Nd:YAG激光器倍频特性 实验报告

Nd:YAG激光倍频特性

实验目的：1. 了解二次非线性光学效应 2. 了解二倍频晶体中相位匹配 实验原理： 当强光与物质作用后，表征光学的许多参量如折射率、吸收系数、散射截面等不再是常数，而是一个与入射光有关的变量，相应也出现了在线性光学中观察不到的许多新的光学现象，非线性光学的产生与研究大大加深了我们对光与物质相互作用本质的认识，同时也具有极其重要的实用价值。 1. 光学倍频 光学倍频又称二次谐波，指在非线性介质中传播频率为ν的激光，其中一部分能量转换到频率为2ν的光波中去，使在介质中传播的有频率为ν和2ν两种光波。 从量化概念来说，这相当于两个光子在非线性介质内发生湮灭，并产生倍频光子的现象。在倍频过程中满足能量守恒何动量守恒定律。 2. 二次谐波的效率

由基波的能量（功率）转换成二次谐波的能量（功率）的比值，反映了介质的二次谐波效率，为：

??I2?I?

常用二次谐波非线性材料有KDP倍频晶体和KTP倍频晶体等。KTP晶体性能优于KDP晶体，非线性系数是后者的15倍，光损伤阈值也高（大于400mW/cm2）。 3. 相位匹配

相位匹配物理实质是：基频光在晶体中沿途各点激发的倍频光，在出射面产生干涉，只有相位匹配时才可干涉增强，达到好的倍频效率。相位匹配要求基频光和倍频光在晶体中的传播速度相等，即折射率相等，对于双折射晶体，基频光在晶体面上的入射则需要一定的角度相位匹配。实验中，KTP晶体是加工好的，只需垂直晶体面入射即可满足相位匹配条件。 实验装置

1 2 3 4 5 6 7 10 8 9 1. He-Ne激光器 5. Nd:YAG振荡棒

2. 小孔光阑

3. 1064nm全反凹面镜M1

4. Cr:YAG调Q晶体

9. 能量计 10. KTP晶体

4+

6. 输出镜M2 7. Nd:YAG放大棒 8. 平板玻璃

图1 实验光路示意图

本实验采用与“Nd:YAG激光器调Q激光束放大特性”相同的实验装置，倍频晶体放置于放大级输出端后方。 实验过程

实验中要特别注意眼睛不可直视YAG输出激光以及He-Ne激光，并小心精密操作设备。 1、倍频激光输出调节

（1）按照与前一实验相同步骤调整Nd:YAG激光器，放置调Q晶体，放大级工作开启。 （2）在Nd:YAG放大棒后加入KTP晶体，轻轻转动KTP角度，使KTP输出由一弱散斑汇聚成一耀眼亮点，即达到晶体最佳匹配效果。倍频后输出激光为1064nm和532nm两

个波长，532nm激光为绿色。 2、倍频输出随输入变化特性测量 与前一实验测量激光能量方法类似，在KTP输出后方放置一个平板玻璃，小角度反射，将剩余的1064nm激光反射至能量计，反射率8%。

输入基频光强为： 剩余激光光强为：

E出

?S??tE???I?

?S??tI??E??E读 ，E读为能量计测得的能量值；ΔS为Nd:YAG晶体棒截面积，?S??r2，8%r=0.3cm；Δt为单脉冲时间宽度，Δt≈15ns。

? 根据能量守恒定律有： I2??I??I?实验时，保持振荡级稳定工作，放大级泵浦电压从650V调至900V，间隔50V调一次，

用激光能量计记录平板玻璃反射的激光单脉冲能量，每次测量重复记录三个脉冲。每次记录前，必须对能量计进行复位，记录初始值。

联合“Nd:YAG激光器调Q激光束放大特性”的实验数据及本实验记录数据，计算Iω 、Iω′以及I2ω，并作出I2ω～Iω的变化曲线。

表1 实验数据 放大级泵浦电压 V泵 (V) 初始读测后读能量值平均值 E读（ mJ）剩余基频光强Iω′ 基频总基频总光强 (×1011cd/m2) 1.976 倍频输出光强I2ω (×1011cd/m2) 0.709 能量E出 Iω 数（mJ） 数（mJ） （mJ） 24.0 28.3 28.6 29.2 34.4 34.8 35.3 36.2 36 36 37.2 38.6 38.6 39.3 40.4 39.5 40.0 40.7 41.8 43.3 42.6 42.3 4.3 4.2 4.4 9.1 8.8 9.2 10.1 9.9 9.9 11.1 12.4 12.5 13 14.2 13.2 13.7 14.5 15.4 16.7 15.9 15.9 (×1011cd/m2) （mJ） 1.268 83.8 0 24.4 24.8 25.3 4.3 650 26.0 26.1 26.1 9.03 2.661 182.5 4.303 1.642 700 26.1 26.1 26.1 10.0 2.948 205.0 4.834 1.887 750 26.2 26.1 26.3 12 3.536 222.5 5.246 1.710 800 26.2 26.3 26.3 13.47 3.970 248.8 5.866 1.896 850 26.2 26.4 26.6 14.53 4.283 274.6 6.475 2.193 900 26.7 26.4 15.9 4.686 307.1 7.241 2.555 3I2ω（×E+11cd/m2）倍频输入输出特性曲线2.521.510.5Iω（×E+11cd/m2）01.522.533.544.555.566.577.5 图2 倍频激光输入输出特性曲线

实验现场