激光频率变换技术讲解共19页
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激光调技术演示文稿
(一般为几十千瓦数量级)。不能提高的原因。 既然激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，那
么，要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变（增加）激
光器的阈值来实现，就是当激光器开始泵浦初期，设法将激光器
的振荡阈值调得很高，抑制激光振荡的产生，这样激光上能级的
反转粒子数便可积累得很多。
第9页，共24页。
第4页，共24页。
产生弛豫振荡的主要原因：当激光器的工作物质被泵浦，上能级的粒子反转数 超过阈值条件时，即产生激光振荡，使腔内光子数密度增加，而发射激光。随着激 光的发射，上能级粒子数大量被消耗，导致粒子反转数降低，当低于阀值时，激光振 荡就停止。这时，由于光泵的继续抽运，上能级粒子反转数重新积累，
（1）第一阶段：积累阶段
电光调Q激光器如图所示。未加电场前晶体的折射率主轴为z、y、z。沿晶体光轴方向z 施加一外电场E ,由于普克尔效应,主轴变为x‘、y’,z‘。令光束沿z轴方向传播,经偏振器 后变为平行于x轴的线偏振光,入射到晶体表面时分解为等幅的x'和y'方向的偏振光,在晶体中 二者具有不同的折射率η’x和η’y。经过晶体长度d距离后,二偏振分量产生了相位差δ
声光调Q开关时间一般小于光脉冲建立时间,属快开关类型。由于开关的调制电压只需100 多伏,所以可用于低增益的连续激光器,可获得峰值功率几百千瓦、脉宽约为几十纳秒的高重复率巨 脉冲。但是,声光开关对高能量激光器的开关能力差,不宜用于高能调Q激。
只有振荡持续到t＝tD时，增长到了
ΦD ，雪崩过程才形成， Φ才迅速增 大，受激辐射才迅速超过自发辐射 而占优势。
ΦD Φi
图3 从开始振荡到脉冲形成的过程
第13页，共24页。
②激光产生输出 忽略泵浦和自发辐射的影响。
激光器的基本技术激光调Q技术讲解课件
的数字通信。
测量领域
利用激光的高亮度和相干性好 的特点，实现高精度的测量和 定位。
军事领域
利用激光的高亮度和方向性好 的特点，实现远距离的探测、 跟踪和瞄准。
工业领域
利用激光的高亮度和高能量密 度的特点，实现各种加工和制 造，如切割、焊接、打标等。
02
激光调Q技术介绍
调Q技术的定义
调Q技术
调Q技术是一种控制激光器输出 脉冲宽度的技术，通过调节激光 器的腔长或腔内损耗，使激光器 在脉冲状态下工作，从而获得短 脉冲和高峰值功率的激光输出。
当激光器处于低损耗状态时，腔内的光子数会逐渐增加，当腔内的光子数达到最 大值时，突然关闭腔的损耗，使腔内光子数突然剧增，导致激光器产生单脉冲输 出。
调Q技术的实现方式
机械方式
通过调节反射镜或光学元件的位 置来实现腔长或折射率的调节。
电学方式
通过改变腔内电场的分布来实现 折射率的调节。
调Q技术的优缺点
调Q技术的原理
调Q技术的原理是通过调节激光 器的腔长或腔内损耗，使激光器 在脉冲状态下工作。在脉冲状态 下，激光器的输出功率和光束质 量得到显著提高，从而获得短脉 冲和高峰值功率的激光输出。
调Q技术的分类
调Q技术可以分为被动调Q和主动 调Q两大类。被动调Q技术利用某 些材料的物理特性（如非线性折 射率变化）来实现腔内损耗的调 节；主动调Q技术则通过外部控 制电路或声光调制器等设备来实 现腔内损耗的调节。
等优点。
激光调Q技术在工业领域的应用
激光调Q技术在工业领域的应用也非常广泛，它可以用于加工各种材料，如金属、 非金属、复合材料等。
激光调Q技术还可以用于制造各种产品，如激光打印机、激光投影仪、激光传感器 等。
测量领域
利用激光的高亮度和相干性好 的特点，实现高精度的测量和 定位。
军事领域
利用激光的高亮度和方向性好 的特点，实现远距离的探测、 跟踪和瞄准。
工业领域
利用激光的高亮度和高能量密 度的特点，实现各种加工和制 造，如切割、焊接、打标等。
02
激光调Q技术介绍
调Q技术的定义
调Q技术
调Q技术是一种控制激光器输出 脉冲宽度的技术，通过调节激光 器的腔长或腔内损耗，使激光器 在脉冲状态下工作，从而获得短 脉冲和高峰值功率的激光输出。
当激光器处于低损耗状态时，腔内的光子数会逐渐增加，当腔内的光子数达到最 大值时，突然关闭腔的损耗，使腔内光子数突然剧增，导致激光器产生单脉冲输 出。
调Q技术的实现方式
机械方式
通过调节反射镜或光学元件的位 置来实现腔长或折射率的调节。
电学方式
通过改变腔内电场的分布来实现 折射率的调节。
调Q技术的优缺点
调Q技术的原理
调Q技术的原理是通过调节激光 器的腔长或腔内损耗，使激光器 在脉冲状态下工作。在脉冲状态 下，激光器的输出功率和光束质 量得到显著提高，从而获得短脉 冲和高峰值功率的激光输出。
调Q技术的分类
调Q技术可以分为被动调Q和主动 调Q两大类。被动调Q技术利用某 些材料的物理特性（如非线性折 射率变化）来实现腔内损耗的调 节；主动调Q技术则通过外部控 制电路或声光调制器等设备来实 现腔内损耗的调节。
等优点。
激光调Q技术在工业领域的应用
激光调Q技术在工业领域的应用也非常广泛，它可以用于加工各种材料，如金属、 非金属、复合材料等。
激光调Q技术还可以用于制造各种产品，如激光打印机、激光投影仪、激光传感器 等。
激光频率变换技术
03
激光频率变换技术的应 用
光学参量振荡器（OPO）的应用
总结词
光学参量振荡器（OPO）是激光频率 变换技术中的一种重要应用，它利用 非线性光学效应，通过改变输入激光 的频率，产生新的激光输出。
详细描述
OPO技术广泛应用于激光雷达、光谱 学、光学通信等领域。通过调整输入 激光的参数，如功率、波长和相位， 可以获得不同频率的激光输出，满足 各种实验和应用需求。
激光频率变换的重要性
拓展激光应用范围
通过激光频率变换，可以将单一 波长的激光转换为多种波长的激 光，从而拓展了激光的应用范围。
提高激光性能
频率变换技术可以用于产生高功率、 高亮度、窄线宽等高性能的激光， 满足不同领域的需求。
实现光子器件集成
通过激光频率变换，可以将不同波 长的激光集成在同一光子器件中， 实现光子器件的小型化和集成化。
宽调谐范围
为了适应不同波段和光谱范围的应用，激光频率 变换技术将向宽调谐范围发展，实现更灵活的光 谱调控。
微型化与集成化
随着微纳加工技术的发展，激光频率变换技术将 逐渐实现微型化和集成化，有助于降低成本和提 高可靠性。
应用前景
光学通信
生物医学成像
激光频率变换技术可用于实现高速、大容 量的光学通信系统，满足未来信息传输的 需求。
详细描述
在光学声子频率变换中，通过在介质中产生光学声子，利用其与光子的相互作用 ，实现激光频率的变换。这种技术具有较高的转换效率和调谐范围，被广泛应用 于光通信和量子信息等领域。
声光调制频率变换
总结词
声光调制频率变换是一种利用声波调制激光频率的技术。
详细描述
声光调制器是一种利用声波调制激光光束的装置，通过在介 质中产生声波，利用其与光波的相互作用，实现激光频率的 调制。这种技术具有较高的调制速度和调谐范围，被广泛应 用于光通信和显示等领域。
第三讲-激光稳频技术PPT课件
振腔的两个反射镜安置在殷钢架上，其中一个贴在压电陶
瓷环上；陶瓷环的长度约为几厘米，环的内外表面接有两
个电极，加有频率为f的调制电压，当外表面为正电压, 内表
面为负电压时陶瓷环伸长, 反之则缩短。改变陶瓷环上的电
压即可调整谐振腔的长度，以补偿外界因素所造成的腔长
变化。光电接收器一般采用硅光电三极管，它能将光信号
mc(mc) mmcc
近红外和可见光波段，其多普勒线宽Δυm一般不小于
108~109Hz， Δυc约为106~107Hz量级，利用泰勒展
开， f(x ) f( 0 ) f( 0 )x f2 ( ! 0 )x 2 ，取到一次方，
2021/7/24注意x= Δυc/ Δυm（可认为是小量）
7
c(mc) m c
2021/7/24
13
4）磁场的影响
为了减小温度影响，激光谐振腔间隔器多采用殷钢 材料制成，但殷钢的磁致伸缩性质可能引起腔长的变化， 如1.15μm波长的He-Ne激光器，仅由于地磁场效应可以 产生140kHz的频移。因而地磁场效应和周围电子仪器的 散磁场对于高稳定激光器影响必须加以考虑。
综上所述，环境温度的变化、机械振动等外界干扰
q
c 2nL
(注2nL=qλ)
q为纵模的序数。从式中可以看出，若腔长或腔内的折 射率n两者都发生变化，则激光振荡频率也将变化，
(类似于偏微分,再把上式代入可得下式)
q ( 2 n L c 2 L 2 n n 2 L ) ( L L n n )
LL
nn
故激光频率的稳定问题，可以归结为如何设法保持腔
2021/7/24
图1 单频CO2激光器防震、恒温装置
15
1.激光器 2.减震器 3.石英玻璃管 4.铅筒(外绕加热丝)
激光原理与激光技术完整演示文稿
主动稳频方法大致可分为两类： 1. 利用原子谱线中心频率作为鉴别器进行稳频，如兰姆凹陷稳频法； 2. 利用外界参考频率作为鉴别器进行稳频，如饱和吸收稳频。
第5页，共48页。
对参考标准频率的要求： （１）谱线中心频率的稳定性和复现性要好。 （２）线宽要窄。 （３）有足够的信噪比。 （４）谱线频率与受控激光器频率要匹配。
兰姆凹陷稳频利用激光本身的原子跃迁中心频率作为参考点，而原子跃 迁的中心频率易受放电条件等影响而发生变化，所以频率稳定性和复现性受 到局限。
饱和吸收稳频：采用外界参考频率标准进行稳频，如在谐振腔中放入一 个低气压的原子（分子）吸收管，气压很低，碰撞加宽很小，吸收线中心频率 的压力位移也很小，吸收管无放电作用，故谱线中心频率比较稳定，谱线宽度 较窄，所以在吸收线中心处形成一个位置稳定且宽度很窄的凹陷，以此作为频 率的参考点，频率稳定性和复现性得到很大提高。
激光原理与激光技术完整演示 文稿
第1页，共48页。
激光原理与激光技术完整
第2页，共48页。
二、影响激光频率稳定的因素
激光振荡频率决定于原子跃迁中心频率 m 谐振频率 c ，谐
，谱线宽度 m ，谐振腔
通常情况下有： m c ，上式可简化为：
第11页，共48页。
基本思想：将传播方向相反而路径基本重合的两束泵浦光（或饱和光）与 探测光、穿过气体样品，当激光频率扫描到原子或分子的超精细能级的共振频 率时，根据多普勒效应，只有在探测光路径上速度分量为零的那部分原子或分 子由于其多普勒频移为零，才能同时与泵浦光和探测光发生共振相互作用，由 于较强的泵浦光使这部分原子在基态的数目减少，所以对探测光的吸收减少， 因而谱线呈吸收减弱的尖峰即超精细跃迁峰。
若激光器１相对于激光器２的稳定性很高，可以认为 1 0 （参考
第5页，共48页。
对参考标准频率的要求： （１）谱线中心频率的稳定性和复现性要好。 （２）线宽要窄。 （３）有足够的信噪比。 （４）谱线频率与受控激光器频率要匹配。
兰姆凹陷稳频利用激光本身的原子跃迁中心频率作为参考点，而原子跃 迁的中心频率易受放电条件等影响而发生变化，所以频率稳定性和复现性受 到局限。
饱和吸收稳频：采用外界参考频率标准进行稳频，如在谐振腔中放入一 个低气压的原子（分子）吸收管，气压很低，碰撞加宽很小，吸收线中心频率 的压力位移也很小，吸收管无放电作用，故谱线中心频率比较稳定，谱线宽度 较窄，所以在吸收线中心处形成一个位置稳定且宽度很窄的凹陷，以此作为频 率的参考点，频率稳定性和复现性得到很大提高。
激光原理与激光技术完整演示 文稿
第1页，共48页。
激光原理与激光技术完整
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二、影响激光频率稳定的因素
激光振荡频率决定于原子跃迁中心频率 m 谐振频率 c ，谐
，谱线宽度 m ，谐振腔
通常情况下有： m c ，上式可简化为：
第11页，共48页。
基本思想：将传播方向相反而路径基本重合的两束泵浦光（或饱和光）与 探测光、穿过气体样品，当激光频率扫描到原子或分子的超精细能级的共振频 率时，根据多普勒效应，只有在探测光路径上速度分量为零的那部分原子或分 子由于其多普勒频移为零，才能同时与泵浦光和探测光发生共振相互作用，由 于较强的泵浦光使这部分原子在基态的数目减少，所以对探测光的吸收减少， 因而谱线呈吸收减弱的尖峰即超精细跃迁峰。
若激光器１相对于激光器２的稳定性很高，可以认为 1 0 （参考
激光原理与技术--第二章 激光器的工作原理
0.3GHz
q
2L
q
2 5 101 m 6.328107 m
1.5803106
q 1.5 10 9 Hz 5 310 8 Hz
34
第三十四页，共60页。
激光的产生
激光振荡示意图
35
第三十五页，共60页。
❖ 三能级系统
粒子数反转激励条件
激光的产生有三个能级
E 下能级，基态能级： 1
上能级，亚稳态能级:
a) 三能级
E3
A30
S32
W03
E2
A21 B12 B21
E1
E0
b) 四能级
量子效率0
亚稳态发射的荧光光子数 工作物质从光泵吸收的光子数
1
2
三能级1
=
S32 S32 +A31
2
A21 A21 S21
四能级1
=
S32
S32 +A30
+A31
优质红宝石: 0.7
钕玻璃: 0.4
50
纵模的频率间隔：
q
q1
q
C
2L
18
第十八页，共60页。
腔的纵模在频率尺度上是等距离排列的
激光器谐振腔内可能存在的纵模示意图
19
第十九页，共60页。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
q 0.5109 Hz
❖ L=10厘米和L=30厘米的He-Ne气体激光器
L=10厘米的He-Ne气体激光器
q 1.5109 Hz
L=30厘米的He-Ne气体激光器
21 第二十一页，共60页。
激光谐振腔内低阶纵模分布示意图
22 第二十二页，共60页。
激光纵模分布示意图
第7章激光频率变换技术
• 基频光波到倍频光波的转换效率为
SH G c3 2 n2n 21 12def2If1(0)L 2sicn 2( k/L 2)
结论
①倍频转换效率正比于入射的基频光波的光强， 输出的倍频光波的光强正比于基频光波的光强的 平方。
②倍频转换效率正比于有效倍频极化系数的平方， 为了提高倍频转换效率，需选用非线性极化系数 大的非线性介质。
Iz22 iz2 k 2(E 1 iE 2jE * 3k E 1 i*E 2j* E 3k)
Iz32 izk 3 3(E 1iE2jE*3kE 1i*E2j*E 3k)
11Iz112Iz213Iz3
N1 N2 N3
z z
z
7.3 光学倍频
p 0 (( 1 )E (2 ):E E (3 )E E )E
E1(z,t)E1cos1t(k1z) E2(z,t)E2cos2t(k2z)
p ( z ,t) 0 {( 1 )[ E 1 co 1 t k s 1 z ) ( E 2 co 2 t k s 2 z )( ]( 2 )[ E 1 co 1 t k s 1 z )( E 2 co 2 t k s 2 z )2 ( } ]
7.4 光学和频与差频效应
和频（频率上转换）
差频（频率下转换）
扩大激光器的频谱范围
• 例：可见光或近红外激光 紫外波段的激光
• 利用近红外波段激光的泵谱将中红外波段的激光变换成近红外区域或 可见光区域的光波.
• 差频:可见光
中红外
• 中红外 远红外
强信号光(泵谱光)\弱信号光
,l1,2,3
E 3kz(z)ik 3E 1i(z)E2j(z)ei k z 在相位匹配下
SH G c3 2 n2n 21 12def2If1(0)L 2sicn 2( k/L 2)
结论
①倍频转换效率正比于入射的基频光波的光强， 输出的倍频光波的光强正比于基频光波的光强的 平方。
②倍频转换效率正比于有效倍频极化系数的平方， 为了提高倍频转换效率，需选用非线性极化系数 大的非线性介质。
Iz22 iz2 k 2(E 1 iE 2jE * 3k E 1 i*E 2j* E 3k)
Iz32 izk 3 3(E 1iE2jE*3kE 1i*E2j*E 3k)
11Iz112Iz213Iz3
N1 N2 N3
z z
z
7.3 光学倍频
p 0 (( 1 )E (2 ):E E (3 )E E )E
E1(z,t)E1cos1t(k1z) E2(z,t)E2cos2t(k2z)
p ( z ,t) 0 {( 1 )[ E 1 co 1 t k s 1 z ) ( E 2 co 2 t k s 2 z )( ]( 2 )[ E 1 co 1 t k s 1 z )( E 2 co 2 t k s 2 z )2 ( } ]
7.4 光学和频与差频效应
和频（频率上转换）
差频（频率下转换）
扩大激光器的频谱范围
• 例：可见光或近红外激光 紫外波段的激光
• 利用近红外波段激光的泵谱将中红外波段的激光变换成近红外区域或 可见光区域的光波.
• 差频:可见光
中红外
• 中红外 远红外
强信号光(泵谱光)\弱信号光
,l1,2,3
E 3kz(z)ik 3E 1i(z)E2j(z)ei k z 在相位匹配下
7.1全固态激光器及其非线性光学频率变换技术
典型全固态激光器
半导体 激光器
典型全固态激光器结构
全固态激光器的的技术发展
Rod
Slab
Disk Fiber
非线性光学频率变换技术
在非线性晶体中，如果注入的泵浦光足够强， 在非线性晶体中，如果注入的泵浦光足够强， 就会发生一系列的非线性效应。 就会发生一系列的非线性效应。
非线性过程中的光子
光子能量必须满足
全固态激光器及其非线性光学频率变换技术
全固态激光器特点
全固态激光器就是半导体泵浦的固体激光器， 全固态激光器就是半导体泵浦的固体激光器， 英文为： Diodesolid英文为：Laser Diode-pumped solid-state laser，简写为LDP－ laser，简写为LDP－SSL ，或DPL ，或DPL 效率高 光束质量好 稳定性好 体积小、重量轻 可靠性好，易于维护
内腔倍频高功率绿光激光器
平均功率：110W 平均功率：110W 重复频率：1 30kHz; 重复频率：1~30kHz; 脉宽：<230ns 脉宽：<230ns 不稳定性: 不稳定性: <1.03% 03%
基于全固态激量振荡
准相位匹配是在“ 准相位匹配是在“介电体超晶 中实现。所谓介电体超晶格 介电体超晶格， 格”中实现。所谓介电体超晶格， 是指在介电晶体中引入可与经典波 光波和声波） （光波和声波）波长相比拟的超周 期结构， 期结构，此种晶体也被称为光学超 晶格、声学超晶格或微米超晶格。 晶格、声学超晶格或微米超晶格。 通过调节超晶格的倒格矢， 通过调节超晶格的倒格矢，即调节 超晶格的周期， 超晶格的周期，可以弥补由于折射 率色散而产生的波矢失配， 率色散而产生的波矢失配，这就是 准相位匹配” “准相位匹配”。