GCS-OPO 光学参量振荡可调谐激光器实验

由于工作物质特征频率的关系，一种激光器只能具有固定波长的激光输出，这就给其应用带来很大的局限性， 拓展激光波长覆盖范围一般利用可调谐激光器和非线性光学晶体的非线性效应，已成为物理学界、光学界、材料界 与技术界共同关注的问题。

光学参量振荡器 (Optical Parametric Oscillator，简称 OPO) 作为一种宽调谐相干光源，克服了固体和气体激光 器输出波长的局限性，能够产生从紫外到远红外激光。因其调谐范围宽、结构紧凑、使用方便以及功率高、波长覆 盖范围宽、具有较高的能量转换效率等诸多优点，己被广泛应用于各领域。

可调谐激光输出伴随的拉曼散射激光也是实验研究的重点，实验中不仅观察到一阶拉曼 - 斯托克斯散射激光， 在一段区域内还观察到二阶拉曼 - 斯托克斯散射激光，且两谱线与参量信号光谱线保持恒定波数差的情况下，同步 调谐。 

◆ 知识点：

光学参量振荡器、电光调 Q 技术、激光腔设计、激光器偏振、激光倍频、相位匹配角、拉曼激光、斯托克斯散

射

◆ 涉及课程：

激光原理、非线性光学技术

◆ 实验内容：

·氙灯泵浦激光器谐振腔调整与设计

·氙灯泵浦激光器电 - 光输出曲线测试

·激光器电光调 Q 激光输出并测量激光脉宽、单脉冲能量

·激光腔外倍频及测量匹配角、倍频效率

·光学参量振荡器调整及可调谐激光器输出

·拉曼激光输出及斯托克斯激光光谱测量

1-9 GCS-OPO

◆ 实验原理：

光学参量振荡器作为一种宽调谐相干光源，能够输出从紫外到红外的连续激光，克服了激光器固定波长的局限性。 光学参量振荡与激光混频（倍频、和频及差频技术）都属于三波相干参量过程，是晶体二阶非线性极化效应的结果。

一束频率和强度比较高的激光束与一束频率及强度较低得光束同时通过非线性介质，结果是信号波获得放大， 同时还产生出第三束光波（空闲波）。如果把非线性介质放在光学共振腔内，让泵浦光波、信号光波及空闲光波多 次往返通过非线性介质，当信号光波和空闲光波由于参量放大得到的增益大于它们在共振腔内的损耗时，便在共振 腔内形成激光振荡。这就是光学参量振荡器。

拉曼散射可以看作入射光的电磁波使原子或分子电极化以后所产生的，因为原子和分子都是可以极化的，因而 产生瑞利散射，因为极化率又随着分子内部的运动（转动、振动等）而变化，所以产生拉曼散射。

在光谱图中有三种线，中央的是瑞利散射线，频率为 v0 强度最强；低频一侧的是斯托克斯线，与瑞利线的频差 为 Δv，强度比瑞利线的强度弱很多，约为瑞利线的强度的几百万分之一至上万分之一；高频的一侧是反斯托克斯线， 与瑞利线的频差为 Δv，但比斯托克斯线弱很多。

◆ 光路示意图：

◆ 效果图：

◆ 技术指标：

·光轴指示激光：中心波长 650nm，输出功率 >2.5mW，外形 Φ14×58mm，工作电压 DC 3V，发散度 0.1-0.2mrad，工 作温度 -10℃～ +40℃；四维调整 ；

·激光波长：基频 YAG 输出 1064nm，倍频 532nm，OPO 可调谐输出（610nm-900nm）；

·最大输出能量： 900mJ(1064nm，静态 ) 200mJ(1064nm，动态 ) ；

·数字触摸屏激光电源：液晶 7 寸显示屏，界面包含放电设置、工作参数、Q 参数设置、系统设置等模块；充电电压 1000V（最 高），输出平均功率 1kW，放电频率 1-10 可调，可外触发 EXT 设置；放电脉宽 200μs，晶体高压 1-5000V，调 Q 延 时 180μs（50-300μs 可调）体积：360mm×370mm×180mm；

·调 Q 方式：电光调 Q，1 ～ 5KV( 可调 )，KD*P 晶体，四分之一电压 3400V，四维精密可调；

·腔镜组件：1064nm 全反镜：Φ20mm R>99.9%@1064nm； 1064nm 输出镜：Φ20mm T=80%@1064nm；；

·倍频组件：KTP：Φ5×6mm，AR@1064nm；II 类匹配，相位角可调；

·OPO 组件：OPO 宽带全反镜：Φ20mm R>99.9%@600-950nm； OPO 宽带输出镜：Φ20mm T=3%@600-950nm；

OPO 晶体：KTP 晶体，Φ3×5mm，AR@600-950nm

·激光能量计：光谱范围 0.19μm~11μm，对应四档量程 19.9mJ、199.9mJ、1.999J、19.99J，最小分辨率 10μJ；

·快速光电探测器：上升时间 0.5ns@Vp-p, 测量波长范围 850-1700nm，响应度 0.00094mV/uW，靶面直径 0.075mm， 耦合方式 DC 耦合，12V 积层电池供电

·光谱仪组件：光谱范围 350-1000nm, 分辨率 1.1nm，USB2.0，光纤接口 SMA905，积分时间：1-50ms，增益可调；

·导光光纤：铠甲封装，石英，芯径 300um，光纤接口 SMA905，长度 1.5m，工作波长 200-2000nm；

·激光防护镜：防护波段 1064&532nm，OD6+@200-560nm&740-1200nm；

·精密光学导轨承载系统：600mm（长）×100mm（宽），适用于 GCM 系列机械调整部件，中心高 50mm；

·精密机械调整架：角度精度 ±4′，分辨率 0.005mm，调节机构保证等双轴等高，横向偏差 1′，纵向偏差 1′；

·光学元件：BK7 A 级精密退火材料，焦距 ±2%，直径 -0.2mm，中心偏差 3′，光圈 1-5；局部误差 0.2-0.5，面粗糙度 60/40（Scratch/Dig），氟化镁增透膜镀膜，有效孔径 90%；

◆ 设备成套性：

指示激光组件、氙灯控制电源组件、激光腔组件、电光调 Q 组件、倍频组件、532nm 滤波组件、能量探测组件、 脉冲探测组件、OPO 组件、光谱仪组件、实验讲义

◆ 必备设备：

示波器、电脑

◆ 选配清单：

光学平台、光学清洁箱、光学储存干燥箱、实验设备展板

◆ 建议课时：

4 课时