激光倍频技术原理
波长的改变(2)
1、原理：差频产生是光场在非线性晶体发生 的三波混频二阶非线性频率下转换过程， 其基本过程如图所示：
2、差频技术可得到从可见光到30µm范围内 的可调谐光源。
3、特点： 调谐范围宽、效率高、结构简单、能够实现 光波快速扫描和调制，并且不需要液氮冷 却。
4、应用： 差频在环境监测、遥感、医疗诊断和治疗、 激光光谱学研究、材料处理、数据通信、 光电测量、激光测距、激光雷达、红外对 抗等领域具有广泛应用。
5、应用实例：差频可以制作可调谐的中红外 相干光源，使其能够运用中红外激光光谱 技术探测大气甲醛的污染。
1、原理
强泵浦光与非线性相应率足够大的晶体 中的分子之间的参量相互作用，这种作用 可以描述为分子引起的泵浦光子的非弹性 散射，它吸收了一个泵浦光子产生了两个 新的光子。
2、特点： 1）优点：调谐范围宽、效率高、结构简单、
1）定性分析 高分子聚合物的测定 对生物大分子的研究
2）定量分析： 拉曼散射光强度与活性成分的浓度成正比， 因此可以利用拉曼光谱进行定量分析。
激光拉曼光谱实验装置图 由激光照射系统、样品池、散射光的收集与分光系 统、信号处理系统，四部分组成
2、受激拉曼散射：强激光的光电场与原子中的 电子激发、分子中的振动或与晶体中的晶格相 耦合产生的散射光谱线强度迅速增加，发散角 减小，线宽变窄具有很强的受激辐射特性。
3、可调谐的拉曼激光器是基于受激拉曼散射 的参量振荡器。
4、应用：激光拉曼光谱技术
3、激光拉曼光谱技术应用实例： 有机化合物的结构分析
工作可靠。 2）缺点：输出波长的调谐是由泵浦和相位匹
配条件决定，难以实现快速的波长调谐。
3、应用实例：皮秒光参量振荡放大器可用于 指纹印迹识别。
1、拉曼散射：
激光倍频实验报告
篇一：激光谐振腔与倍频实验激光谐振腔与倍频实验a13组 03光信息陆林轩 033012017 实验时间：2006-4-25[实验目的和内容]1、学习与掌握工作物质端面呈布儒斯特角的钕玻璃激光器的调节，以获得激光红外输出。
2、掌握腔外倍频技术，并了解倍频技术的意义。
3、观察倍频晶体0.53?m绿色光的输出情况。
[实验基本原理]1、激光谐振腔光学谐振腔是激光器的重要组成部分，能起延长增益介质的作用（来提高光能密度），同时还能控制光束的传播方向，对输出激光谱线的频率、宽度、和激光输出功率、等都产生很大的影响。
图1 激光谐振腔示意图（1）组成：光学谐振腔是由两个光学反射镜面组成、能提供光学正反馈作用的光学装置，如图1所示。
两个反射镜可以是平面镜或球面镜，置于激光工作物质两端。
两块反射镜之间的距离为腔长。
其中一个镜面反射率接近100%，称为全反镜；另一个镜面反射率稍低些，激光由此镜输出，故称输出镜。
（2）工作原理：谐振腔中包含了能实现粒子数反转的激光工作物质。
它们受到激励后，许多原子将跃迁到激发态。
但经过激发态寿命时间后又自发跃迁到低能态，放出光子。
其中，偏离轴向的光子会很快逸出腔外。
只有沿着轴向运动的光子会在谐振腔的两端反射镜之间来回运动而不逸出腔外。
这些光子成为引起受激发射的外界光场。
促使已实现粒子数反转的工作物质产生同样频率、同样方向、同样偏振状态和同样相位的受激辐射。
这种过程在谐振腔轴线方向重复出现，从而使轴向行进的光子数不断增加，最后从部分反射镜中输出。
所以，谐振腔是一种正反馈系统或谐振系统，具有很好的准直，选频和放大功能。
（3）种类：图2 谐振腔的种类按组成谐振腔的两块反射镜的形状以及它们的相对位置，可将光学谐振腔区分为：平行平面腔，平凹腔，对称凹面腔，凸面腔等。
平凹腔中如果凹面镜的焦点正好落在平面镜上，则称为半共焦腔；如果凹面镜的球心落在平面镜上，便构成半共心腔。
对称凹面腔中两块反射球面镜的曲率半径相同。
激光倍频效率matlab
激光倍频效率matlab
Matlab是一种用于进行科学计算和数据可视化的高级编程语言和环境。
对于激光倍频效率的计算，需要首先了解激光倍频的基本原理。
一般来说，激光倍频是将频率为v0的激光通过非线性晶体，在晶体中产生一系列频率为v0+n*v0的倍频光，其中n为正整数。
然后，通过滤波器选择所需频率的光。
对于倍频效率的计算，其公式一般为：
η=I2I1×100%
其中，I1为基频光功率，I2为倍频光功率。
因此，在Matlab中计算激光倍频效率，可以通过以下步骤实现：
1.获取基频光和倍频光的功率值；
2.使用上述公式计算倍频效率；
3.将计算结果进行可视化处理。
需要注意的是，在实际操作中，还需要考虑其他因素对倍频效率的影响，如激光束的形状、非线性晶体的质量和长度等。
因此，在计算倍频效率时，需要综合考虑各种因素，并进行相应的误差分析。
倍频激光原理
倍频激光器的原理激光激光是受激辐射光的简称，其原理是：当原子系统受到外来光子作用下，且外来光子能量刚好是原子系统某两个高低能级的能量差，即hv21=E2-E1时，则处于高能级E2的粒子可能会在这个光子的诱发下，而跃迁到低能级E1并发射一个与原外来光一模一样的光子，这种过程称之为光的受激辐射。
受激辐射产生的光就叫做激光。
激光器要使受激辐射起主要作用而产生激光，必须满足三个前提条件：1.有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，（Y AG激光器采用掺钕离子的钇铝石榴石制成的晶体棒）。
2.有外界激励能源，使介质上下能级产生粒子数反转分布。
（YAG激光器，采用氪灯或氙灯或半导体激光二极管泵浦，即用光轰击YAG晶体使其中的Nd3+产生粒子数反转分布，聚光腔起辅助作用，目的是使灯发出的光尽可能多的反射或散射到Y AG晶体上）。
3.有激光谐振腔，使受激辐射光在谐振腔中产生震荡，（最简单常见的是由一块半反镜，一块全反镜构成，激光由半反镜输出）。
谐振腔相当于激光器的正反馈，没有谐振腔即是一个光放大器，引进谐振腔而使放大光产生振荡形成激光振荡器，成为激光器。
因此，一个完整的激光器应包括：工作物质、外界激励能源、谐振腔。
YAG激光器YAG激光器是固体激光器的一种，它的工作物质是掺钕钇铝石榴石晶体（Y AG），即简称YAG激光器。
泵浦源泵浦源是为工作物质提供能量，使工作物质内原子产生受激辐射从而产生激光。
YAG激光器的泵浦源一般采用椭圆柱腔，氪灯和激光棒分别置于椭圆柱腔的两个焦点轴上，因椭圆的一个焦点（如氪灯）发出的光经一次反射或直射可达另一个焦点上（激光棒），所以，这种结构可以将氪灯发出的光尽可能多的汇聚在激光棒上。
不同的激光有不同的泵浦源。
倍频绿激光YAG激光器产生的激光的波长为1064nm，其波长比红色光的波长还要长，位于可见光范围外，属于红外线区域，因此，这种光可以称之为红外激光。
如果我们通过特定的方法，将1064 nm的红外激光的波长缩短为原来的一半（也就是频率增大为原来的一倍），那么，将产生一种波长为532nm的激光，它的波长正好处于可见光的绿光部分，因此，这种光我们称之为“绿激光”，而将Y AG激光的频率增大一倍的技术，我们称之为“倍频”。
第30讲 激光倍频技术
2E r , t
0
2P r , t
同样在外界光波电场E的作用下将引起介质内部的极化，产生 极化强度P，考虑到非线性相互作用，极化强度P可以写成：
P PL PNL PL 为线性极化项，PNL为非线性极化项。
上述两个过程互为因果，将两式联立可以解出介质中光场分布
当光电场强度很低时，可以忽略PNL，只保留线性极化PL， 即通常的线性光学
L 0 L 1 L 1 E1 E1 L 0 L 2 L 2 E2 E2
可以看出，由于非线性响应，在非线性介质中感应的极化强度， 不仅有频率1 和 2的分量，还有频率为21 、 2 2、1 2、1 2 的分量以及直流分量。 这些极化强度分量将辐射出相应频率的电磁
k 1 k 1
代入上式，可以得到联立方程组： 设光电场由频率为1 和 2 e 2 r1 r1 0 r1 E t 单色光组成： m i1 t i 2 t r r 2 r Ar 2 E t E e E e c .c . 1 2 2 0 2 1 2
波，这就是非线性光学中的倍频、和频、差频和光整流等光学效应。
10
30.1 非线性极化
三、极化率张量的性质
由极化强度的定义P Ner和P 0 E，可以得到各阶的极化 率为：
2
1
Ne 2 L 0m
线性极化率
Ne 3 A 2 L 2 L 2 倍频极化率 2 0m
对上述方程组求解，可以得到：
9
30.1 非线性极化
r1 t e E1 L 1 e i1 t E2 L 2 e i2 t c .c . m
激光倍频技术-光学频率之舞
激光倍频技术-光学频率之舞什么是倍频激光倍频激光是一种激光器输出的光束经过一个非线性光学晶体或非线性光学材料后，产生的光束频率翻倍的现象。
这个过程叫做倍频（Second Harmonic Generation，SHG），也被称为频率加倍。
在倍频激光中，通常使用非线性光学晶体或材料来实现频率翻倍。
这些材料对于不同频率的光有不同的折射率，因此当原始激光光束通过这些材料时，会发生频率加倍的现象。
具体来说，倍频过程中，两个光子被合并成一个光子，其频率是原始光的两倍。
如将激光倍频是指激光经过倍频晶体（LBO、BBO）生成波长减小一半，频率加倍的激光，晶体对1064nm强光倍频后为532的绿光。
倍频的条件晶体可以找到一个方向，使频率f1的基频激光，和2*f1频率的倍频光，折射率能够相同(光子动量守恒)，这样晶体中就可以存在理想的增益特征长度。
能量能够持续地从f1的基频激光转换到2*f1的倍频光中。
倍频技术的核心原理非线性光学原理在这些过程中是核心，非线性材料或晶体被用来将原始激光的频率改变。
以下是一些常见的倍频技术：二次谐波生成（SHG）：这是最常见的倍频过程之一，其中原始激光的频率翻倍，产生两倍频率的光。
SHG广泛用于激光光源和医学成像。
和频生成（SFG）：两个不同频率的光波通过非线性晶体相互作用，产生一个新的频率，其频率是两个原始频率的和。
SFG在界面科学和光谱学中有重要应用。
差频生成（DFG）：两个不同频率的光波相互作用，产生一个新的频率，其频率是两个原始频率的差。
DFG也用于光谱学和激光源。
光学参量振荡（OPO）：这种特殊的倍频过程中，一个非线性晶体中的激光光子分裂成两个较低频率的光子，同时满足能量守恒。
这通常用于产生可调谐的激光光源激光倍频的好处激光的波长越短，频率越高，光的粒子性越强，穿透力越强，传送完整电磁波的周期越短，激光脉冲的最短时间越短。
脉冲越短，所需要的电磁波的周期越短，频率越高。
这就是为什么皮秒或飞秒激光器的电磁波的频率越高的原因。
(完整版)激光倍频技术原理
ne (mI正 ) no2
1 no2 2
1
ne
(
I m正
)
2
cos
2
I m正
no 2
sin
2
I m正
ne 2
arcsin
(no )2 (no )2
(no2 )2 (ne )2
1/ 2
<2>正单轴晶体II 类 o e o2
E(2,
2
z)
ei(2tk2 z)
c.c.
E(, z, t) E(, z) ei(tkz) c.c.
2
Q dE(2, z) E2 (, z)ei(2k k2 )zdz
E(2, L) L dE(2, z) E2 ()eikL/2L sin(kL / 2)
就属于双轴晶体。双轴晶体的折射率曲面是双层双叶曲面，不再以Z
轴为光轴，Z轴是两个光轴的角平分线，折射率也不仅是 的函数，
也是 的函数
在双轴晶体中非光轴方向，中存在着两个相互正交的光电场 、 , 分别对应着双层双叶曲面的两个曲面E ' n'(,) 和 E '' n''(,) ，同样可 以利用角度匹配的方法，也分为I类（平行式）和II类（正交式）匹 配，即：
10
§8.3角度匹配方法
负单轴晶体的角度匹配
<1>负单轴晶体I类 no ne
基频光取o光偏振态，倍频光选e光偏振态 o o e2
要求no ne2
1
no
ne2
光倍频产生的原理
光倍频产生的原理光倍频是一种通过非线性光学效应将输入光的频率提高为倍频的技术。
它是一种重要的实验技术和光学器件，广泛应用于光学通信、激光器、光谱分析和光学传感等领域。
光倍频的原理基于非线性光学效应，其中最主要的是其非线性极化效应。
非线性光学效应是指光在介质中传播时，与介质产生相互作用，使光在介质中的行为不再服从线性的Maxwell方程，出现非线性现象。
具体而言，在非线性介质中，光与介质分子之间的相互作用导致介质分子的极化现象，从而改变了光的传播行为。
介质的极化性质决定了光与介质分子之间的相互作用。
对于线性介质，极化强度与电场强度成正比，其极化率是一个常数。
而对于非线性介质，极化强度与电场强度不再成线性关系，而是成倍数关系，即P=aE+bE^2+cE^3+...（其中P为极化强度，E为电场强度）。
在非线性光学效应中，光与介质分子之间的相互作用导致分子的极化现象，并且极化强度与光强度的高次幂关系有关。
而当输入光的强度较小时，高次幂项可以忽略不计，从而可以得到较低阶的极化强度。
而光倍频就是利用非线性光学效应中的二阶非线性效应，将输入光的频率提高一倍的过程。
在光倍频器件中，输入光经过非线性介质后，会通过二阶非线性的极化作用产生新的频率成分，即倍频的光。
这主要通过二次谐波产生来实现。
二次谐波产生是指将输入光的频率提高为其二倍，即将一个光子转变为两个光子。
在光倍频过程中，需要选择合适的非线性光学材料，常见的非线性光学材料有二氧化硅、二硫化碳、氮化硼等。
这些材料具有较高的非线性极化率，可以有效地产生倍频效应。
光倍频的过程可以通过耦合模理论进行描述。
耦合模理论认为，输入光与介质之间的相互作用可以视为一系列耦合的光波模式之间的相互作用。
在光倍频过程中，输入光首先进入非线性介质，其频率与第二倍频的频率匹配。
介质中的非线性效应导致光子之间的行为发生变化，从而产生第二倍频的光子。
实际上，光倍频并不是一个单独的过程，它还与其他非线性过程相互影响。
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§8.3角度匹配方法
负单轴晶体的角度匹配
<1>负单轴晶体I 类 no ne
要求no ne2 2
2 2 o 2 2 o 1 2
基频光取o光偏振态，倍频光选e光偏振态 o o e 2 no n (
2 e I m负
)
1
no
2
2 o 2
1 n (
e
I m正
)
2
n
2 o
ne
2
2 (no ) 2 (no ) 2 arcsin 2 2 (no ) (ne )
<2>正单轴晶体II 类 o e o 2
1 cos 2 sin 2 2 2 ne ( ) no ne2 ne ne ( ) no no
9
§8.3角度匹配方法
角度相位匹配 相位匹配要求nω=n2ω，由于色散的存在，nω一般不等于n2ω。 对于各向异性晶体，由于存在双折射，不同偏振态的光电场对应的 折射率也不相同。 在某个方向上，可以使色散与双折射互相抵消，实现nω=n2ω。
为消除光孔效应和相位失配，必须使 sin(2 m ) 0 m 0， m / 2，即使基频光垂直光轴入射。
对于负单I 类，要满足no ne2 , 使曲线在A处相切，
一般采用控制温度的方法实现。因此NCPM 也称为 90o 温度匹配。
15
§8.3角度匹配方法
§8.2倍频技术
激光倍频技术也称为二次谐波（SHG）技术，是最先在实验上发现的 非线性光学效应。1961年由Franken等人进行的红宝石激光倍频的实 验，标志着对非线性光学进行广泛实验和理论研究的开端。激光倍频 是将激光向短波长方向变换的主要方法，已达到实用化的程度，并且 有商品化的器件和装置，目前获得非常广泛的应用。
I 只有在La内才能有效倍频。对于负单轴I 类相位匹配有：tg sin(2 m负 )
非临界相位匹配NCPM
入射光束有发散角，偏离了交点的位置，使得
2 no ne ( m ) c 级数展开做近似有：k sin(2 m )
2 ne ( m ) no ，即k
主轴折射率和色散公式确定以后，可采用计算机数值计算求解。
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§8.3角度匹配方法
光孔效应和非临界相位匹配 对于e光，其波矢ke与能流方向e不一致，即ke e，设其夹角为 ,对于光束直径为A 光孔效应
的光束，经过La A / tg的距离后，e光与o光分离，为走离角，La称为孔径长度。
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§8.3角度匹配方法
正单轴晶体的角度匹配
<1>正单轴晶体I 类 ne no
2 要求ne no
1/2 I cos 2 m正 I sin 2 m正
基频光取e光偏振态，倍频光选o光偏振态 e e o 2
I 2 ne ( m正 ) no
1 n
角度匹配规律 dn 2 在正常色散条件下，d 0 n n 的偏振态： ( n n ) 0 e e 2 负单轴
倍频光总是取低折射率所对应
正单轴 ( ne no )
o 2
基频光不取或不单独取低折射率所对应的偏振态，总有取高折射率
所对应的偏振态，这样就补偿了正常色散造成的
、 , 分别对应着双层双叶曲面的两个曲面E ' n '( , ) 和 E '' n ''( , ) ，同样可 以利用角度匹配的方法，也分为I类（平行式）和II类（正交式）匹 配，即：
' I I '' I I n ( m , m ) n2 ( m , m )
1 ' II II '' II II II II n ( m , m ) n ( m , m ) n '' ( m , m ) 2
dE1 i1 * d eff E2 E3e ikz n1c dz dE2 i2 d eff E1* E3e ikz n2 c dz dE3 i3 d eff E1 E2 eikz n3c dz
§8.1概论
其中，n1,2,3为各自的折射率(1,2,3 ) d eff (2) /2为有效非线性系数 k k1 k2 k3为相位因子
ne no
ko ke c no c ne ( ) 2 2 ko2 no c 1 II 2 no no ne ( m正 ) 2 II 与基频e光联立求解可得 m正
12
§8.3角度匹配方法
电偶极矩辐射特点： θ=0，<s>=0 ; θ=π/2，<s>=Imax
3
Brewster low
4
波耦合作用 在介质中，总的极化强度为P=PL+PNL，可分为线性极化PL 和非线性极化PNL。 PNL是两个以上光电场E相乘的结果， 导致了不同光电场之间出现相互影响，相互作用，相互之 间有能量转移，即光波之间有耦合作用。 由Maxwell方程组可以推导出相应的波耦合方程组，对于二 阶非线性效应，频率关系为 3 1 2 的光电场有：
deff 2 ( z ) (0) tanh[ z (0)] cn
17
§8.3角度匹配方法
基频光与倍频光在晶体中的“消长”过程和光波能量转移
18
§8.4倍频方式
2 I 2 ( L) L2 I sinc 2 ( kL / 2)
倍频效率 0 腔外倍频由于SHG I , 所以在满足相位匹配条件之外，还要采用
时，第二项的作用逐渐增强，即随着电场E的 不断增强，偶极子的振动超过了线性区，产生了非线性效 应，对应的非线性效应为：SHG，SFG，DFG，OPO… 第三项对应更高的非线性光学效应:THG,SRS,SBS,FWM,...
(2)
E : (1)
2
Electric dipole
§8.1概论
7
§8.2倍频技术
相位匹配条件及其意义
SGH ~ sinc 2 ( kL / 2)
Q sinc(0) 1 当kL / 2 0时， SGH max Q L 0， 只有k 0 称为相位匹配条件
相位匹配条件的物理意义
1 光子动量守恒 u v v P hk 2k k 2 0 k 0 2 相速度相同 2 k n n c c / n k 2 n 2 n 2 2 2 2 2 2 c c / n2 2 2 2 k k 2 0 2 2
§8.3角度匹配方法
保证在相位匹配条件下
(2 2
2 2 2
基频光能量不断向倍频 转移。
3 ) 2
2
( z ) ( z ) (0)
d 2 ( z ) deff 2 2 [ (0) 2 ( z )] dz cn
积分后, 得到在相位匹配条件下的严格解
k 0
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§8.3角度匹配方法
n n( , ) 双轴晶体的角度匹配 一般来讲，晶体的对称性越低，非线性率越大，倍频效率较高的KTP 就属于双轴晶体。双轴晶体的折射率曲面是双层双叶曲面，不再以Z 轴为光轴，Z轴是两个光轴的角平分线，折射率也不仅是 的函数， 也是 的函数
在双轴晶体中非光轴方向，中存在着两个相互正交的光电场
P f ( E ) 0 (1) gE (2) : EE (3) M EEE L L Pi 0 ij E j ijk E j Ek ijkl E j Ek El L L
第一项是线性极化，包括了线性光学的内容。 当
激光原理与技术
激光倍频技术
1
§8.1概论
非线性极化 光是一种电磁波，在介质中传播时，先将介质内部的电偶 极子极化，然后这些电偶极子产生受迫振动，辐射出相应 的电磁波。光在介质中的相速度为c/n<c，正是反映了辐射 ~极化~再辐射的过程。 在介质内部，电磁场E与极化P互为因果，有下面函数关系：
调Q、锁模技术来提高基频光的峰值功率。倍频晶体的长度 不要超过孔径长度La。
0 若采用聚焦来提高I，为了避免光束发散导致k 0的相位
SGH L2 I sinc 2 (kL / 2)
02 n 匹配，晶体长度L f 2 z0 2 ，z0为高斯光束的准直长度。
2 4n 2 2 P w I0 I 2 (2 z0 ) 2 2 P 02 0 倍频光的光强只与基频光的峰值功率的平方成正比
1
I ne2 ( m负 ) 2
cos
2
n
I m负 2 2 o
sin
2
n
I m负 2 2 e
(n ) (n ) arcsin 2o 2 (ne ) ( n )
<2>负单轴晶体II 类 o e e 2
2 E ( , z , t ) E ( , z ) e i (t k z ) c.c. 2 Q dE (2 , z ) E 2 ( , z )ei (2 k k2 ) z dz
L
2
E (2 , L) dE (2 , z ) E 2 ( )eikL /2 L
no ne
ko ke no ne ( ) c c 2 2 ke2 ne ( ) c 1 II II ne2 ( m负 ) no ne ( m负 ) 2 II 与基频e光和倍频e光联立求解可得 m负