Генерация оптических гармоник в нелинейных кристаллах

Упражнение 1. Лазер на иттрий-алюминиевом гранате, измерение его энергии и к.п.д.
По указанию преподавателя включить лазер и проверить совпадение направления распространения лучей гелий-неонового и гранатового лазеров.

Рис. 4. Оптическая схема для измерения энергии лазерного импульса. 1 – юстировочный гелий-неоновый лазер, 2 – лазер на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом, 3 – светофильтр ИКС-1, 4 – приемная головка измерителя энергии излучения.

Установить приемную головку прибора ИМО-2 по лучу юстировочного лазера на расстоянии не менее 1,5м от гранатового излучателя (см. Рис. 4), и, установив перед головкой фильтр ИКС-1 для отсечки излучения лампы накачки и флуоресценции граната, измерить энергию одиночных лазерных импульсов при различных напряжениях на накопительных конденсаторах блока питания лазера. Измеряемый импульс нагревает чувствительный элемент, расположенный в головке ИМО-2, и прибор фиксирует поглощенную энергию.

Накопительные конденсаторы разряжаются через импульсную лампу-вспышку, которая освещает кристалл граната, обеспечивая его накачку и, следовательно, лазерную генерацию. Начинать измерения необходимо с напряжения 950В, уменьшая его с шагом 50В. Для каждого уровня накачки лазера снять 5 измерений. Определить пороговое напряжение, при котором генерация лазера срывается (возникает).
Учитывая, что запасенная энергия конденсатора W=CU²/2 и что в сам кристалл граната энергии вкладывается примерно в три раза меньше электрической, определить пороговую энергию накачки данного лазера и его кпд. Емкость накопительных конденсаторов С = 75мкФ.
Упражнение 2. Генерация второй гармоники и измерение энергии излучений.
Выставить уровень накачки гранатового лазера 950В. Снять светофильтр ИКС-1. Установить в 20-30см от лазера рейтер с юстировочным столиком. Установить перед головкой ИМО-2 экран из белой бумаги.
В качестве удвоителя частоты используется кристалл КДП. Он вырезан вдоль направления синхронизма для взаимодействия оое и помещен в контейнер из органического стекла. На контейнере риской обозначено примерное положение оптической оси. Контейнер необходимо закрепить на юстировочном столике вдоль луча гелий-неонового лазера, так чтобы горизонтально поляризованный луч основного излучения проходил сквозь кристалл как обыкновенный, т.е. вектор напряженности электрического поля световой волны Е должен быть ортогонален плоскости, положение которой определяется направлением луча и оптической осью кристалла.

Рис. 5. Оптическая схема для генерации второй гармоники. 1 – юстировочный гелий-неоновый лазер, 2 – лазер на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом, 3 – нелинейный кристалл КДП или ниобата лития для генерации второй гармоники, 4 – светофильтр СЗС-22 или ИКС-1, 5 – приемная головка измерителя энергии излучения.

Поворачивая юстировочным винтом контейнер с кристаллом на небольшие углы в плоскости перпендикулярной поляризации основного излучения, наблюдать визуально на экране зеленое пятно от излучения второй гармоники (длина волны – 0,532мкм). Максимальная яркость его соответствует настройке на фазовый синхронизм. Поляризация второй гармоники будет ортогональна поляризации исходного луча, т.е. вектор Е световой волны ориентирован вертикально.

Установив после удвоителя фильтр СЗС-22, для отсечки основного излучения, и убрав экран, измерить энергию второй гармоники следующим образом. Чувствительность прибора ИМО-2 недостаточна для регистрации одиночного импульса второй гармоники, поэтому, необходимо быстро нажимая на кнопку запуска лазера отсчитать 50 импульсов. Общая поглощенная энергия разогревает чувствительный элемент прибора до регистрируемой величины. Снимаются его показания и делятся на 50 для определения энергии одного импульса. Процесс повторяют 2-3 раза.
Заменив фильтр СЗС-22 на ИКС-1 измерить энергию остаточного, т. е. не преобразованного основного излучения.
Такие же операции проделать с кристаллом ниобата лития (взаимодействие оое).
Зная энергию основного излучения из упражнения 1, найти в процентах энергетическую эффективность параметрического преобразования кристаллов.
Учитывая, что длина кристалла КДП 40мм, а ниобата лития 15мм, найти отношение их коэффициентов «качества» а_ниоб : а_кдп (см. выражение 10)). Напомним I = P / S = E / τS (см. выражение 1)). С некоторым допущением можно принять, что длительности импульсов и поперечные сечения пучков второй гармоники и основной частоты одинаковы.