，沿著籽晶[111]或[001]方向拉制而成的。Nd3+：YAG的物理和化學(xué)性質(zhì)主要取決于YAG的性質(zhì)，具有良好的導(dǎo)熱性能和很大的硬度。</p><p>　　Nd3+：YAG的激活離子Nd3+的能級圖如圖1所示。在常態(tài)下4I9/2為基態(tài)， 4F7/2+4S3/2，4F5/2+2H9/2，4F3/2等為激發(fā)態(tài)，Nd3+處在4I11/2和4I13/

39、2的離子數(shù)近于零。</p><p>　　Nd3+：YAG的吸收譜如圖2所示。它有五條主要吸收帶，這些吸收帶的中心波長分別是0.53μm、0.58μm、0.75μm、0.81μm和0.87μm，其中0.81μm的吸收帶較強(qiáng)。在各激發(fā)態(tài)中，Nd3+在4F3/2能級上的壽命較長（約230μs），稱之為亞穩(wěn)態(tài)，也是激光的上能級。Nd3+其余的激發(fā)態(tài)的壽命都很短，而不穩(wěn)定，迅速地?zé)o輻射躍遷到4F3/2上，故在亞穩(wěn)態(tài)上能夠積

40、累更多的粒子。在實現(xiàn)激光躍遷時主要有三條譜線：4F3/2→4I9/2的中心波長為0.946μm，4F3/2→4I11/2為1.064μm，4F3/2→4I13/2為1.32μm和1.34μm。4I11/2和4I13/2能級上的粒子很不穩(wěn)定，很快馳豫到基態(tài)4I9/2上，故在4I11/2和4I13/2上的粒子數(shù)基本上為零。因此在4I3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2之間較容易實現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布。其中1.06μm的熒光譜線最強(qiáng)，

41、在激光振蕩過程中由于粒子數(shù)競爭，4F3/2→4I11/2的躍遷幾率最大，可以抑制其它譜線的振蕩，這樣就構(gòu)成了激發(fā)態(tài)→亞穩(wěn)態(tài)（激光上能級4F3/2）→激光下能級4I11/2的四能級系統(tǒng)。</p><p>　　2．固體激光器基本結(jié)構(gòu)　</p><p>　　本實驗所用的實驗裝置如圖3所示，其中Nd3+：YAG激光器為長脈沖固體激光器，主要包括如下三個部分：</p><p>

42、;<b>　　工作物質(zhì)　</b></p><p>　　本實驗選用Nd3+：YAG激光晶體棒為工作物質(zhì)。為了保證激光器的高效穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，所用Nd3+：YAG激光棒應(yīng)具有如下特性：</p><p>　　光學(xué)均勻性好，無氣泡、條紋等；</p><p>　　兩端面的平行度誤差小于10″，端面平面度小于1/2光圈；</p><p>

43、　　棒的側(cè)面要打毛以利于均勻吸收泵浦光的能量和減少寄生振蕩；</p><p>　　兩端面鍍增透膜，以防自激振蕩的產(chǎn)生；</p><p>　　棒的長度與直徑之比在10：1~20：1之間選取 </p><p>　　圖1 Nd3+：YAG晶體的能級結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖2 Nd3+：YAG晶體在300K時的吸收譜</p>

44、<p>　　圖3 長脈沖Nd3+：YAG激光器裝置示意圖</p><p><b>　　激光諧振腔　</b></p><p>　　通常選用平行平面腔，它是由兩個鍍有干涉介質(zhì)膜層的光學(xué)玻璃片（也稱為膜片或腔鏡）組成的，其中一個腔鏡是全反射鏡，鍍1.064μm的全反射膜（反射率應(yīng)大于99.9%），另一個膜片鍍對1.064μm的光有一定反射率的部分反射鏡。對鍍膜的

45、玻璃基片的光學(xué)要求與對激光棒的精度要求相同，其形狀和大小可根據(jù)使用要求而定。平行平面腔可以看作是曲率半徑為無窮大的球面腔，滿足g1g2=1，屬于介穩(wěn)腔。平行平面腔的特點(diǎn)是調(diào)整精度高、模體積大，需要仔細(xì)調(diào)整激光諧振腔。</p><p><b>　　泵浦源系統(tǒng)　</b></p><p>　　泵浦源系統(tǒng)的作用是為工作物質(zhì)達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布提供必要的能量，并控制激光器按使用要

46、求正常運(yùn)轉(zhuǎn)。它主要由泵浦光源、聚光腔和電氣系統(tǒng)組成。</p><p>　　目前常用的泵浦光源有惰性氣體燈（氙燈、氪燈）、鹵化物燈、半導(dǎo)體激光器等。其中氙燈和氪燈不僅輻射強(qiáng)度和輻射效率高，而且具有較寬的發(fā)射譜帶，并與Nd3+：YAG等吸收譜有較好的匹配，通常脈沖激光器選用氙燈，連續(xù)激光器則選用氪燈。半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器是近年來發(fā)展起來的一種新型激光器件，其利用輸出波長與激光晶體的某一吸收峰對應(yīng)的半導(dǎo)體激光作為泵

47、浦源，具有體積小、效率高的優(yōu)點(diǎn)。對于Nd3+：YAG晶體，泵浦光波長一般選808nm。本實驗中選用脈沖氙燈對激光棒進(jìn)行泵浦，其一般由燈管、充入的氣體和電極所構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。燈管是由耐高溫、機(jī)械性能和透光性能好石英玻璃制做的。如果在石英玻璃中摻入適量的鈰，還可吸收小于0.30μm的紫外光，并能產(chǎn)生0.40~0.60μm的熒光，可大大減小工作物質(zhì)的熱效應(yīng)，提高泵浦效率。燈的電極通常是用釷鎢、鋇鎢、鈰鎢等制成。燈管和電極之間用過渡玻璃直

48、接封接或氣泡封接，管內(nèi)充入適量的氙氣。</p><p>　　泵浦燈的工作過程是：先給貯能電容器充電至某一電壓、此電壓應(yīng)大于燈的點(diǎn)火電壓，小于其自閃電壓。然后用一個萬伏以上的脈沖高壓觸發(fā)之，使其內(nèi)部氣體電離，在燈兩電極間的電場作用下，正負(fù)離子沿相反方向做加速運(yùn)動，又激發(fā)和電離其它原子，進(jìn)而形成雪崩式電離。燈內(nèi)的阻值瞬間由原來的無窮大突然變得很小，造成導(dǎo)電通道，貯能電容器通過燈管內(nèi)放電，使燈發(fā)出閃光。燈的觸發(fā)方式有兩

49、種：外觸發(fā)式――脈沖高壓通過繞在燈管上的觸發(fā)絲來觸發(fā)泵浦燈；內(nèi)觸發(fā)式――脈沖高壓直接通過燈的電極來觸發(fā)泵浦燈。為了提高轉(zhuǎn)換效率和泵浦燈的使用壽命，常采用預(yù)燃或準(zhǔn)預(yù)燃方式。預(yù)燃式電源的結(jié)構(gòu)如圖4所示。</p><p>　　圖4 預(yù)燃式電源原理示意圖</p><p>　　電氣系統(tǒng)的作用是為光泵提供能量，控制整機(jī)按設(shè)計要求正常運(yùn)轉(zhuǎn)，其主要部分就是貯能電容器的充、放電回路和觸發(fā)電路，或再加上

50、控制回路、乃至預(yù)燃和調(diào)制電路等。在圖4所示的預(yù)燃式電源中包括了充放電電路、預(yù)燃電路和觸發(fā)電路，燈一經(jīng)觸發(fā)，它便可維持其小電流（約100~200mA）輝光放電。然后控制開關(guān)元件（通常采用可控硅）按要求重復(fù)工作，而不需要再行觸發(fā)。此類裝置必須配備冷卻系統(tǒng)。</p><p>　　聚光腔的作用是將脈沖氙燈發(fā)出的，對工作物質(zhì)激光上能級實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布有貢獻(xiàn)的光波，有效地會聚到工作物質(zhì)上，以提高泵浦效率。本實驗采用脈沖氙燈

51、側(cè)面泵浦激光晶體，因此對側(cè)面泵浦所用的聚光腔作以簡介。這種聚光腔的種類較多，如單橢圓柱面腔、雙橢圓柱面腔、相交圓柱面腔和緊包腔等。為了提高聚光效率，在腔內(nèi)反射面拋光后需鍍上高反射膜層（如鍍金、銀、鋁等金屬膜），或采用具有高反射率的陶瓷或聚四氟乙烯。本實驗裝置采用聚四氟乙烯緊包腔。</p><p>　　3．激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)特性　</p><p>　　在脈沖氙燈發(fā)出的泵浦光的作用下，Nd3+：YA

52、G晶體被激發(fā)，可實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，并產(chǎn)生受激輻射。腔內(nèi)產(chǎn)生的光子在激光器諧振腔的作用下往返得到放大，腔內(nèi)光子數(shù)急劇增加。當(dāng)腔內(nèi)的增益能夠補(bǔ)償由于腔鏡的透射、衍射及工作物質(zhì)的吸收、散射等因素所造成的損耗時，就可以形成激光振蕩。此條件稱為激光器的閾值條件，或稱為臨界振蕩條件。理論上可以推導(dǎo)閾值增益系數(shù)應(yīng)滿足如下條件：</p><p><b>　?。?）</b></p><p

53、>　　其中為閾值增益系數(shù)，?i是腔內(nèi)除去輸出損耗外的其它腔內(nèi)損耗系數(shù)，R為輸出腔鏡的反射率，l為工作物質(zhì)的長度?？梢姡瑢崿F(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布并不一定能形成激光振蕩，還必須滿足閾值條件。理論分析得到，四能級系統(tǒng)脈沖激光器的閾值能量為</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　其中VR為激活介質(zhì)的體積；h為普朗克常數(shù)；?p為激光頻率；ηL為電能轉(zhuǎn)換

54、為有效光能的效率；ηc為聚光腔的聚光效率；ηab為工作物質(zhì)的吸收效率，η1是吸收能級向激光上能級無輻射躍遷的量子效率?？梢姡す馄鞯拈撝的芰颗c很多環(huán)節(jié)有關(guān)。</p><p>　　4．最佳輸出耦合條件的選取　</p><p>　　所謂最佳輸出耦合條件是指在一定輸出能量的情況下獲得最大激光輸出的輸出腔鏡透過率條件。理論分析得出，最佳透過率Top應(yīng)滿足下式關(guān)系</p><p&

55、gt;<b>　?。?）</b></p><p>　　可見，最佳透過率與工作物質(zhì)的l, 腔內(nèi)的總損耗?i，小信號增益系數(shù)G0(?21)有關(guān)。但這些只是定性的分析，在實際應(yīng)用中，除憑經(jīng)驗粗略選取外，必須通過實驗來確定。在要求不嚴(yán)格的情況下，Nd3+：YAG的連續(xù)器件的透過率一般選為5%~20%，脈沖器件的透過率一般選為50%~80%。</p><p>　　5．固體激光器

56、的模式匹配技術(shù)</p><p>　　圖5是典型的平凹腔型結(jié)構(gòu)圖。激光晶體的一面鍍泵浦光增透和輸出激光全反膜，并作為輸入鏡，鍍輸出激光一定透過率的凹面鏡作為輸出鏡。這種平凹腔容易形成穩(wěn)定的輸出模，同時具有高的光光轉(zhuǎn)換效率，但在設(shè)計時必須考慮到模式匹配問題。</p><p>　　圖 5 端面泵浦的激光諧振腔形式</p><p>　　如圖 所示，則平凹腔中的g參數(shù)表示為：

57、</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　根據(jù)腔的穩(wěn)定性條件，時腔為穩(wěn)定腔。故當(dāng)時腔穩(wěn)定。</p><p>　　同時容易算出其束腰位置在晶體的輸入平面上，該處的光斑尺寸為：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　R1為平面，R

58、2，L已知。由此可以算出大小。</p><p>　　所以，泵浦光在激光晶體輸入面上的光斑半徑應(yīng)該，這樣可使泵浦光與基模振蕩模式匹配，在容易獲得基模輸出。</p><p>　　3.3實驗內(nèi)容與步驟：</p><p><b>　　1．激光器的裝調(diào)</b></p><p>　　(1)連接好所有電纜（除晶體高壓），插上電源插頭，

59、檢查電源輸出正極接線端子（POS）和負(fù)極接線端子（NEG）是否連接正確。確定水泵及其控制線連接完好。</p><p>　　(2)仔細(xì)調(diào)節(jié)與Nd:YAG激光器同軸的He-Ne激光器，使He-Ne激光通過激光棒兩個端面中心，如圖8所示。為了保證激光器的調(diào)整精度，He-Ne激光器應(yīng)距Nd：YAG激光器2米以上。若He-Ne激光器不與實驗臺平行，則需首先調(diào)整He-Ne激光器的高低和俯仰并使其水平。</p>

60、<p>　　(3)將全反射和輸出鏡分別裝在調(diào)整架上，調(diào)節(jié)各自的調(diào)整架，使He-Ne光束盡量通過兩腔鏡的中心，并使He-Ne光束由全反鏡、激光晶體和輸出鏡反射后到達(dá)He-Ne激光器上的三個反射光點(diǎn)重合。</p><p>　　(4)檢查激光器的電源與激光頭之間以及激光頭和水箱之間的連接是否正確以及激光電源的多圈電位計逆時針旋至最小。一切檢查無誤后打開激光電源的鑰匙開關(guān)，檢查水冷系統(tǒng)工作是否正常。</p

61、><p>　　(5)在水冷系統(tǒng)正常工作的前提下，按下激光器預(yù)燃開關(guān)，預(yù)燃指示燈亮。按下激光器啟動開關(guān)，“START”鍵亮。順時針方向旋轉(zhuǎn)可變電位器，此時可以看到激光電源顯示的電壓值逐漸變大。當(dāng)激光電源顯示電壓值達(dá)到500V時，用感光相紙在激光器輸出鏡后接光斑。若此時沒有激光輸出，繼續(xù)增大激光電源電壓。若激光電源電壓增大至850V時仍無激光輸出，需要再次微調(diào)激光器的全反鏡和輸出鏡（微調(diào)?。?，至使輸出激光在感光相紙上打出

62、光斑。</p><p>　　(6)在激光器輸出激光后，繼續(xù)微調(diào)激光器的全反鏡和輸出鏡，直到打到相紙上的激光光斑均勻、圓整，然后減小激光器電壓至激光器剛能出光，此時注入的泵浦能量為激光器的閾值能量。</p><p>　　輸出鏡 激光晶體 全反鏡 He-Ne激光器</p><p>　　圖8 激光器光路調(diào)

63、整示意圖</p><p>　　2．激光器輸出輸入曲線的測定：</p><p>　　在激光諧振腔調(diào)整完成后，開始測量激光器的輸出輸入曲線。將激光電源工作狀態(tài)設(shè)定為單次工作，并在激光器輸出光路上放置激光能量計。</p><p>　　改變激光電源電壓，分別測量激光電源電壓為500V、600V、700V、800V和900V時的輸出能量值（若時間允許，可間隔50V測量）。每個

64、電壓處測量3次并取輸出能量的平均值作為輸出能量值。</p><p>　　繪出激光器的輸入電壓－輸出能量曲線，或輸入能量輸出能量曲線（激光器充電電容為100μF）。</p><p>　　3．最佳透過率的測定</p><p>　　(1) 保持激光晶體和全反鏡不變，取下輸出鏡膜片，并換用另一種透過率的輸出鏡膜片，按上述實驗步驟將激光器調(diào)整到最佳輸出狀態(tài)（主要是微調(diào)輸出鏡）

65、。改變激光電源的電壓，測量激光電源電壓為500V、600V、700V、800V和900V時的輸出輸入曲線。利用同樣方法可以測量激光器在其它輸出鏡透過率情況下的輸出輸入曲線。</p><p>　　(2) 根據(jù)步驟(1)的實驗結(jié)果，當(dāng)激光器的輸入能量（輸入電壓）在某一固定值的情況下，激光器的輸出能量有一最佳值。分析不同輸入電壓情況下的最佳透過率。</p><p>　　(3) 關(guān)機(jī)順序為：先把手

66、動開關(guān)斷開，關(guān)掉預(yù)燃，最后關(guān)電鑰匙。</p><p><b>　　3.4實驗結(jié)果：</b></p><p>　　4.Nd：YAG激光器調(diào)Q實驗</p><p><b>　　4.1實驗?zāi)康模?lt;/b></p><p>　　了解利用晶體線性電光效應(yīng)實現(xiàn)激光調(diào)Q的原理；</p><p&g

67、t;　　熟悉主動和被動調(diào)Q固體激光器的結(jié)構(gòu)，并掌握其調(diào)試技術(shù)；</p><p>　　了解電光晶體的開關(guān)效率和延遲特性；</p><p>　　掌握調(diào)Q激光器輸出能量、脈沖寬度的測量方法。</p><p><b>　　4.2實驗原理：</b></p><p>　　調(diào)Q技術(shù)是獲得短脈沖高峰值功率激光輸出的重要方法。一般情況下，

68、自由運(yùn)轉(zhuǎn)的脈沖激光器輸出的激光脈沖的脈寬在幾百μs～幾ms之間，峰值功率也較低。為了獲得高峰值功率的激光輸出，人們發(fā)明了調(diào)Q技術(shù)。</p><p>　　1、激光器調(diào)Q的概念 </p><p>　　激光器的Q值又稱品質(zhì)因數(shù)，是表征激光諧振腔的腔內(nèi)損耗一個重要參數(shù)，其定義為腔內(nèi)貯存的能量與每秒鐘損耗的能量之比：</p><p><b>　?。?）</b

69、></p><p>　　式中為激光的中心頻率。</p><p>　　假定腔內(nèi)貯存的激光能量為E，光在腔內(nèi)走一個單程能量的損耗率為，則光在一個單程中對應(yīng)的損耗能量為。如果諧振腔長度為L,，則光在腔內(nèi)走一個單程所需時間為nL/c, 其中n為折射率,c為光速。因此光在腔內(nèi)每秒鐘損耗的能量為，Q值可表示為</p><p><b>　?。?）</b>

70、;</p><p>　　式中為真空中激光波長。由公式（2）可知，Q值與損耗率成反比變化，即損耗大Q值就低，損耗小Q值就高。</p><p>　　由于固體激光器存在弛豫振蕩現(xiàn)象，產(chǎn)生了功率在閾值附近起伏的尖峰脈沖序列，從而阻礙了激光脈沖峰值功率的提高。如果我們設(shè)法在泵浦開始時使諧振腔內(nèi)的損耗增大，即提高振蕩閾值，使振蕩不能形成，激光工作物質(zhì)上能級的粒子數(shù)大量積累。當(dāng)積累到最大值（飽和值時），

71、突然使腔內(nèi)損耗變小，Q值突增。這時腔內(nèi)會像雪崩一樣以極快的速度建立起極強(qiáng)振蕩，在短時間內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大量被消耗，轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)的光能量，并在輸出鏡端輸出一個極強(qiáng)的激光脈沖，其脈寬窄（10-6~10-9s量級），峰值功率高（大于MW），通常把這種光脈沖稱為巨脈沖。由于調(diào)節(jié)腔內(nèi)的損耗實際上是調(diào)節(jié)Q值，因此這種產(chǎn)生巨脈沖的技術(shù)被稱為調(diào)Q技術(shù)，也稱為Q開關(guān)技術(shù)。</p><p>　　諧振腔的損耗一般包括有反射損耗、吸收損耗、衍

72、射損耗、散射損耗和輸出損耗等。用不同的方法去控制不同的損耗就形成了不同的調(diào)Q技術(shù)，如控制反射損耗的有轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q技術(shù)和電光調(diào)Q技術(shù)，控制吸收損耗的可飽和吸收體調(diào)Q技術(shù)、控制衍射損耗的聲光調(diào)Q技術(shù)、控制輸出損耗的透射式調(diào)Q技術(shù)等。</p><p>　　本實驗主要研究燈泵固體激光器的電光調(diào)Q技術(shù)，所用的Q開關(guān)利用晶體的電光效應(yīng)制成，具有開關(guān)速度快、脈沖峰值功率高、脈沖寬度窄、器件輸出功率穩(wěn)定性較好等優(yōu)點(diǎn)，是一種已獲廣泛應(yīng)

73、用的調(diào)Q技術(shù)。另外，本實驗也簡單了解可飽和吸收體調(diào)Q技術(shù)。</p><p>　　2、電光調(diào)Q的基本原理</p><p>　?。?）KDP晶體的縱向電光效應(yīng)：</p><p>　　本實驗所用的電光晶體為KDP晶體，屬于四方晶系晶類，光軸C與主軸z重和，未加電場時，在主軸坐標(biāo)系中KDP晶體的折射率橢球方程為：</p><p><b>　

74、?。?）</b></p><p>　　其中no、ne分別為尋常光和異常光的折射率。加電場后，由于晶體對稱性的影響，晶類只有、兩個獨(dú)立的線性電光系數(shù)。是電場方向平行于光軸的電光系數(shù)，是電場方向垂直于光軸的電光系數(shù)。KDP晶體外加電場后的折射率橢球方程是：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　當(dāng)只在KDP晶體

75、光軸z方向加電場時上式變成：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　經(jīng)坐標(biāo)變換，可求出此時在三個感應(yīng)主軸上的主折射率：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　當(dāng)光沿KDP晶體光軸ｚ方向傳播時，在感應(yīng)主軸x’, y’兩方向偏振的光波分量由于晶體在這兩

76、者方向上的折射率不同，經(jīng)過長度為的晶體后產(chǎn)生位相差：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中為加在晶體z向兩端的直流電壓。</p><p>　　使光波兩個分量產(chǎn)生相位差（光程差 ）所需要加的電壓為</p><p><b>　?。?）</b></p><

77、;p>　　KDP晶體的電光系數(shù)。對于、KDP晶體的左右。</p><p>　?。?）帶起偏器的電光調(diào)Q原理</p><p>　　帶起偏器的KDP電光Q開關(guān)是一種應(yīng)用較廣泛的電光晶體調(diào)Q裝置，實驗裝置如圖1所示。KDP晶體具有縱向電光系數(shù)大，抗破壞閾值高的特點(diǎn)，但易潮解，故需要放在密封盒子內(nèi)使用。通常采用縱向方式，即z向加壓，z向通光。</p><p>　　帶起

78、偏器的Q開關(guān)工作過程如下：Nd：YAG棒在氙燈的激勵下產(chǎn)生無規(guī)則偏振光，通過偏振器后成線偏振光。若起偏方向與KDP晶體x（或y）方向一致，并在KDP上施加一個的外加電場。由于電光效應(yīng)產(chǎn)生的電感應(yīng)主軸x’和y’與入射偏振光的偏振方向成45度角。這時調(diào)制晶體起到了一個1/4波片的作用，顯然，線偏振光通過晶體后產(chǎn)生了的位相差，可見往返一次產(chǎn)生的總位相差為，線偏振光經(jīng)這一次往返后偏振面旋轉(zhuǎn)了90度，不能通過偏振器。這樣，在調(diào)制晶體上加有1/4波

79、長電壓的情況下，由介質(zhì)偏振器和KDP調(diào)制晶體組成的電光開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，諧振腔的Q值很低，不能形成激光振蕩。</p><p>　　雖然這時整個器件處在低Q值狀態(tài)，但由于氙燈一直在對YAG棒進(jìn)行抽運(yùn)，工作物質(zhì)中亞穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)便得到足夠的積累，當(dāng)粒子反轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到最大時，突然去掉調(diào)制晶體上的1/4波長電壓。即電光開關(guān)迅速被打開，沿諧振腔軸線方向傳播的激光可自由通過調(diào)制晶體，而其偏振狀態(tài)不發(fā)生任何變化，這時諧振腔處于高Q值狀

80、態(tài)，形成雪崩式激光發(fā)射。</p><p>　　欲使帶起偏器的Q開關(guān)得到理想的開關(guān)效果的關(guān)鍵之一是，必須嚴(yán)格保持偏振器的起偏方向與調(diào)Q晶體的x軸（或y軸）方向一致，以保證起偏方向與調(diào)Q 晶體的感應(yīng)主軸x′、y′成45°角。簡便的調(diào)試方法是，在KDP晶體加電壓的狀態(tài)下，轉(zhuǎn)動起偏器和晶體的相對方位，直到激光不能振蕩為止。</p><p>　　3、Cr4+:YAG被動調(diào)Q的工作原理<

81、;/p><p>　　當(dāng)Cr4+:YAG被放置在激光諧振腔內(nèi)時，它的透過率會隨著腔內(nèi)的光強(qiáng)而改變。在激光振蕩的初始階段，Cr4+:YAG的透過率較低（初始透過率），隨著泵浦作用增益介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)不斷增加，當(dāng)諧振腔增益等于諧振腔損耗時，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到最大值，此時可飽和吸收體的透過率仍為初始值。隨著泵浦的進(jìn)一步作用，腔內(nèi)光子數(shù)不斷增加，可飽和吸收體的透過率也逐漸變大，并最終達(dá)到飽和。此時，Cr4+:YAG的透過率突然增大

82、，光子數(shù)密度迅速增加，激光振蕩形成。腔內(nèi)光子數(shù)密度達(dá)到最大值時，激光為最大輸出，此后，由于反轉(zhuǎn)粒子的減少，光子數(shù)密度也開始減低，則可飽和吸收體Cr4+:YAG的透過率也開始減低。當(dāng)光子數(shù)密度降到初始值時，Cr4+:YAG的透過率也恢復(fù)到初始值，調(diào)Q脈沖結(jié)束。</p><p>　　4.3實驗內(nèi)容與步驟：</p><p>　　1、 連接好所有電纜，插上電源插頭，檢查電源輸出正極接線端子（POS

83、）和負(fù)極接線端子（NEG）是否連接正確。確定水泵及其控制線連接完好。</p><p>　　2、 仔細(xì)調(diào)節(jié)與Nd:YAG激光器同軸的He-Ne激光器，使He-Ne激光通過激光棒兩個端面中心，如圖8所示。為了保證激光器的調(diào)整精度，He-Ne激光器應(yīng)距Nd：YAG激光器2米以上。若He-Ne激光器不與實驗臺平行，則需首先調(diào)整He-Ne激光器的高低和俯仰并使其水平。</p><p>　　3、 將全

84、反射和輸出鏡分別裝在調(diào)整架上，調(diào)節(jié)各自的調(diào)整架，使He-Ne光束盡量通過兩腔鏡的中心，并使He-Ne光束由全反鏡、激光晶體和輸出鏡反射后到達(dá)He-Ne激光器上的三個反射光點(diǎn)重合。</p><p>　　打開激光電源的鑰匙開關(guān)，檢查水冷系統(tǒng)工作是否正常。確定無誤后啟動電源，在激光電源工作電壓400V時反復(fù)仔細(xì)微調(diào)輸出鏡和全反鏡，使激光輸出最強(qiáng)，此時輸出的激光稱為靜態(tài)激光。測量激光器的靜態(tài)輸出特性后關(guān)閉激光電源。<

85、;/p><p>　　如圖1所示，將介質(zhì)偏振片插入光路。再插入電光Q開關(guān)，調(diào)整電光Q開關(guān)的俯仰方位，使電光Q開關(guān)的反射像與激光晶體的反射像重合。打開激光電源的鑰匙開關(guān)，檢查水冷系統(tǒng)工作是否正常。確定無誤后啟動電源，仔細(xì)微調(diào)兩塊諧振腔片，使激光器靜態(tài)激光輸出最強(qiáng)。</p><p>　　將激光電源改到關(guān)門狀態(tài)進(jìn)行關(guān)門實驗。繞光軸轉(zhuǎn)動電光Q開關(guān)使激光器輸出最小，此時電光Q開關(guān)處于關(guān)門狀態(tài)（低Q值狀態(tài)）

86、。</p><p>　　將激光電源改到調(diào)Q狀態(tài)，測量激光器的動態(tài)輸出，此時輸出的激光為調(diào)Q激光，也稱動態(tài)激光或巨脈沖激光。反復(fù)重復(fù)上述過程，使激光器的輸出最強(qiáng)。</p><p>　　測量激光器的輸出特性：改變脈沖泵浦能量，用能量計分別測量幾組靜、動態(tài)輸出能量，并填入下表。</p><p>　　將電光晶體和偏振片從激光諧振腔中拿走，加入Cr4＋：YAG被動調(diào)Q晶體，仔

87、細(xì)調(diào)整Cr4＋：YAG被動調(diào)Q晶體的俯仰位置，使其反射光點(diǎn)與激光晶體反射光點(diǎn)重合，觀察輸出能量，微調(diào)調(diào)整架，使激光輸出能量最大。</p><p>　　表1 激光器靜態(tài)和動態(tài)輸出</p><p>　　10、降低泵浦電壓到零，然后從小到大緩慢增加，測量不同電壓時激光器輸出脈沖的平均能量。</p><p>　　11、安裝光電探測器，取三個不同工作電壓，分別測量輸出脈沖的

88、脈寬。</p><p>　　12、對不同工作電壓下的輸出脈沖進(jìn)行對比，并作簡要分析。</p><p>　　13、關(guān)機(jī)順序為：先把手動開關(guān)斷開，關(guān)掉預(yù)燃，最后關(guān)電鑰匙。</p><p><b>　　4.4實驗結(jié)果：</b></p><p>　　表1 激光器靜態(tài)和動態(tài)輸出</p><p>　　5.N

89、d：YAG激光器倍頻實驗</p><p><b>　　5.1實驗?zāi)康模?lt;/b></p><p>　　掌握激光倍頻技術(shù)的基本原理；</p><p>　　了解影響激光倍頻轉(zhuǎn)換效率的主要因素。</p><p><b>　　5.2實驗原理：</b></p><p>　　利用非線性晶體

90、在強(qiáng)激光作用下的二次非線性效應(yīng)，使頻率為ω的激光通過晶體后變?yōu)轭l率為2ω的倍頻光，稱為倍頻技術(shù)，或二次諧波振蕩。</p><p>　　用非線性材料產(chǎn)生倍頻激光的器件稱為倍頻激光器。一般把入射激光稱為基頻光，由倍頻激光器出來的激光稱為倍頻光或二次諧波。</p><p>　　光學(xué)倍頻來源于媒質(zhì)在基頻光波電場作用下產(chǎn)生的二階非線性極化，當(dāng)入射光很強(qiáng)時，入射光在晶體材料中感生的電極化強(qiáng)度P可能包含

91、非線性項：</p><p>　　P=X(1)E+X(2)E2</p><p>　　如果某點(diǎn)處入射光波表示為E=E0cosωt，則</p><p>　　可見，電極化強(qiáng)度中除了有直流成分外，還有頻率為ω的基頻和頻率為2ω的倍頻成分。與這些電極化強(qiáng)度成分相應(yīng)，有基頻極化波P（ω）和倍頻極化波P（2ω），及其相應(yīng)的基頻次波幅射和倍頻次波輻射，即E′（ω）和E′（2ω）。&l

92、t;/p><p>　　通俗地說，極化強(qiáng)度中與光波電場二次方成比例的這一部分極化強(qiáng)度相當(dāng)于存在一種頻率為2ω的振蕩電偶極矩?；l光波在媒質(zhì)中傳播的同時激勵起一系列這樣的振蕩電偶極矩。它們在空間中的分布就好比一個按一定規(guī)則排列的偶極矩陣列，偶極矩之間有一定的相對位相。由于陣列中每個電偶極矩都要輻射頻率為2ω的光波, 故偶極矩陣列的輻射應(yīng)是這些光波互相干涉的結(jié)果。無疑，只當(dāng)干涉是相互加強(qiáng)時才會有效地產(chǎn)生倍頻光輸出為此，陣列

93、中各振蕩電偶極矩間要保持恰當(dāng)?shù)奈幌嚓P(guān)系 ，由此便產(chǎn)生了所謂位相匹配條件k(2ω)=2k(ω),它是產(chǎn)生光學(xué)倍頻的重要條件,其中k(ω)和k(2ω)分別為基頻和倍頻光在媒質(zhì)中的波矢。當(dāng)這兩個光波沿同一方向傳播時，此條件轉(zhuǎn)化為要求媒質(zhì)中倍頻光的折射率n(2ω)等于基頻光的折射率n(ω)。</p><p>　　對于正常色散材料，倍頻光的折射率n(2ω)總是大于基頻光的折射率n(ω)，所以不可能實現(xiàn)相位匹配。對于雙折射晶

94、體，晶體內(nèi)o光和e光的折射率不同，因此可以利用兩束光的折射率不同來實現(xiàn)相位匹配。例如，對于負(fù)單軸晶體，在正常色散情況下，滿足條件：ne（2ω）＞ne（ω）和n0（2ω）＞n0（ω），但o光的折射率面是球面，e光的折射率面是橢圓。則實驗中可選擇基頻入射光以o光形式入射，使諧波光以e光形式出射，則當(dāng)光波沿著與晶體光軸成θm角的特殊方向傳播時，可以實現(xiàn)ne（2ω）=n0（ω），即實現(xiàn)相位匹配，θm稱為匹配角。還可以用其它方法實現(xiàn)相位匹配條件。

95、</p><p>　　當(dāng)滿足位相匹配條件時，倍頻光功率密度正比于基頻光功率密度的二次方，也正比于晶體作用長度的二次方。此外還與媒質(zhì)的倍頻系數(shù)（二階非線性極化率）二次方成正比。</p><p>　　光學(xué)倍頻可將紅外激光轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢娂す?，或?qū)⒖梢娂す廪D(zhuǎn)變?yōu)椴ㄩL更短的激光，從而擴(kuò)展激光譜線覆蓋的范圍。在激光技術(shù)中已被廣泛采用。為得到波長更短的激光可用多級倍頻。本實驗中的倍頻就是通過倍頻晶體實現(xiàn)對N

96、d:YAG輸出的1064nm紅外激光的倍頻，將其倍頻成532nm的綠光。</p><p>　　目前已有許多種倍頻晶體，且可達(dá)到相當(dāng)高的倍頻轉(zhuǎn)換效率。對于近紫外、可見及近紅外的基頻光，常用的倍頻晶體有磷酸二氫鉀（KDP）、磷酸二氫銨（ADP）、磷酸二氘鉀（DKDP）、砷酸二氘銫（DCDA）、砷酸二氫銫（CDA）等晶體，轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)30％～50％，其損傷閾值大。鈮酸鋰（LN）、鈮酸鋇鈉、鈮酸鉀、α型碘酸鋰等晶體，它

97、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，

98、且損傷閾值比BNN晶體高，缺點(diǎn)是不具有非臨界匹配能力。對于中紅外基頻光,常用晶體為AgAsS、GdGeAs、Te、CdSe等，轉(zhuǎn)換效率為5％～15％左右。</p><p>　　KDP晶體在1064nm光附近有高的有效非線性系數(shù)，導(dǎo)熱性良好，非常適合用于YAG激光的倍頻。KDP晶體屬于負(fù)雙軸晶體，對它的相位匹配及有效非線性系數(shù)的計算，已有大量的理論研究，通過KTP的色散方程，人們計算出其最佳相位匹配角為：?=90&

99、#176;，??????°，對應(yīng)的有效非線性系數(shù)deff=7.36×10-12V/m。</p><p>　　倍頻技術(shù)通常有腔內(nèi)倍頻和腔外倍頻兩種。腔內(nèi)倍頻是指將倍頻晶體放置在激光諧振腔之內(nèi)，由于腔內(nèi)具有較高的功率密度，因此較適合于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的固體激光器。腔外倍頻方式指將倍頻晶體放置在激光諧振腔之外的倍頻技術(shù)，較適合于脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)的固體激光器。</p><p>　　倍頻晶體

100、輸出鏡 小孔 Nd:YAG晶體 偏振片 電光晶體 全反鏡 He-Ne激光器</p><p>　　圖1 電光調(diào)Q Nd:YAG激光器腔外倍頻原理圖</p><p>　　5.3實驗內(nèi)容與步驟：</p><p>　　1、如圖1所示，仔細(xì)調(diào)整He-Ne激光束使其與光學(xué)導(dǎo)軌平行。</p><p>　　2、將Nd:YAG激光器裝到導(dǎo)軌上，使He-N

101、e激光束通過Nd:YAG晶體前后表面中心，并使其前后表面的發(fā)射像與He-Ne激光束重合。</p><p>　　3、如圖1所示，將輸出鏡和全反鏡放置光學(xué)導(dǎo)軌上，調(diào)整它們的俯仰方位，使輸出鏡和全反鏡的工作面與Nd:YAG晶體的反射像重合。</p><p>　　4、打開激光電源的鑰匙開關(guān)，檢查水冷系統(tǒng)工作是否正常。確定無誤后啟動電源，在激光電源工作電壓400V時反復(fù)仔細(xì)微調(diào)輸出鏡和全反鏡，使激光

102、輸出最強(qiáng)，此時輸出的激光稱為靜態(tài)激光。測量激光器的靜態(tài)輸出特性后關(guān)閉激光電源。</p><p>　　如圖1所示，將介質(zhì)偏振片插入光路。再插入電光Q開關(guān)，調(diào)整電光Q開關(guān)的俯仰方位，使電光Q開關(guān)的反射像與激光晶體的反射像重合。打開激光電源的鑰匙開關(guān)，檢查水冷系統(tǒng)工作是否正常。確定無誤后啟動電源，仔細(xì)微調(diào)兩塊諧振腔片，使激光器靜態(tài)激光輸出最強(qiáng)。</p><p>　　將激光電源改到關(guān)門狀態(tài)進(jìn)行關(guān)門

103、實驗。繞光軸轉(zhuǎn)動電光Q開關(guān)使激光器輸出最小，此時電光Q開關(guān)處于關(guān)門狀態(tài)（低Q值狀態(tài)）。</p><p>　　將激光電源改到調(diào)Q狀態(tài)，測量激光器的動態(tài)輸出，此時輸出的激光為調(diào)Q激光，也稱動態(tài)激光或巨脈沖激光。反復(fù)重復(fù)上述過程，使激光器的輸出最強(qiáng)。</p><p>　　8、 關(guān)閉激光電源，在激光輸出鏡的外面插入KDP晶體，仔細(xì)調(diào)節(jié)KDP倍頻晶體的上下左右位置，使He-Ne激光束通過KDP倍頻晶

104、體的中心。仔細(xì)調(diào)節(jié)KDP倍頻晶體的俯仰方位，使其發(fā)射光點(diǎn)與激光晶體的反射光點(diǎn)重合。</p><p>　　9、 打開激光電源，使激光器輸出調(diào)Q 巨脈沖。在激光泵浦電壓是400～500V的情況下，可看到激光器輸出532nm的綠色激光。繞光軸旋轉(zhuǎn)KTP晶體，使激光器輸出532nm的綠色激光最強(qiáng)。</p><p>　　10、關(guān)機(jī)順序為：先把手動開關(guān)斷開，關(guān)掉預(yù)燃，最后關(guān)電鑰匙。</p>

105、<p>　　6.晶體的電光效應(yīng)實驗</p><p><b>　　6.1實驗?zāi)康模?lt;/b></p><p>　　掌握晶體電光調(diào)制的原理和實驗方法；</p><p>　　學(xué)習(xí)一種測量晶體半波電壓和電光常數(shù)的實驗方法；</p><p>　　觀察電光效應(yīng)引起的晶體光學(xué)性質(zhì)的變化和會聚偏振光的干涉現(xiàn)象。</p&

106、gt;<p><b>　　6.2實驗原理：</b></p><p>　　電光效應(yīng)一般是指介質(zhì)在外加電場的作用下，其折射率將發(fā)生變化，當(dāng)光波通過此介質(zhì)時，其傳輸特性就受到影響而改變，這種現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)。</p><p>　　6.2.1一次電光效應(yīng)和晶體的折射率橢球　　</p><p>　　由電場所引起的晶體折射率的變化，稱為電光效

107、應(yīng).通?？蓪㈦妶鲆鸬恼凵渎实淖兓孟率奖硎荆?lt;/p><p>　　n = n0 + aE0 +bE02+……</p><p>　　式中a和b為常數(shù)，n0為不加電場時晶體的折射率。由一次項aE0 引起折射率變化的效應(yīng)，稱為一次電光效應(yīng)，也稱線性電光效應(yīng)或普克爾（Pokells）效應(yīng)；由二次項bE02引起折射率變化的效應(yīng)，稱為二次電光效應(yīng)，也稱平方電光效應(yīng)或克爾（Kerr）效應(yīng)。一次電光效應(yīng)

108、只存在于不具有對稱中心的晶體中，二次電光效應(yīng)則可能存在于任何物質(zhì)中，一次效應(yīng)要比二次效應(yīng)顯著。光在各向異性晶體中傳播時，因光的傳播方向不同或者是電矢量的振動方向不同，光的折射率也不同。如圖1，通常用折射率球來描述折射率與光的傳播方向，振動方向的關(guān)系。</p><p>　　晶體的一次電光效應(yīng)分為縱向電光效應(yīng)和橫向電光效應(yīng)兩種.縱向電光效應(yīng)是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播的方向平行時產(chǎn)生的電光效應(yīng)；橫向電光效應(yīng)

109、是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播方向垂直時產(chǎn)生的電光效應(yīng).通常KD*P（磷酸二氘鉀）類型的晶體用它的縱向電光效應(yīng)，LiNbO3(鈮酸鋰）類型的晶體用它的橫向電光效應(yīng).本實驗研究鈮酸鋰晶體的一次電光效應(yīng)，用鈮酸鋰晶體的橫向調(diào)制裝置測量鈮酸鋰晶體的半波電壓及電光系數(shù)，并用兩種方法改變調(diào)制器的工作點(diǎn)，觀察相應(yīng)的輸出特性的變化.</p><p>　　6.2.2電光調(diào)制原理</p><p>　

110、　要用激光作為傳遞信息的工具，首先要解決如何將傳輸信號加到激光輻射上去的問題，我們把信息加載于激光輻射的過程稱為激光調(diào)制，把完成這一過程的裝置稱為激光調(diào)制器.由已調(diào)制的激光輻射還原出所加載信息的過程則稱為解調(diào).因為激光實際上只起到了"攜帶"低頻信號的作用，所以稱為載波，而起控制作用的低頻信號是我們所需要的，稱為調(diào)制信號，被調(diào)制的載波稱為已調(diào)波或調(diào)制光.按調(diào)制的性質(zhì)而言，激光調(diào)制與無線電波調(diào)制相類似，可以采用連續(xù)的調(diào)幅

111、，調(diào)頻，調(diào)相以及脈沖調(diào)制等形式，但激光調(diào)制多采用強(qiáng)度調(diào)制.強(qiáng)度調(diào)制是根據(jù)光載波電場振幅的平方比例于調(diào)制信號，使輸出的激光輻射的強(qiáng)度按照調(diào)制信號的規(guī)律變化.激光調(diào)制之所以常采用強(qiáng)度調(diào)制形式,主要是因為光接收器一般都是直接地響應(yīng)其所接受的光強(qiáng)度變化的緣故.</p><p>　　6.3實驗內(nèi)容與步驟：</p><p>　　一．驗證LN晶體在自然狀態(tài)下的單軸晶體特性和施加電壓后晶體變?yōu)殡p軸晶體的情