一.  实验目的

1. 学习固体激光器的搭建，熟悉不同腔型、不同温度下激光输出功率的差异。

2.       了解光在非线性材料中的非线性极化及倍频过程中的有效非线性系数计算。

3.       熟悉倍频过程中的角度相位匹配、温度相位匹配方法。

4.       熟悉激光倍频晶体的调节及倍频效率的测量。

二.  实验原理

7.1  Nd:YVO₄激光器的搭建

本实验提供半导体激光器温控驱动电源和激光系统两部分。驱动电源主要用于半导体激光器的电流驱动和温度控制。电源使用细节及步骤如下：

1. 用“Current Set”电流时，因为用的是2W的LD, 所以调节电流时显示的电流值最大不要超过2A。在不制冷情况下, 电流的调节最大值会相应的减小, 因为要是室内温度比较高的话电流还没有达到最大值时系统也有可能过热报错。

2. 电源电流和TEC热敏电阻值的切换按钮为后面板的“5，电源表头显示选择开关”，拨到“Cur”，前面板显示的是电流值，如拨到“Rt1”前面板显示的是TEC1的热敏电阻值，拨到“Rt2”前面板显示的是TEC2的热敏电阻值，此值可以通过热敏电阻与温度的换算表换算为具体的温度；“TTL”调制方式开关一般不用。

3. 先开电源开关（ON），缓慢调节“Current Set”电流按钮直至所需的电流值，工作中如果“Error，过热保护指示灯”显示红灯时，请立即把“Current Set”电流按钮逆时针调到最小并关闭电源按钮（OFF），休息半小时后再工作。每次关闭电源开关前都要把电流调节到最小。

4. 控温电流调节电位器（边上的延伸调节钮），是用来调节制冷电流值，并通过热敏电阻显示的阻值，转化为具体的控制温度，可以通过调节此旋钮实现对TEC温度的控制。每次关闭电源开关前, 控温电流调节电位器也要逆时针调节至最小。(其初始都是在最小的位置)

5. 使用时要注意不要碰掉电源与激光器之间的插头, 系统一旦突然断电对LD及制冷片都会造成很大的损伤。

激光系统包括聚焦透镜、增益介质、输出腔镜、倍频晶体等器件，固定在一个机械底座上，机械底座上有一系列的固定孔，便于调整腔长。

1. 光路调节。调整聚焦透镜、增益介质的位置和光轴重合。选取一个输出镜，调整合适腔长固定好，调节输出镜后端的旋钮，调整输出镜的倾斜度，获得激光输出。

更换不同曲率半径的输出镜、调整腔长进行不同谐振腔的输出功率对比实验。

2. 调节驱动电流的大小，观察激光输出功率随电流的变化情况。

3. 调节不同制冷温度下（LD制冷），观察激光输出功率的变化。

4. 在腔内加入倍频晶体，并调整中心与光轴重合，获得绿光输出。#p#分页标题#e#

5. 测量激光的倍频效率。

6. 调整倍频晶体的位置，观察激光输出光斑模式的变化。

7. 每次使用完关机后最好盖上激光器盖, 保证系统及镜片的干净。

8. 尽量不要频繁更换, 擦拭激光器晶体, 而且擦拭, 更换完盖上铜片的时候要小心, 轻轻的压上就好, 因为晶体很薄, 很容易破碎, 断裂。

系统有无激光输出情况分析：

1) 首先检查LD是否能正常出光?如不能， 1、LD烧损 2、LD电源线路接触不好，请重新确认电线接触后再试。

2) 使用一段时间后因为聚焦镜变脏导致输出LD功率损耗从而系统不出光, 观察LD激光过聚焦镜后光斑是否模糊, 拆下聚焦镜支架擦拭聚焦透镜。

3) 确定把电流调节至系统阈值电流之上，最初调节时一般大于0.7A就可以出光, 出光后电流调节到0.3A以上一般都有激光输出。

4) LD光没有汇聚到激光晶体上，太近或者太远，调节激光晶体和LD聚焦镜之间的距离，LD最佳聚焦点一般在激光晶体入射面往后0.3-0.5mm处。由于灰尘在激光晶体表面, 高功率时容易点燃灰尘弄脏晶体表面, 所以要定期检查并擦拭。

     5) 更换激光晶体时晶体高反膜面要冲 LD方向，注意晶体C轴(侧面涂黑的面)与泵浦光偏振方向的匹配。如果不管C轴，系统也可以出光, 就是功率相对较低。

     6) 平凹输出镜的正确放置，凹面向腔内，平面向外输出。

     7) 检查晶体，镜片有无打裂、损坏。

8) 整个光路有无严格对准，请用HE-NE光对准光路并调节后再试。

9) 系统过冷或过热。当显示的热敏值>40K或<10K时, 系统会自动断电保护, 请立即调节电流值到最小并关闭电源30分钟。

影响输出功率的因素：

1) 光路没对准，请调节光路，主要是调节输出腔镜。

2) LD的聚焦点位置不对，适当调节LD与激光晶体的距离。

3) 热效应太严重，请调节正确的热敏电阻值进行制冷。

4) 基频光的光斑不好, 使用感光片调节输出镜来调整基频光到圆斑。

5) 倍频晶体放置的不好，适当调节其位置，如还不能改善，请将整个晶体沿光路方向转个90°再试。

6）检查镜片和晶体表面是否干净？表面不干净也会影响出光功率。

7. 2倍频

       激光倍频的基本原理见《光电子学》，这里只把一些常用的倍频器件及倍频方式作一简单介绍。

1．  倍频晶体：目前常用的倍频晶体有KTP晶体，KDP晶体，KD^＊P晶体，LiNbO₃，BBO　　晶体， LBO晶体等。

2．  倍频方式：首先可根据倍频晶体放置的位置――激光谐振腔内或腔外，分为腔内倍频和腔外倍频两种。

由于倍频晶体的阈值很高，因此要获得高的倍频效率，基波的功率密度要足够高。这样对连续的激光器，一般均采用腔内倍频方式。如LD泵浦的Nd:YVO₄连续倍频激光器，两个谐振腔镜对基波（波长为1.064mm）都镀高反膜，而对二次谐波（波长为0.532mm）有一定的耦合输出，这样腔内的基波功率密度就非常高，就能获得高的二次谐波转换效率。当LD泵浦功率为50 W时，可获得10 W的CW（Continuous Wave）532nm绿光输出。

当基波为调Q激光脉冲或锁模激光脉冲时，由于其峰值功率很高，已达几十兆瓦，此时采用腔外倍频，既可获得很高的二次谐波转换效率，且装置十分简单。如采用KTP或BBO倍频晶体，对波长为1.064mm，脉宽为10ns，脉冲能量为500mJ的基波进行倍频，即可获得350mJ 的532nm绿光输出，倍频效率可达到70%以上。

3． 相位匹配方式：相位匹配在非线性效应的应用中起着十分重要的作用，实现相位匹配的方法有角度匹配、温度匹配及准相位匹配三种。准相位匹配不在这里介绍。

角度匹配又称为临界相位匹配，可分为两大类，如下表所示：

温度相位匹配又称为90⁰相位匹配，工作特点：，走离角。其实现方法是通过改变晶体的温度，来达到改变基波及谐波的折射率，实现90⁰相位匹配。角度相位匹配（临界相位匹配）方式的缺点是：１）存在走离角，使基波的寻常光（O光）和非寻常光（e光）或基波与谐波发生分离，降低了谐波转换效率。２）相位匹配对角度非常敏感（故称为临界匹配），降低了倍频的稳定性。而温度相位匹配就克服了角度相位匹配的缺点，因此获得了广泛的应用。目前，LD泵浦Nd:YVO₄固体激光器，即采用腔内倍频，温度匹配方式工作，倍频晶体采用BBO晶体，相位匹配温度为约150°Ｃ，可实现10W 532nm绿光输出。

       本实验中，基波为连续输出的1.064mm激光，倍频晶体选用KTP晶体，采用腔内倍频，角度相位匹配方式（第II类相位匹配）。实验装置的结构如图7-5所示：

图7-5 腔内倍频实验结构

图7-6、图7-7则表示了在KD^＊P晶体中实现第II类相位匹配过程中，基波、二次谐波光在晶体内外的电场、波矢、光线、相位匹配角及走离角等的示意图。

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图7-6 相位匹配过程中电场、波矢方向示意图

7-7 相位匹配过程中的电场矢量图