一.  實驗目的

1. 學習(xi) 固體(ti) 激光器的搭建，熟悉不同腔型、不同溫度下激光輸出功率的差異。

2.       了解光在非線性材料中的非線性極化及倍頻過程中的有效非線性係數計算。

3.       熟悉倍頻過程中的角度相位匹配、溫度相位匹配方法。

4.       熟悉激光倍頻晶體(ti) 的調節及倍頻效率的測量。

二.  實驗原理

7.1  Nd:YVO₄激光器的搭建

本實驗提供半導體(ti) 激光器溫控驅動電源和激光係統兩(liang) 部分。驅動電源主要用於(yu) 半導體(ti) 激光器的電流驅動和溫度控製。電源使用細節及步驟如下：

1. 用“Current Set”電流時，因為(wei) 用的是2W的LD, 所以調節電流時顯示的電流值最大不要超過2A。在不製冷情況下, 電流的調節最大值會(hui) 相應的減小, 因為(wei) 要是室內(nei) 溫度比較高的話電流還沒有達到最大值時係統也有可能過熱報錯。

2. 電源電流和TEC熱敏電阻值的切換按鈕為(wei) 後麵板的“5，電源表頭顯示選擇開關(guan) ”，撥到“Cur”，前麵板顯示的是電流值，如撥到“Rt1”前麵板顯示的是TEC1的熱敏電阻值，撥到“Rt2”前麵板顯示的是TEC2的熱敏電阻值，此值可以通過熱敏電阻與(yu) 溫度的換算表換算為(wei) 具體(ti) 的溫度；“TTL”調製方式開關(guan) 一般不用。

3. 先開電源開關(guan) （ON），緩慢調節“Current Set”電流按鈕直至所需的電流值，工作中如果“Error，過熱保護指示燈”顯示紅燈時，請立即把“Current Set”電流按鈕逆時針調到最小並關(guan) 閉電源按鈕（OFF），休息半小時後再工作。每次關(guan) 閉電源開關(guan) 前都要把電流調節到最小。

4. 控溫電流調節電位器（邊上的延伸調節鈕），是用來調節製冷電流值，並通過熱敏電阻顯示的阻值，轉化為(wei) 具體(ti) 的控製溫度，可以通過調節此旋鈕實現對TEC溫度的控製。每次關(guan) 閉電源開關(guan) 前, 控溫電流調節電位器也要逆時針調節至最小。(其初始都是在最小的位置)

5. 使用時要注意不要碰掉電源與(yu) 激光器之間的插頭, 係統一旦突然斷電對LD及製冷片都會(hui) 造成很大的損傷(shang) 。

激光係統包括聚焦透鏡、增益介質、輸出腔鏡、倍頻晶體(ti) 等器件，固定在一個(ge) 機械底座上，機械底座上有一係列的固定孔，便於(yu) 調整腔長。

1. 光路調節。調整聚焦透鏡、增益介質的位置和光軸重合。選取一個(ge) 輸出鏡，調整合適腔長固定好，調節輸出鏡後端的旋鈕，調整輸出鏡的傾(qing) 斜度，獲得激光輸出。

更換不同曲率半徑的輸出鏡、調整腔長進行不同諧振腔的輸出功率對比實驗。

2. 調節驅動電流的大小，觀察激光輸出功率隨電流的變化情況。

3. 調節不同製冷溫度下（LD製冷），觀察激光輸出功率的變化。

4. 在腔內(nei) 加入倍頻晶體(ti) ，並調整中心與(yu) 光軸重合，獲得綠光輸出。#p#分頁標題#e#

5. 測量激光的倍頻效率。

6. 調整倍頻晶體(ti) 的位置，觀察激光輸出光斑模式的變化。

7. 每次使用完關(guan) 機後最好蓋上激光器蓋, 保證係統及鏡片的幹淨。

8. 盡量不要頻繁更換, 擦拭激光器晶體(ti) , 而且擦拭, 更換完蓋上銅片的時候要小心, 輕輕的壓上就好, 因為(wei) 晶體(ti) 很薄, 很容易破碎, 斷裂。

係統有無激光輸出情況分析：

1) 首先檢查LD是否能正常出光?如不能， 1、LD燒損 2、LD電源線路接觸不好，請重新確認電線接觸後再試。

2) 使用一段時間後因為(wei) 聚焦鏡變髒導致輸出LD功率損耗從(cong) 而係統不出光, 觀察LD激光過聚焦鏡後光斑是否模糊, 拆下聚焦鏡支架擦拭聚焦透鏡。

3) 確定把電流調節至係統閾值電流之上，最初調節時一般大於(yu) 0.7A就可以出光, 出光後電流調節到0.3A以上一般都有激光輸出。

4) LD光沒有匯聚到激光晶體(ti) 上，太近或者太遠，調節激光晶體(ti) 和LD聚焦鏡之間的距離，LD最佳聚焦點一般在激光晶體(ti) 入射麵往後0.3-0.5mm處。由於(yu) 灰塵在激光晶體(ti) 表麵, 高功率時容易點燃灰塵弄髒晶體(ti) 表麵, 所以要定期檢查並擦拭。

     5) 更換激光晶體(ti) 時晶體(ti) 高反膜麵要衝(chong) LD方向，注意晶體(ti) C軸(側(ce) 麵塗黑的麵)與(yu) 泵浦光偏振方向的匹配。如果不管C軸，係統也可以出光, 就是功率相對較低。

     6) 平凹輸出鏡的正確放置，凹麵向腔內(nei) ，平麵向外輸出。

     7) 檢查晶體(ti) ，鏡片有無打裂、損壞。

8) 整個(ge) 光路有無嚴(yan) 格對準，請用HE-NE光對準光路並調節後再試。

9) 係統過冷或過熱。當顯示的熱敏值>40K或<10K時, 係統會(hui) 自動斷電保護, 請立即調節電流值到最小並關(guan) 閉電源30分鍾。

影響輸出功率的因素：

1) 光路沒對準，請調節光路，主要是調節輸出腔鏡。

2) LD的聚焦點位置不對，適當調節LD與(yu) 激光晶體(ti) 的距離。

3) 熱效應太嚴(yan) 重，請調節正確的熱敏電阻值進行製冷。

4) 基頻光的光斑不好, 使用感光片調節輸出鏡來調整基頻光到圓斑。

5) 倍頻晶體(ti) 放置的不好，適當調節其位置，如還不能改善，請將整個(ge) 晶體(ti) 沿光路方向轉個(ge) 90°再試。

6）檢查鏡片和晶體(ti) 表麵是否幹淨？表麵不幹淨也會(hui) 影響出光功率。

7. 2倍頻

       激光倍頻的基本原理見《光電子學》，這裏隻把一些常用的倍頻器件及倍頻方式作一簡單介紹。

1．  倍頻晶體(ti) ：目前常用的倍頻晶體(ti) 有KTP晶體(ti) ，KDP晶體(ti) ，KD^＊P晶體(ti) ，LiNbO₃，BBO　　晶體(ti) ， LBO晶體(ti) 等。

2．  倍頻方式：首先可根據倍頻晶體(ti) 放置的位置――激光諧振腔內(nei) 或腔外，分為(wei) 腔內(nei) 倍頻和腔外倍頻兩(liang) 種。

由於(yu) 倍頻晶體(ti) 的閾值很高，因此要獲得高的倍頻效率，基波的功率密度要足夠高。這樣對連續的激光器，一般均采用腔內(nei) 倍頻方式。如LD泵浦的Nd:YVO₄連續倍頻激光器，兩(liang) 個(ge) 諧振腔鏡對基波（波長為(wei) 1.064mm）都鍍高反膜，而對二次諧波（波長為(wei) 0.532mm）有一定的耦合輸出，這樣腔內(nei) 的基波功率密度就非常高，就能獲得高的二次諧波轉換效率。當LD泵浦功率為(wei) 50 W時，可獲得10 W的CW（Continuous Wave）532nm綠光輸出。

當基波為(wei) 調Q激光脈衝(chong) 或鎖模激光脈衝(chong) 時，由於(yu) 其峰值功率很高，已達幾十兆瓦，此時采用腔外倍頻，既可獲得很高的二次諧波轉換效率，且裝置十分簡單。如采用KTP或BBO倍頻晶體(ti) ，對波長為(wei) 1.064mm，脈寬為(wei) 10ns，脈衝(chong) 能量為(wei) 500mJ的基波進行倍頻，即可獲得350mJ 的532nm綠光輸出，倍頻效率可達到70%以上。

3． 相位匹配方式：相位匹配在非線性效應的應用中起著十分重要的作用，實現相位匹配的方法有角度匹配、溫度匹配及準相位匹配三種。準相位匹配不在這裏介紹。

角度匹配又稱為(wei) 臨(lin) 界相位匹配，可分為(wei) 兩(liang) 大類，如下表所示：

溫度相位匹配又稱為(wei) 90⁰相位匹配，工作特點：，走離角。其實現方法是通過改變晶體(ti) 的溫度，來達到改變基波及諧波的折射率，實現90⁰相位匹配。角度相位匹配（臨(lin) 界相位匹配）方式的缺點是：１）存在走離角，使基波的尋常光（O光）和非尋常光（e光）或基波與(yu) 諧波發生分離，降低了諧波轉換效率。２）相位匹配對角度非常敏感（故稱為(wei) 臨(lin) 界匹配），降低了倍頻的穩定性。而溫度相位匹配就克服了角度相位匹配的缺點，因此獲得了廣泛的應用。目前，LD泵浦Nd:YVO₄固體(ti) 激光器，即采用腔內(nei) 倍頻，溫度匹配方式工作，倍頻晶體(ti) 采用BBO晶體(ti) ，相位匹配溫度為(wei) 約150°Ｃ，可實現10W 532nm綠光輸出。

       本實驗中，基波為(wei) 連續輸出的1.064mm激光，倍頻晶體(ti) 選用KTP晶體(ti) ，采用腔內(nei) 倍頻，角度相位匹配方式（第II類相位匹配）。實驗裝置的結構如圖7-5所示：

圖7-5 腔內(nei) 倍頻實驗結構

圖7-6、圖7-7則表示了在KD^＊P晶體(ti) 中實現第II類相位匹配過程中，基波、二次諧波光在晶體(ti) 內(nei) 外的電場、波矢、光線、相位匹配角及走離角等的示意圖。

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圖7-6 相位匹配過程中電場、波矢方向示意圖

7-7 相位匹配過程中的電場矢量圖