激光倍頻實(shí)驗(yàn)

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1、11激光倍頻一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容1．學(xué)習(xí)工作物質(zhì)端面呈布儒斯特角的釹玻璃激光器的調(diào)節(jié)。2．掌握腔外倍頻技術(shù)，并了解倍頻技術(shù)的意義。3．要求每人都調(diào)節(jié)一次釹玻璃激光器并從黑紙片被激光燃焦的程度，判別每人調(diào)節(jié)的精度高低。4．觀察倍頻晶體0.53μm綠色光的輸出情況。二．實(shí)驗(yàn)基本原理1．非線性光學(xué)基礎(chǔ)光與物質(zhì)相互作用的全過程，可分為光作用于物質(zhì)，引起物質(zhì)極化形成極化場(chǎng)以及極化場(chǎng)作為新的輻射源向外輻射光波的兩個(gè)分過程。原子是由原子核和核外電子構(gòu)成。當(dāng)頻率為ω的光入射介質(zhì)后，引起其中原子的極化，即負(fù)電中心相對(duì)正電中心發(fā)生位移r，形成電偶極矩，（1）其中，e是負(fù)電中心的電量。我們定義單位

2、體積內(nèi)原子偶極矩的總和為極化強(qiáng)度矢量P，，（2）N是單位體積內(nèi)的原子數(shù)。極化強(qiáng)度矢量和入射場(chǎng)的關(guān)系式為，（3）其中χ（1），χ（2），χ（3），…分別稱為線性極化率，二級(jí)非線性極化率、三級(jí)非線性極化率…，并且χ（1）>>χ（2）>>χ（3）…。在一般情況下，每增加一次極化，χ值減少七八個(gè)數(shù)量級(jí)。由于入射光是變化的，其振幅為E＝E0sinωt，所以極化強(qiáng)度也是變化的。根據(jù)電磁理論，變化的極化場(chǎng)可作為輻射源產(chǎn)生電磁波——新的光波。在入射光的電場(chǎng)比較小時(shí)（比原子內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)還?。?，χ（2），χ（3）等極小，P與E成線性關(guān)系為P＝χ（1）E。新的光波與入射光具有相同的頻率，這就是通常的

3、線性光學(xué)現(xiàn)象。但當(dāng)入射光的電場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)，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，新的光波中不僅有入射地基波頻率，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(qiáng)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。2．二階非線性光學(xué)效應(yīng)雖然許多介質(zhì)都可產(chǎn)生非線性效應(yīng)，但具有中心結(jié)構(gòu)的某些晶體和各向同性介質(zhì)（如氣體），由于（3）式中的偶級(jí)項(xiàng)為零，只含有奇級(jí)項(xiàng)（最低為三級(jí)），因此要觀測(cè)二級(jí)非線性效應(yīng)只能在具有非中心對(duì)稱的一些晶體中進(jìn)行，如KDP（或KD*P）、LiNO3晶體等等?，F(xiàn)從波的耦合，分析二級(jí)非線性效應(yīng)的產(chǎn)生原理，設(shè)有下列兩波同時(shí)作用于介

4、質(zhì)：，（4）,（5）介質(zhì)產(chǎn)生的極化強(qiáng)度應(yīng)為二列光波的疊加，有。（6）經(jīng)推導(dǎo)得出，二級(jí)非線性極化波應(yīng)包含下面幾種不同頻率成分：,（7）,（8），（9）,（10）P直流，（11）從以上看出，二級(jí)效應(yīng)中含有基頻波的倍頻分量（2ω1）、（2ω2）、和頻分量（ω1＋ω2）、差頻分量（ω1–ω2）和直流分量。故二級(jí)效應(yīng)可用于實(shí)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ω的光入射介質(zhì)時(shí)（相當(dāng)于上式中ω1＝ω2＝ω），那么二級(jí)非線性效應(yīng)就只有除基頻外的一種頻率（2ω）的光波產(chǎn)生，稱為二倍頻或二次諧波。在二級(jí)非線性效應(yīng)中，二倍頻又是最基本、應(yīng)用最廣泛的一種技術(shù)。第一個(gè)非線性效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

5、，就是在第一臺(tái)紅寶石激光器問世后不久，利用紅寶石0.6943μm激光在石英晶體中觀察到紫外倍頻激光。后來又有人利用此技術(shù)將晶體的1.06μm紅外激光轉(zhuǎn)換成0.53μm的綠光，從而滿足了水下通信和探測(cè)等工作對(duì)波段的要求。當(dāng)ω1≠ω2時(shí)，產(chǎn)生ω3＝ω1＋ω2的光波叫和頻。如入射的光波分別為ω和2ω，和頻后得到3ω，3ω＝ω＋2ω（注意，它數(shù)值上等于三倍頻，但不是三倍頻非線性效應(yīng)過程）。本實(shí)驗(yàn)將對(duì)和頻進(jìn)行觀測(cè)。1．非線性極化系數(shù)非線性效應(yīng)系數(shù)是決定極化強(qiáng)度大小的一個(gè)重要物理量。在線性關(guān)系P＝χ（1）E中對(duì)各向同性介質(zhì)，χ（1）是只與外電場(chǎng)大小有關(guān)而與方向無關(guān)的常量；對(duì)各向異性介質(zhì)

6、，χ(1)不僅與電場(chǎng)大小有關(guān)，而且與方向有關(guān)。在三維空間里，是個(gè)二階張量，有9個(gè)矩陣元dij，每個(gè)矩陣元稱為線性極化系數(shù)。在非線性關(guān)系P＝χ（2）E2中，χ（2）是三階張量，在三維直角坐標(biāo)系中有27個(gè)分量，鑒于非線性極化系數(shù)的對(duì)稱性，矩陣元減為18個(gè)分量，在倍頻情況下，（12）P和E的下角標(biāo)x，y，z表示它們?cè)谌齻€(gè)不同方向上的分量。鑒于各種非線性晶體都有特殊的對(duì)稱性，就像晶體的電光系數(shù)矩陣一樣，有些dij為零，有些相等，有些相反。因此無對(duì)稱中心晶體的dij，獨(dú)立的分量數(shù)目?jī)H是有限的幾個(gè)。例KDP（或KD*P）晶體，有,（13）其中d14＝d25，在一定條件下，還可以有d14

7、＝d36。又如鈮酸鋰晶體，有,（14）其中d31＝d15。查閱有關(guān)資料，可得它們的具體數(shù)值。實(shí)際工作中，我們總是希望選取dij值大，性能穩(wěn)定又經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的晶體材料。1．相位匹配及實(shí)現(xiàn)方法從前面的討論知道，極化強(qiáng)度與入射光強(qiáng)和非線性極化系數(shù)有關(guān)，但是否只要入射光足夠強(qiáng)，使用非線性極化系數(shù)盡量大的晶體，就一定能獲得好的倍頻效果呢？不是的。這里還有一個(gè)重要因素——相位匹配，它起著舉足輕重的作用。實(shí)驗(yàn)證明，只有具有特定偏振方向的線偏振光，以某一特定角度入射晶體時(shí)，才能獲得良好的倍頻效果，而以其他角度入射時(shí)，則倍頻效果很差，甚