激光频率变换技术讲解共17页文档
激光技术PPT模板讲义
PTM运转方式： 1. 优点：脉冲宽度窄,峰值功率高 2. 缺点：能量释放时刻难以控制,脉冲噪声大,光束质量难控制
5.3.4 调Q技术的其它功能
调Q的基本功能是获得窄脉宽、高峰值功率的巨脉冲，Q开关不 仅能有效的控制激光能量和功率特性,还可以控制激光的空间和 频率特性
1. 选横模的功能:在临界激光 预激光 状态产生基横模种子,接着Q 开关完全打开,使种子放大,得到功率足够高的基横模激光，
5.4.2 调Q晶体的电极结构
1. KDP类晶体大多采用纵向应用,采用环状电极结构， 2. LN类晶体采用横向应用,采用平板电极结构，
5.4.3 对激光工作物质的要求
1. 储能密度高,上能级寿命长， 2. 抗损伤阈值高，
5.4.4 对光泵浦灯的要求
1. 效率高,与激光工作物质光谱匹配好， 2. 寿命长,可靠性高，
2. 选单纵模的功能 3. 开始时,Q开关处于不完全关闭的状态，在靠近中心频率附近
形成单纵模振荡,而后Q开关完全打开,以之为种子获得单纵模脉 冲激光输出，
第四节 设计电光调Q激光器应考虑的问题
5.4.1 调Q晶体材料的选择
1. 消光比高,晶体折射率的均匀性好 2. 透过率高， 3. 半波电压低,驱动功率低， 4. 抗破坏阈值高， 5. 晶体防潮,KDP类晶体易潮解,LN晶体不潮解
实现方式一：
1. 储能过程 首先电光晶体上不加电压,积累反转粒子数,而后在电光晶体上加 上半波电压,Q值突增,激光振荡迅速形成，
2. 释放过程 当腔内激光振荡的光子密度达到最大值时,迅速撤去晶体上的电 压,腔内存储的最大光能量瞬间透过棱镜P2而耦合输出，
实现方式二：
1. 储能过程 首先电光晶体上加/4电压,Q开关处于关闭状态,积累反转粒子 数,而后瞬间撤去电压,Q值突增,激光振荡迅速形成，
激光频率的定义
激光频率的定义激光频率是指激光光波中的振荡次数，也可以理解为单位时间内激光光波的周期性变化次数。
频率通常用赫兹（Hz）作为单位，表示每秒钟内振荡的次数。
激光频率的大小与激光波长、光源的能级结构以及激光器的工作方式等因素有关。
激光是一种具有高度相干性和单色性的光，其频率可以非常精确地控制和调节。
激光的频率范围非常广泛，从红外到可见光再到紫外，甚至可以扩展到X射线和γ射线等高能量波段。
激光频率的精确控制对于很多应用来说非常重要。
例如，在光通信领域，激光器的频率必须与光纤的色散特性相匹配，以确保信息传输的准确性和可靠性。
在光谱分析领域，激光的频率精确度决定了测量结果的准确性。
在激光医学领域，激光的频率选择性作用可以用于选择性破坏特定组织或细胞。
激光频率的调节可以通过多种方式实现。
其中一种常见的方法是通过调节激光器的工作电压或电流来改变激光振荡的频率。
此外，还可以通过改变激光器内的谐振腔长度或改变激光介质的温度来实现频率调节。
激光频率的稳定性也是一个重要的指标。
在很多应用中，特别是在精密测量和干涉实验中，需要保持激光频率的稳定性，以确保实验结果的准确性和可重复性。
为了实现频率的稳定性，可以采用反馈控制系统来对激光频率进行实时监测和调整。
除了频率的稳定性，激光频率的窄化也是一项重要的技术。
激光频率的窄化可以通过在激光器内部或外部添加频率选择元件来实现。
窄带激光具有较高的光强度和较低的噪声水平，可以用于一些特殊的应用，如高精度光谱分析和原子物理实验等。
激光频率是指激光光波中的振荡次数，是激光器工作的重要参数之一。
通过精确控制和调节激光频率，可以实现很多应用中所需的高精度和稳定性。
在未来的研究中，随着激光技术的不断发展，激光频率的精确控制和调节将在更多领域发挥重要作用。
激光倍频技术原理
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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
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§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。
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§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。
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）
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c(mc) m c
2021/7/24
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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
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1.激光器 2.减震器 3.石英玻璃管 4.铅筒(外绕加热丝)
光学频率梳 激光信号 频率测量 傅里叶变换
光学频率梳激光信号频率测量傅里叶变换嘿，伙计们！今天咱聊聊一个非常酷炫的玩意儿——光学频率梳。
这可是科技界的一大突破，让我们一起来看看它是怎么工作的吧！咱们来简单介绍一下光学频率梳。
它就像是一把神奇的梳子，可以把光梳成一束束细小的光束，每个光束都有一个特定的频率。
这个频率可不是随便定的，而是跟梳齿的大小有关。
你可以把梳齿想象成一个个小齿轮，每个齿轮都代表一个频率。
当光线通过梳子时，它会被梳齿上的小齿轮卡住，然后被引导到一个特定的频率上。
这样一来，我们就可以测量出这个特定频率的光线了。
咱们来谈谈激光信号。
你知道激光吗？它就是一种特殊的光，它的光线非常集中，而且方向非常明确。
激光信号就是利用这种特殊的光线来传递信息的。
比如说，咱们用激光信号来传输音乐、电影等等。
哇，这可真是高科技啊！现在，咱们要说说频率测量了。
频率测量是什么呢？其实就是用一些仪器来测量光的频率。
有了光学频率梳，我们就可以更精确地测量光的频率了。
而且，这个过程还非常简单，就像梳头发一样轻松愉快！咱们来聊聊傅里叶变换。
傅里叶变换是一种数学方法，它可以把一个复杂的信号分解成很多简单的正弦波。
这些正弦波的频率和振幅都是有规律可循的。
有了傅里叶变换，我们就可以更好地理解光学频率梳的工作原理了。
光学频率梳、激光信号、频率测量和傅里叶变换这些概念听起来好像很高大上，其实它们都是为了解决实际问题而产生的。
它们让我们能够更精确地测量光的频率，从而更好地传输信息。
下次当你看到一束亮闪闪的光时，不妨想一想它背后的故事，说不定你就会发现一个神奇的世界呢！。
激光器的稳频ppt课件
4.2.2 稳频方法概述
被动式稳频: 利用热膨胀系数低的材料制作谐振腔的间隔器；或用膨胀系数为 负值的材料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合，以便热膨 胀互相抵消，实现稳频。这种办法一般用于工程上稳频精度要求 不高的情况。
主动式稳频： 把单频激光器的频率与某个稳定的参考频率相比较，当振荡频率 偏离参考频率时，鉴别器就产生一个正比于偏离量的误差信号。 ➢ 把激光器中原子跃迁的中心频率做为参考频率，把激光频率锁定 到跃迁的中心频率上，如兰姆凹陷法、塞曼效应法。 ➢ 把振荡频率锁定在外界的参考频率上，例如用分子或原子的吸收 线作为参考频率，是目前水平最高的一种稳频方法。选取的吸收 物质的吸收频率必须与激光频率相重合。如饱和吸收法。
L
温度变化：一般选用热膨胀系数小的材料做为谐振腔
机械振动：采取减震措施
折射率变化的影响
内腔激光器: 温度T、气压P、湿度h的变化很小，可以忽略
外腔和半外腔激光器: 腔的一部分处于大气之中，温度T、
气压P、湿度h的变化较放电管内显著。应尽量减小暴露于
大气的部分，同时还要屏蔽通风以减小T 、 P、 h的脉动
4.2.4 饱和吸收法稳频
饱和吸收法稳频的示意装置如图4-12所示。
图4-12 饱和吸收法稳频的装置示意图
图4-13 吸收介质的吸收曲线
吸收管内充特定的气体，此气体在激光谐振频率处应有一个强吸收线。
与激光输出功率曲线的兰姆凹陷相似，在吸收介质的吸收曲线上也有一
个吸收凹陷，如图4-13所示。（原因：在中心频率处只有沿激光管轴方
二、氖的不同同位素的原子谱线中心有 一定频差。充普通氖气(包含Ne20及Ne22 两种同位素)的氦氖激光器兰姆凹陷曲线 不对称且不够尖锐，输出频率就不能准 确地调到凹陷的中心频率。因此，稳频 激光器都是采用单一氖的同位素来制造 的，且对同位素的纯度有较高要求。
第11讲 激光的稳频技术
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• 激光的特点之一是单色性好,即其线宽Δν与频率 ν的比值Δν/ν很小。但由于各种不稳定因素的 影响,实际激光频率的漂移远远大于线宽极限。在 精密干涉测量、光频标、光通信、激光陀螺及精 密光谱研究等应用领域中,要求激光器所发出的激 光有较高的频率稳定性. • 频率漂移——激光器通过选模获得单频率振荡后, 由于内部和外界条件的变化,谐振频率仍然在整个 线型宽度内移动的现象。 • 稳频目的：使频率本身稳定，即不随时间、地点 变化。
例如，相应外界因素的 影响，激光器的振荡中 心频率分别处在 vA、v0、 vB处，由于相应 vA处的 功率调谐曲线的斜率是 负值，所得到的输出功 率的变化与调制信号同 频、反相；
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假如由于某种原因(例如温度升高)使L伸长，引起 ν0 ， ν与 激光频率由 偏至 的位相正好相反 ν P A
假如由于某种原因(例如温度降低)使L缩短，引起激光 频率由 ν偏至 ， νB 与 ν P 的位相正好相同 0
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2.2.1影响频率稳定的因素
• 由激光原理知道，激光器的工作频率为 ν q c • 相应频率的变化，可以表示为
ν L ( ) ν L
2L
• 显然，各种能使腔长L、折射率n发生变化的 因素，都将引起工作频率的不稳定。
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1．引起腔长变化的主要因素是：
• 温度将通过支持反射镜的支架材料的热膨胀，使腔长变化，
影响长期稳定度； • 外界的机械振动会引起谐振腔支架的振动，导致腔长变化， 引起频率不稳定。
例如，一个腔长 L＝150mm的 He-Ne 激光器，振动引起的腔长变 化 ΔL ＝1μm时，将使稳定度为6.6×10-6。若要达到1×l0-8的稳定度，
必须保证ΔL＜1.5nm(原子的线度是0.1nm)；
激光频率的定义
激光频率的定义激光频率是指激光光束的波动次数，也可以理解为单位时间内激光波形的重复次数。
激光频率是激光器的重要参数之一，对于激光的应用具有重要意义。
激光频率的定义与激光器内部的工作机制密切相关。
激光器内部通常包含一个激活介质，比如气体、固体或半导体。
当激活介质受到外界能量的激发时，激发介质中的原子或分子会处于一个激发态，这个激发态是不稳定的。
为了稳定激发态，激发介质中的原子或分子会通过自发辐射释放出能量，并跃迁回到基态。
这个跃迁的过程会产生一种光子，即激光光子。
激光光子的产生是一个量子力学过程，具有一定的能量和频率。
激光光子的能量与频率之间有一个简单的关系，即E=hν，其中E是光子的能量，h是普朗克常数，ν是光子的频率。
由于光子的能量是固定的，因此激光频率也是固定的。
激光频率的大小决定了激光的性质和应用范围。
不同频率的激光具有不同的特性。
比如，红光激光的频率较低，能够被人眼所感知，常用于光纤通信、激光显示等领域；紫外光激光的频率较高，具有较高的能量，常用于科学研究、材料加工等领域。
激光频率的精准控制对于某些应用来说是至关重要的。
比如，在光谱分析中，激光频率的精确调节可以实现对不同元素或化合物的分析和检测；在光刻技术中，激光频率的准确控制可以实现对微细结构的制造和加工。
激光频率的稳定性也是激光器设计中需要考虑的重要因素之一。
激光器内部的原子或分子在跃迁过程中可能受到外界因素的干扰，导致激光频率的波动。
为了保持激光频率的稳定，需要采取一些措施，比如使用稳定的激光器材料、优化激光器结构等。
激光频率是激光器的重要参数，对于激光的性质和应用具有重要意义。
激光频率的精准控制和稳定性是激光器设计和应用中需要考虑的重要因素之一。
通过对激光频率的研究和控制，可以推动激光技术的发展，拓宽激光应用的领域。
激光的基本技术PPT
对于共焦腔的基横模来说，衍 射损耗只与菲涅耳数N有关，N 越大则衍射损耗越小。菲涅耳 数是表征谐振腔衍射损耗的一 个特征参数。
D e 2N
L
1
N D
二. 衍射损耗曲线
1. 衍射损耗与菲涅耳数N的关系一般是比较复杂的，往往写不出解析的表达式而 需要用计算机进行数字计算。因此，通常都是将计数结果画成曲线，这就是所谓 的衍射损耗曲线。 图画出了圆截面共焦腔和圆截面平行平面腔的 D～N 曲线，
4.1.1 激光单纵模的选取
2. 非均匀增宽型谱线的多纵模振荡
非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模。
3. 单纵模的选取
(1) 短腔法：
两相邻纵模间的频率差 νq c (2L)，要想得到单一纵模的输出，只要缩短腔 长，使 νq 的宽度大于增益曲线阈值以上所对应的宽度 缺点
He-Ne激光器： 荧光线宽 F 1500MHz
腔内插入F-P标准具法： 调整F-P标准具的参数，使得在增益线宽范围内，只有一个透 射峰，同时在一个透射峰谱线宽度范围内只有一个模式起振， 则可以实现单纵模工作。 即选模条件为： 1. 选择合适的标准具光学长度，使标准具的自由光谱范围与 激光器的增益线宽相当。使在增益线宽内，避免存在两个或多 个标准具的透过峰。 2. 选择合适的标准具界面反射率，使得被选纵模的相邻纵模 由于透过率低，损耗大而被抑制
基模体积问题
某一模式的模体积用来描述该模式在腔内所扩展的空间范围。 模体积大，对该模式的振荡起作用的激发态粒子数就多，因而， 输出功率大。反之，模体积小，输出功率就小。 基模体积是随腔型和g、N参数变化而变化的。 g=1-L/R N 腔的结构参数； 菲涅尔数
由谐振腔理论分析可知，当考虑对称腔情况时（R1＝R2）， 基模（TEM00）高斯光束的束腰W0可表示为： 1 L 4 0 0 [ L(2 R L)] 2 2
光学频率梳 激光信号 频率测量 傅里叶变换
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