实验装置：产生二次谐波的方法

图3-5为用于产生光学二次谐波的几种典型实验装置简图。它们通常由非线性工作晶体、基波辐射源、相位匹配装置等几部分组成。

图3-5　产生光学二次谐波的几种典型实验装置

（a）单次通过式；（b）外腔式；（c）内腔式

（1）非线性工作晶体。晶体均为人工生长的优质单晶，一般制成约为立方厘米大小的平行块状或几毫米厚平行片状。两个平行平面分别作基波入射面以及基波和谐波的出射面，这两个平面应有较高的加工精度要求。晶块（片）的通光厚度应不小于由式（3-18）所决定的有效作用长度。为实现相位匹配，晶体光轴相对于入射基波应取一定的角度（匹配角φ0）。为减少光的反射损耗，可以在非线性晶体的两通光表面上镀增透膜。(www.xing528.com)

（2）基波辐射源。可采用多种类型的激光器作基波辐射源。比较常见的是采用脉冲固体（如钕玻璃、掺钕石榴石、钛宝石等）激光器作基波源，此时可获得相应的脉冲式谐波输出。此外，亦可采用连续固体（如掺钕石榴石等）或气体激光器输出激光进行激励，从而获得连续二次谐波输出。基波光辐射可采用平行入射的方式通过非线性晶体，在某些情况下，亦可采用缩孔或聚焦细光束的方式通过晶体，以提高入射光强和二次谐波的产生效率。理想的基波辐射源应具有高的单色亮度，即应具有高峰值功率、窄的光谱线宽、小的光束发散角。前者是因二次谐波效率与基波功率成正比，而后两者则是由于相位匹配的要求。从这些要求出发，使用高功率单模激光器不仅有利于提高二次谐波的转换效率，而且能克服在空间和时间上的局部不均匀性，有利于提高非线性晶体的抗损伤阈值。但是要取得单模激光运转可能引起激光输出平均功率和效率的下降，因此实际使用何种基波辐射源和何种非线性晶体，应根据使用目的和对二次谐波输出的要求，并综合考虑激光的模式、线宽、脉宽和功率等因素与转换效率、损伤阈值等关系后再作出最佳的选择。

（3）相位匹配和激励耦合系统。根据所采用的非线性晶体以及实验条件的不同，可分别采取不同的相位匹配方式和激励耦合系统。图3-5（a）所示为一种最常使用的装置，适用于角度匹配和基波单次通过晶体的情况。图3-5（b）所示的装置，适用于温度匹配的晶体，该晶体还可置于一个外加共振腔内，让基波光束多次往返通过晶体，以增强二次谐波的效率。在使用较低功率连续激光作为基波进行激励时，为进一步提高由基波向二次谐波的转换效率，还可采取如图3-5（c）所示的装置，把二次谐波晶体置于基波激光器腔内；此时由于激光器腔内光强明显高于腔外光强，故可获得较高的谐波产生效率。

早期实验报道的二次谐波产生效率一般为10%～20%，后来这一效率提高到30%～50%，而在最佳实验室条件下获得的最高效率为70%～80%［8～11］。

二次谐波技术除了主要用于相干光频率上转换目的外，另一重要应用是用来测量超短激光脉冲的时间宽度。后一种应用的原理，是基于用共线或非共线光学自相关方法产生二次谐波，从而间接确定基波脉冲的宽度。为此，首先将基波脉冲光束分为两束并让两者之间的光程可以微调，然后令两光束以共线方式在满足相位匹配条件下通过倍频晶体，并记录二次谐波光强作为两光束脉冲相对时间延迟（Δt）的函数。当Δt=0时所记录到的信号最大，然后随Δt绝对值的增大而谐波信号逐渐减弱，这样测得的曲线称为二次谐波产生的自相关曲线。在假设基波脉冲形状为已知的前提下，由自相关曲线的半峰值全宽度τ，可以确定基波脉冲的半峰值全宽度τ0。例如假设基波光强脉冲具双曲正割函数平方（sech2）形状，有τ0=τ/1.55；若基波光强脉冲具高斯函数形状，则有τ0=。上述共线作用的缺点，是所测得的谐波自相关曲线存在着由两脉冲光束各自单独形成谐波的背底信号贡献。为克服这一缺点，可采用非共线作用，令两基波光束以小角度交叉方式入射到倍频晶体中，这样可在两光束角平分线方向上，产生无背底信号的自相关曲线。本书第12章介绍了许多用二次谐波自相关方法测量超短激光脉冲宽度的实例。