一.  實驗目的

1. 學習固體激光器的搭建，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系數(shù)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.       熟悉激光倍頻晶體的調(diào)節(jié)及倍頻效率的測量。

二.  實驗原理

7.1  Nd:YVO₄激光器的搭建

本實驗提供半導體激光器溫控驅(qū)動電源和激光系統(tǒng)兩部分。驅(qū)動電源主要用于半導體激光器的電流驅(qū)動和溫度控制。電源使用細節(jié)及步驟如下：

1. 用“Current Set”電流時，因為用的是2W的LD, 所以調(diào)節(jié)電流時顯示的電流值最大不要超過2A。在不制冷情況下, 電流的調(diào)節(jié)最大值會相應的減小, 因為要是室內(nèi)溫度比較高的話電流還沒有達到最大值時系統(tǒng)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后面板的“5，電源表頭顯示選擇開關(guān)”，撥到“Cur”，前面板顯示的是電流值，如撥到“Rt1”前面板顯示的是TEC1的熱敏電阻值，撥到“Rt2”前面板顯示的是TEC2的熱敏電阻值，此值可以通過熱敏電阻與溫度的換算表換算為具體的溫度；“TTL”調(diào)制方式開關(guān)一般不用。

3. 先開電源開關(guān)（ON），緩慢調(diào)節(jié)“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(diào)到最小并關(guān)閉電源按鈕（OFF），休息半小時后再工作。每次關(guān)閉電源開關(guān)前都要把電流調(diào)節(jié)到最小。

4. 控溫電流調(diào)節(jié)電位器（邊上的延伸調(diào)節(jié)鈕），是用來調(diào)節(jié)制冷電流值，并通過熱敏電阻顯示的阻值，轉(zhuǎn)化為具體的控制溫度，可以通過調(diào)節(jié)此旋鈕實現(xiàn)對TEC溫度的控制。每次關(guān)閉電源開關(guān)前, 控溫電流調(diào)節(jié)電位器也要逆時針調(diào)節(jié)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激光器之間的插頭, 系統(tǒng)一旦突然斷電對LD及制冷片都會造成很大的損傷。

激光系統(tǒng)包括聚焦透鏡、增益介質(zhì)、輸出腔鏡、倍頻晶體等器件，固定在一個機械底座上，機械底座上有一系列的固定孔，便于調(diào)整腔長。

1. 光路調(diào)節(jié)。調(diào)整聚焦透鏡、增益介質(zhì)的位置和光軸重合。選取一個輸出鏡，調(diào)整合適腔長固定好，調(diào)節(jié)輸出鏡后端的旋鈕，調(diào)整輸出鏡的傾斜度，獲得激光輸出。

更換不同曲率半徑的輸出鏡、調(diào)整腔長進行不同諧振腔的輸出功率對比實驗。

2. 調(diào)節(jié)驅(qū)動電流的大小，觀察激光輸出功率隨電流的變化情況。

3. 調(diào)節(jié)不同制冷溫度下（LD制冷），觀察激光輸出功率的變化。

4. 在腔內(nèi)加入倍頻晶體，并調(diào)整中心與光軸重合，獲得綠光輸出。#p#分頁標題#e#

5. 測量激光的倍頻效率。

6. 調(diào)整倍頻晶體的位置，觀察激光輸出光斑模式的變化。

7. 每次使用完關(guān)機后最好蓋上激光器蓋, 保證系統(tǒng)及鏡片的干凈。

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

系統(tǒng)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后再試。

2) 使用一段時間后因為聚焦鏡變臟導致輸出LD功率損耗從而系統(tǒng)不出光, 觀察LD激光過聚焦鏡后光斑是否模糊, 拆下聚焦鏡支架擦拭聚焦透鏡。

3) 確定把電流調(diào)節(jié)至系統(tǒng)閾值電流之上，最初調(diào)節(jié)時一般大于0.7A就可以出光, 出光后電流調(diào)節(jié)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上，太近或者太遠，調(diào)節(jié)激光晶體和LD聚焦鏡之間的距離，LD最佳聚焦點一般在激光晶體入射面往后0.3-0.5mm處。由于灰塵在激光晶體表面, 高功率時容易點燃灰塵弄臟晶體表面, 所以要定期檢查并擦拭。

     5) 更換激光晶體時晶體高反膜面要沖 LD方向，注意晶體C軸(側(cè)面涂黑的面)與泵浦光偏振方向的匹配。如果不管C軸，系統(tǒng)也可以出光, 就是功率相對較低。

     6) 平凹輸出鏡的正確放置，凹面向腔內(nèi)，平面向外輸出。

     7) 檢查晶體，鏡片有無打裂、損壞。

8) 整個光路有無嚴格對準，請用HE-NE光對準光路并調(diào)節(jié)后再試。

9) 系統(tǒng)過冷或過熱。當顯示的熱敏值>40K或<10K時, 系統(tǒng)會自動斷電保護, 請立即調(diào)節(jié)電流值到最小并關(guān)閉電源30分鐘。

影響輸出功率的因素：

1) 光路沒對準，請調(diào)節(jié)光路，主要是調(diào)節(jié)輸出腔鏡。

2) LD的聚焦點位置不對，適當調(diào)節(jié)LD與激光晶體的距離。

3) 熱效應太嚴重，請調(diào)節(jié)正確的熱敏電阻值進行制冷。

4) 基頻光的光斑不好, 使用感光片調(diào)節(jié)輸出鏡來調(diào)整基頻光到圓斑。

5) 倍頻晶體放置的不好，適當調(diào)節(jié)其位置，如還不能改善，請將整個晶體沿光路方向轉(zhuǎn)個90°再試。

6）檢查鏡片和晶體表面是否干凈？表面不干凈也會影響出光功率。

7. 2倍頻

       激光倍頻的基本原理見《光電子學》，這里只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：目前常用的倍頻晶體有KTP晶體，KDP晶體，KD^＊P晶體，LiNbO₃，BBO　　晶體， LBO晶體等。

2．  倍頻方式：首先可根據(jù)倍頻晶體放置的位置――激光諧振腔內(nèi)或腔外，分為腔內(nèi)倍頻和腔外倍頻兩種。

由于倍頻晶體的閾值很高，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(xù)的激光器，一般均采用腔內(nèi)倍頻方式。如LD泵浦的Nd:YVO₄連續(xù)倍頻激光器，兩個諧振腔鏡對基波（波長為1.064mm）都鍍高反膜，而對二次諧波（波長為0.532mm）有一定的耦合輸出，這樣腔內(nèi)的基波功率密度就非常高，就能獲得高的二次諧波轉(zhuǎn)換效率。當LD泵浦功率為50 W時，可獲得10 W的CW（Continuous Wave）532nm綠光輸出。

當基波為調(diào)Q激光脈沖或鎖模激光脈沖時，由于其峰值功率很高，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(zhuǎn)換效率，且裝置十分簡單。如采用KTP或BBO倍頻晶體，對波長為1.064mm，脈寬為10ns，脈沖能量為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(xiàn)相位匹配的方法有角度匹配、溫度匹配及準相位匹配三種。準相位匹配不在這里介紹。

角度匹配又稱為臨界相位匹配，可分為兩大類，如下表所示：

溫度相位匹配又稱為90⁰相位匹配，工作特點：，走離角。其實現(xiàn)方法是通過改變晶體的溫度，來達到改變基波及諧波的折射率，實現(xiàn)90⁰相位匹配。角度相位匹配（臨界相位匹配）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）或基波與諧波發(fā)生分離，降低了諧波轉(zhuǎn)換效率。２）相位匹配對角度非常敏感（故稱為臨界匹配），降低了倍頻的穩(wěn)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固體激光器，即采用腔內(nèi)倍頻，溫度匹配方式工作，倍頻晶體采用BBO晶體，相位匹配溫度為約150°Ｃ，可實現(xiàn)10W 532nm綠光輸出。

       本實驗中，基波為連續(xù)輸出的1.064mm激光，倍頻晶體選用KTP晶體，采用腔內(nèi)倍頻，角度相位匹配方式（第II類相位匹配）。實驗裝置的結(jié)構(gòu)如圖7-5所示：

圖7-5 腔內(nèi)倍頻實驗結(jié)構(gòu)

圖7-6、圖7-7則表示了在KD^＊P晶體中實現(xiàn)第II類相位匹配過程中，基波、二次諧波光在晶體內(nèi)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