7.1全固态激光器及其非线性光学频率变换技术
理学非线性光学b光学混频与光学参量振动
k3 = k1 + k2 光学和频可以用于频率的上转换。
2/48
z
w1
c (2)
w3 = w1 + w2
w2 L
和频过程：假设晶体对三个频率的光均无吸收，而且
频率为ω2的泵浦光的强度足够大，以至于其光强不因
ω3的产生和变化而改变，即 A2 (z ) » A2 (0)，耦合波方
其周期为
ò L = 2
1
dy
u1 (0) 0 (1 - y 2)(1 - g2y 2)
12/48
• 一般解的分析讨论
• 当相互作用长度增加时，能量在频率为 w3 的波与频率为 w2 和w1 的光波之间来回转移，其周期为 L 。该过程先把能量泵浦到和 频场，但在一个泵浦场的光子被耗尽后，能量流倒转。
一、光学和频与频率上转换
Bass等人在1962年首先在硫酸三甘氨酸晶体内观测 到了光学和频的产生。采用两台红宝石激光器作为 输入光束，波长相差 1 nm 。采用摄谱议分析时， 发现输出在 347 nm 附近出现三条谱线，边上的两条 谱线来自于二次谐波，而中间的一条谱线则是由于 两激光束的和频产生的。
A3 (z ) = c1 cos( g z ) + c2 sin ( g z )
利用 z = 0
时的边界条件 c1 =
0,
c2
=
i
骣 ç琪 桫g
g
÷÷A1
(0) 4/48
方程的解为
A1 (z ) = A1 (0)cos ( g z )
能量守恒关系
A3 (z ) = i 骣 ç琪 桫g g ÷÷A1 (0)sin ( g z )
差频过程中频率和波矢满足以下关系
光学谐振腔的模式
空间模式匹配
通过调整入射光场与谐振腔本征模式的空 间分布和频率，使得光场能量能够高效地 耦合进谐振腔，进而实现模式匹配。
通过调整入射光场的波前形状，使其与谐 振腔的模式空间分布相匹配。
频率模式匹配
相位模式匹配
通过调谐入射光场的频率，使其与谐振腔 的共振频率相一致。
通过控制入射光场的相位分布，实现与谐 振腔模式的相位匹配。
色散特性
不同模式在谐振腔内的色散特性不同。基模的色散较小，而高阶模的色散较大。 这是因为高阶模在谐振腔内的光程更长，导致光波在传播过程中的相位延迟更 大。
稳定性及调谐范围比较
稳定性
基模在谐振腔内的稳定性较高，而高阶模的稳定性较低。这 是因为高阶模容易受到腔内扰动（如热效应、机械振动等） 的影响，导致模式跳变或失稳。
实现特定波长输出
通过选择特定的光学材料和结构，可以设计出具 有特定波长输出的光学谐振腔，满足不同应用需 求。
非线性光学现象研究应用
频率转换
利用非线性光学效应，可以实现 激光频率的转换，获得不同波长 的激光输出，扩展了激光器的应 用范围。
光参量振荡
在光学谐振腔中引入非线性介质， 可以实现光参量振荡，产生宽带 可调谐的相干光输出，应用于光 谱分析等领域。
优化入射光场设计
通过精确控制入射光场的空间分布、频率和相位，提高模式匹配精度。
采用自适应光学技术
利用自适应光学元件（如变形镜、空间光调制器等）实时调整入射光 场，以补偿由于环境扰动或系统误差引起的模式失配。
控制非线性效应
通过降低入射光功率密度、优化谐振腔设计等方式，减小非线性效应 对模式匹配的影响。
作用
谐振腔是激光器、光放大器、光调制 器等光学器件的核心组成部分，对于 提高器件性能、优化光束质量、实现 特定功能等具有重要意义。
【国家自然科学基金】_短脉冲激光_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140730
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
推荐指数 3 3 3 3 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2010年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
激光烧蚀 激光加工 激光光学 激光俘获加速机制 激光 温度 混合锁模 波导阵列 汤姆逊散射x射线源 束缚态 有限差分法 晶格温度 无量纲级数解 数千处理器 数值模拟 散射 扩散近似方程 成像系统 微尺度热传导 应力波 展宽脉冲锁模光纤激光器 局域化和非局域化 定量分析 大模场面积光纤 大模场面积光子晶体光纤 多光子电离 均匀展宽介质 可调谐波长 双温模型 光通量 光谱边带测量 光谱学 光纤光学 光栅 光声成像 光与物质相互作用 傍轴近似 傅里叶变换 体光栅衍射特性 位移 主成分分析 主动锁模 三次谐波转换 一阶修正 talbot效应 maxwell-blo 5 超短脉冲 5 超热电子 5 飞秒激光 4 静电场 3 能量沉积 3 等离子体 3 激光技术 3 数值模拟 3 光纤放大器 3 高次谐波 2 输运 2 高能超短脉冲激光 1 高次谐波产生 1 高次谐波:强短激光脉冲 1 高功率激光 1 飞行时间 1 飞秒 1 频率变换与扩展 1 鞍点方法 1 靶向性 1 非线性光纤环形镜 1 非线性光学 1 雷电防护 1 雪崩离化 1 雪崩电离 1 阿秒脉冲 1 间隙孤子 1 钛合金 1 金纳米微粒 1 载波相位 1 超短超强激光 1 超短脉冲超 1 超快光学 1 超强超短脉冲激光 1 赝五阶非线性 1 负折射介质 1 调制不稳定性 1 角分布 1 表面改性技术 1 自陡 1 自相似 1 自由电子激光 1 自感应透明 1 脉冲分裂 1 脉冲传输 1 能量相位关系 1 能谱 1 细胞膜通透性 1 粒子模拟 1 等离子体通道 1 第一周期 1
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分类号：O439 U D C：D10621-408-(2012)1727-0 密级：公开编号：2008031047成都信息工程学院学位论文相位传感技术在准连续固体激光器中的应用论文作者姓名：苏 婕申请学位专业：电子科学与技术申请学位类别：工学学士指导教师姓名（职称）：张 翔（教授）论文提交日期：2012年06月01日相位传感技术在准连续固体激光器中的应用摘要高功率激光在传输及放大过程中，由于光学元件面形缺陷、光学元件装校误差和放大器残余热畸变等因素的影响，输出激光波前会产生畸变，导致光束质量下降。
采用各类相位探测技术构成的光电传感器可动态测量准连续固体激光器的输出光强信号，进而反演得到相位畸变信息，起着系统伺服回路波前误差传感的作用。
本文在介绍光波波前传感技术原理的基础上，围绕激光光束质量评价指标，细致分析了波前相位探测技术在高功率固体激光器输出动态波前像差中的应用。
采用了Zernike像差对波前相位进行了拟合，得到了前35阶Zernike系数、点扩散函数（PSF）和环围能量曲线，全面反映光束质量。
并采用H-S波前传感器进行了实验定量测定，用模式法进行了波前重构计算，进一步分析了校正前后的光束参量指标和离焦像差。
结果表明，相位传感技术在准连续固体激光器中可以有效改善光束质量，输出光束前12阶Zernike像差、波前畸变的峰谷值（PV）、均方根（RMS）值和衍射极限倍数β均得到显著减小。
关键词：相位传感技术；H-S传感器；全固态激光器；波前重构；光束质量；Zernike像差Applications of Phase Sense Techniques inQuasi-Continuous Solid-State LasersAbstractThe beam quality will be significantly degraded because of wavefront aberrations, which brought by surface shape defects and installation error of optical components, and amplifier’s residual heat distortion. Wavefront sensor has now proven to be capable of accurately measuring laser intensity signal and obtaining phase-aberrated information in quasi-continuous solid-state lasers. It serves as wavefront error sensing in servo loop system. On the basis of wavefront sensing principle, applications of phase detection techniques in dynamical wavefront aberrations of high power solid-state lasers has been analyzed in details, focusing on typical evaluation parameters of beam quality. In this paper, wavefront aberration is detected and reconstructed dynamically by using H-S sensor and Zernike model method. Moreover, the front 35-order Zernike aberration coefficient is calculated accurately. Main aberration and output beam quality are compared with parameters of the before and after correction. Experiment shows that phase sense techniques used in quasi-continuous solid-state lasers can effectively improve laser beam quality. Fore instance, the front 10 low-order Zernike aberration, the peak-value (PV) and root-mean-square (RMS) error of wavefront, and the diffraction limit (β) have all been reduced remarkably.Key words: Phase sense techniques; H-S sensor; All solid-state lasers; wavefront reconstruction; beam quality; Zernike aberration目录论文总页数：44页1 引言 (1)2 光电相位传感技术 (2)2.1相位及AO系统的概述 (3)2.2典型波前传感器原理及介绍 (3)2.2.1 光栅剪切干涉波前传感技术 (4)2.2.2 曲率波前传感技术 (7)2.2.3 自基准波前传感技术 (9)2.3H-S波前传感技术的详细论述 (12)2.3.1 H-S波前传感器的原理 (12)2.3.2 H-S波前传感器的波前重构及探测误差 (14)3 光束质量评价方法 (17)3.1激光特征参数及其测量方法 (18)3.2光束质量评价因子 (19)3.2.1 光斑尺寸和远场发散角 (19)3.2.2 衍射极限倍数β和环围功率比 (20)M因子 (21)3.2.3 斯特列尔比和23.2.4 各光束质量评价方法的比较 (23)4 全固态激光器 (24)4.1DPL系统的结构 (24)4.2增益介质及其几何构型 (25)4.2.1 棒式和板条式激光器 (26)4.2.2 薄片式激光器和光纤式激光器 (26)4.3DPL的光腔及泵浦耦合方式 (28)4.4激光功率的定标放大和热管理 (30)5 数值仿真和结果分析 (32)5.1LD泵浦声光调Q激光器输出光束特性测试 (32)5.2谐振腔模式的数值模拟仿真 (38)5.3输出光束失调前后的模式分布特性 (39)结论 (40)参考文献 (40)致谢 (43)声明 (44)1 引言采用各类波前相位技术构成的光电传感器是自适应光学（Adaptive Optics，以下简称AO）系统中最重要的组成部分，起着系统伺服回路波前误差传感的作用。
高效高峰值功率全固态355nm紫外激光器
高效高峰值功率全固态355nm紫外激光器李玉文;李斌;王靖田;魏艳玲;曹思维【摘要】为了获得结构紧凑的瓦级实用化高峰值全固态355nm紫外激光器,采用简单紧凑的平平直腔结构,使用声光Q开关进行调制,通过LD端面抽运Nd∶ YAG 激光晶体,在重复频率1kHz～50kHz的情况下,产生平均功率1.03W～6.1W的1064nm红外光;采用LBO晶体进行2倍频和3倍频,在重复频率10kHz时得到紫外的最高输出功率1.08W,峰值12kW;在重复频率5kHz时得到紫外的最高峰值功率为17kW.结果表明,该方案满足了实际的应用需求.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2010(034)002【总页数】4页(P265-267,271)【关键词】激光技术;全固态;紫外激光器;高峰值功率【作者】李玉文;李斌;王靖田;魏艳玲;曹思维【作者单位】吉林工程技术师范学院,基础科学系,长春,130022;中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,长春,130033;长春理工大学,理学院,长春,130022;吉林工程技术师范学院,基础科学系,长春,130022;长春理工大学,理学院,长春,130022【正文语种】中文【中图分类】TN248.1引言LD抽运全固态激光器从20世纪80年代以来获得长足的进步，紫外激光器因其在荧光检测、精细加工、光刻等方面的应用[1]，一直以来就是人们研究的热点。
从微光刻到打标和打印，紫外激光器的应用是目前工业激光市场增长最快的部分，由于紫外较短的波长能够加工更小的部件。
光束的衍射现象是限制加工部件最小尺寸的主要因素，最小可达到的聚焦点的直径随着波长的增加而线性增加。
高能量的光子可以直接破坏材料的化学键。
紫外光加工材料的过程称为光蚀效应，高能量的光子直接破坏材料的化学键是“冷”处理过程，热影响区域微乎其微；相比之下，可见光和红外激光器利用聚焦到加工部位的热量来熔化材料，热量经过传导会影响到周围的材料，产生热影响区域。
光学参量振荡器OPO
OPO工作特点 工作特点
结构简单 调谐范围大，从红外到紫外， 调谐范围大，从红外到紫外，包括可见光 工作可靠 转换效率高 重复频率可以很高 可以实现小型化与全固化光参量振荡器。 可以实现小型化与全固化光参量振荡器。
பைடு நூலகம்
对非线性晶体的基本要求: 对非线性晶体的基本要求
A具有适当大小的有效非线性系数 具有适当大小的有效非线性系数; 具有适当大小的有效非线性系数 B在工作波段范围内有高的透明度 在工作波段范围内有高的透明度; 在工作波段范围内有高的透明度 C在工作波段范围内能实现有效的相位匹配 在工作波段范围内能实现有效的相位匹配; 在工作波段范围内能实现有效的相位匹配 D能够得到足够尺寸，光学均匀性较好，物化性 能够得到足够尺寸， 能够得到足够尺寸 光学均匀性较好， 能稳定和易于加工; 能稳定和易于加工 E有较高的损伤阂值 有较高的损伤阂值; 有较高的损伤阂值 F对温度的敏感低。 对温度的敏感低。 对温度的敏感低
随着激光技术发展到21世 随着激光技术发展到 世 纪，以非线性光学晶体的 二级非线性光学效应为基 础的光学参量振荡器已达 实用化阶段。 实用化阶段。
光参量振荡器的基本原理
光学参量振荡器(OPO)作为一种宽调谐相干光源，克服了 作为一种宽调谐相干光源， 光学参量振荡器 作为一种宽调谐相干光源 固体和气体激光器输出波长的局限性， 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。 远红外激光。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， 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（称为空闲波）。 得放大，同时还产生出第三束光波（称为空闲波）。 空闲波得频率正好等于甭浦光波得频率。 空闲波得频率正好等于甭浦光波得频率。这个非线性光学 现象称为光学参量放大。 现象称为光学参量放大。如果把非线性介质放在光学共振 腔内，让泵浦光波、 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， 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， 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。 振荡。这就是光学参量振荡器。
现代光学基础
8.12 阿贝成像原理
原理： 物经光学系统的成象过程可 以看作是经过两次衍射形成的。 ① 物面的衍射 ② 光阑限制形成的衍射最后 构成原物（光栅）的实象 象的信息总是少于物的信息 （有一部分衍射角较大的高频信 息不能进入透镜而被丢失）
二维空间频率
在传播方向余弦为（ cos α , cos β ）的一般情况下
Xy 平面上的复振幅为
~ E ( x, y ) = Ae ik ( x cosα + y cos β )
其空间周期分别为
dx =
λ
cos α
dy =
λ
cos β
相应的空间频率为
u= 1 cos α = dx λ v= 1 cos β = dy λ
8. 5
一、谱线宽度
激光的单色性
Δv = v 2 − v1
1. 自然宽度 原子发光的寿命与发光频率宽度成反比的
1 Δv = Δt
根据关系式
c = λν
c Δ λ = Δν 自然谱线宽度 2 ν
2. 多普勒宽度
⎛ u⎞ ν = ≈ ν 0 ⎜1 + ⎟ λ ⎝ c⎠ c
ν0
为中心频率
二、谐振腔的共振频率
hv21 = E2 − E1
时，才能引起受激辐射。 （2）受激辐射发出来的光子与外 来光子具有相同的频率、相 同的发射方向、相同的偏振 态和相同的相位。
四、吸收、自发辐射和受激辐射三系数的关系
B12 = B21 = B
A21 8πhv 3 = B21 c3
8.3 粒子数反转
一、受激辐射与吸收
激光：受激激辐射实现光放大 光放大：一个光子射入，出射两个更多特征 一样的光子 必须要求：受激辐射超过吸收、自发辐射
hama效应用
hama效应用Hama效应：深入探究电磁波与介质相互作用的奥秘引言：Hama效应是一种电磁波穿过介质时产生的非线性效应，它对于电子学和光学领域具有重要的意义。
本文将深入探讨Hama效应的原理、应用以及未来的发展前景。
一、Hama效应的基本原理Hama效应是指当电磁波穿过非线性介质时，由于介质中的极化响应非线性特性，导致电磁波的频率发生变化，从而产生新的频率成分。
这种非线性响应是由于介质中的电子、离子或极化分子在电场作用下发生位移或取向变化所致。
二、Hama效应的应用领域1. 光通信：Hama效应可以用于光纤通信系统中的频率转换和波长转换，实现光信号的调制、解调和信号处理。
这在光通信领域具有重要的意义，可以提高光信号的传输距离和传输速率。
2. 光谱学：Hama效应可以用于分析和测量样品中的物质成分和结构信息。
通过测量光谱中的频率变化，可以推断样品中存在的化学键和分子结构。
3. 激光技术：Hama效应可以用于激光的频率转换，实现激光器的频率调谐和波长调谐。
这在激光技术中具有广泛的应用，包括光纤激光器、固体激光器和半导体激光器等。
4. 光学显微镜：Hama效应可以用于增强显微镜的分辨率和对比度。
通过在样品中引入非线性介质，可以实现对微观结构的更清晰的观察和分析。
5. 光学信息存储：Hama效应可以用于光学存储器中的数据读写和数据存储。
通过调制光信号的频率，可以实现高密度的数据存储和快速的数据读写。
三、Hama效应的未来发展随着科学技术的不断进步，Hama效应在各个领域的应用越来越广泛。
未来，Hama效应有望在以下几个方面得到进一步的发展：1. 新型材料的研究：研发更具非线性响应的材料，可以提高Hama 效应的效率和灵敏度。
目前，一些新型材料如氧化锌纳米线、二维材料等已经被用于Hama效应的研究，并取得了一些重要的突破。
2. 高效能光学器件的设计：利用Hama效应实现高效能的光学器件，可以提高光信号的传输和处理能力。
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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”。
波矢量 r r
ω1 ω1
ωsig
2ω1 ⇒ 2 n(ω1 ) = n(2ω1 ) c0 c0 相位匹配条件
r k1 + k1 = k sig
ω1
r k1
r k1
n(ω1 ) = n(2ω1 )
r k sig
最早的倍频实验
P.A. Franken, et al, Physical Review Letters 7, 118 (1961)
ω1 +ω2 +ω3 −ω4 + ω5 = ωsig
ωsig
波矢量必须满足
r r r r r r k1 + k 2 + k3 − k 4 + k5 = k sig
当这两个条件同时满足时，我们 就认为其满足了相位匹配条件 （Phase-matched）
倍频过程中的光子转换
光子能量
Energy
ω1 +ω1 = ωsig ⇒ ωsig = 2ω1
PPLN－ PPLN－OPO
PPLN