固体激光和非线性光学固体激光和非线性光学激光是光受激辐射放大的简称，英文简 写为激光是光受激辐射放大的简称，英文简 写为“Laser”。1917年，爱因斯坦在光量子 沦的基础上，首次提出受激辐射的概念，年，爱因斯坦在光量子 沦的基础上，首次提出受激辐射的概念， 1960年梅曼（年梅曼（T.H.Maiman）首先研制成功 了世界上第一台激光器红宝石激光器。）首先研制成功 了世界上第一台激光器红宝石激光器。激光特点：激光特点：1、高单色性：波谱宽度可达、高单色性：波谱宽度可达/ 10-152、高方向性：光束发散角可小到、高方向性：光束发散角可小到10-4弧度弧度3、高亮度：可达、高亮度：可达GW 和和TW4、高相干性、高相干性激光之所以有以上特点是因为普通光源以自发辐 射为主，各发光原子各自独立地发射，所发射的光 波其方向、相位、偏振都各不相同；而激光器内各 发光原子由于受激辐射过程而彼此相互关联，所辐 射的光波，其方向、相位和偏振相同，是一个有序 的相干叠加过程。激光之所以有以上特点是因为普通光源以自发辐 射为主，各发光原子各自独立地发射，所发射的光 波其方向、相位、偏振都各不相同；而激光器内各 发光原子由于受激辐射过程而彼此相互关联，所辐 射的光波，其方向、相位和偏振相同，是一个有序 的相干叠加过程。生物学生物学, 医学医学, 光化学光化学激光分离同位素激光分离同位素, 激光诱导核聚变激光诱导核聚变光电子器件光电子器件光存储光存储全光和量子计算机全光和量子计算机自适应光学自适应光学光通讯光通讯光雷达光雷达光加工、光表面处理等光加工、光表面处理等激光应用激光应用自发辐射、受激吸收和受激辐射自发辐射、受激吸收和受激辐射吸收自发辐射受激辐射吸收自发辐射受激辐射形成激光的条件：形成激光的条件： 首先必须利用激励能源，使工作物质内部的 一种粒子在某些能级间实现粒子数反转分布， 这是形成激光的前提条件； 还必须满足阈值条件 首先必须利用激励能源，使工作物质内部的 一种粒子在某些能级间实现粒子数反转分布， 这是形成激光的前提条件； 还必须满足阈值条件(即增益大于损耗即增益大于损耗 )，这 是形成激光的决定性条件。，这 是形成激光的决定性条件。()LGII内=exp01()LGIrI内=exp012()LGIrI内=2exp013()LGIrrI内=2exp0214阈值条件为：I4I0一般的激光器由三部分构成，即工作物质、谐 振腔和激励能源。一般的激光器由三部分构成，即工作物质、谐 振腔和激励能源。激光谐振腔工作物质氪灯或氙灯电源激光工作物质 ：激光工作物质 ：固体（晶体、玻璃）、气体（原子 气体、离子气体、分子气体）、半导体和染料等固体（晶体、玻璃）、气体（原子 气体、离子气体、分子气体）、半导体和染料等光学谐振腔：光学谐振腔：作用：提供光学反馈能力，使受激辐射光子在腔内 多次往返以形成相干的持续振荡；对腔内往返振荡 光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一 定的定向性和单色性。作用：提供光学反馈能力，使受激辐射光子在腔内 多次往返以形成相干的持续振荡；对腔内往返振荡 光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一 定的定向性和单色性。激励能源：激励能源：即泵浦源，常见的方式有：光激励、高压 气体放电激励、热激励、化学激励、电子束激励等。 分脉冲激励方式和连续激励方式两种。即泵浦源，常见的方式有：光激励、高压 气体放电激励、热激励、化学激励、电子束激励等。 分脉冲激励方式和连续激励方式两种。三能级激光系统三能级激光系统四能级激光系统四能级激光系统激光模式激光模式纵模：纵模彼此间的差异仅在于它们具有不同的振荡频 率；横模：彼此间不仅振荡频率不同，且场分布也不同。纵模：纵模彼此间的差异仅在于它们具有不同的振荡频 率；横模：彼此间不仅振荡频率不同，且场分布也不同。谐振腔的纵模间隔为：谐振腔的纵模间隔为：=c/2L实现单纵模的 方法：内插选 模元件或采用 短腔长的谐振 腔激光的横模激光的横模实现单横模的方 法：内插选模光 阑，自孔径选 模，或在实现单横模的方 法：内插选模光 阑，自孔径选 模，或在LD泵浦 中减小泵浦光斑。泵浦 中减小泵浦光斑。激光器的热效应激光器的热效应产生的原因：产生的原因：1、泵浦带与激光上能级之间的光子能量差转化为热、泵浦带与激光上能级之间的光子能量差转化为热2、激光下能级与基态之间的光子能量差转化为热、激光下能级与基态之间的光子能量差转化为热3、激光跃迁的量子荧光效率小于、激光跃迁的量子荧光效率小于1，多余的能量转化为热，多余的能量转化为热4、宽光谱分布的泵浦源使激光材料对光能有大的吸收而产生热激光材料吸收了泵浦辐射而发热，与表面散热一道造成激光材 料内部不均匀的温度分布，由于热应力使折射率发生变化，导致 激光束畸变，有热透镜效应和热致双折射。过强的材料发热还会 导致材料损坏。减小热效应的方法：设计对热效应不敏感的谐振腔，设计更优 化的冷却方法，基质材料采用板条结构或叠片结构以改善热效应。、宽光谱分布的泵浦源使激光材料对光能有大的吸收而产生热激光材料吸收了泵浦辐射而发热，与表面散热一道造成激光材 料内部不均匀的温度分布，由于热应力使折射率发生变化，导致 激光束畸变，有热透镜效应和热致双折射。过强的材料发热还会 导致材料损坏。减小热效应的方法：设计对热效应不敏感的谐振腔，设计更优 化的冷却方法，基质材料采用板条结构或叠片结构以改善热效应。调调Q技术技术调调Q技术是一种广泛使用于产生巨脉冲功率激光的技 术，它能使谐振腔的光学品质因数技术是一种广泛使用于产生巨脉冲功率激光的技 术，它能使谐振腔的光学品质因数Q(腔内储能与每周期的 能量损耗之比腔内储能与每周期的 能量损耗之比)发生突变，故得名。它产生脉冲峰值比普通 长脉冲激光高几个数量级。发生突变，故得名。它产生脉冲峰值比普通 长脉冲激光高几个数量级。闪光灯输出能量谐振腔损耗反转粒子数光子通量闪光灯输出能量谐振腔损耗反转粒子数光子通量机械Q开关电光Q开关声光Q开关被动Q开关：可饱和吸收锁模技术锁模技术采用合适的非线性器件或外部驱动光调制，使各纵模 保持固定的相位关系，可在腔内形成相位规则且功率很大 的单脉冲，这种技术称位锁模技术。锁模技术可产生采用合适的非线性器件或外部驱动光调制，使各纵模 保持固定的相位关系，可在腔内形成相位规则且功率很大 的单脉冲，这种技术称位锁模技术。锁模技术可产生ps和和 fs量级的超短光脉冲，其脉冲峰值功率可达量级的超短光脉冲，其脉冲峰值功率可达TW量级。被动锁模：可饱和吸收体锁模、添加脉冲锁模、克尔 透镜锁模、半导体可饱和吸收反射镜。主动锁模：电光调制器、声光调制器锁模可分位调频锁模和调幅锁模两种。量级。被动锁模：可饱和吸收体锁模、添加脉冲锁模、克尔 透镜锁模、半导体可饱和吸收反射镜。主动锁模：电光调制器、声光调制器锁模可分位调频锁模和调幅锁模两种。固体激光材料固体激光材料要求：尖锐的荧光谱线、强吸收带、高的量子效率。基质材料要求：尖锐的荧光谱线、强吸收带、高的量子效率。基质材料+激活激活/敏化离子常用的基质材料：玻璃、晶体敏化离子常用的基质材料：玻璃、晶体(YAG、YVO4、 YLF、 YAP、蓝宝石、祖母绿等、蓝宝石、祖母绿等)，要求具有有利的光学特 性，良好的机械、热特性，晶体晶格位能够接受掺杂离 子，局部晶场具有对称性和感应出期望的光谱特性必需 的强度，基质内的离子具有长的辐射寿命，能够生长出 大尺寸的掺杂晶体。常用的激活离子：稀土离子，要求具有有利的光学特 性，良好的机械、热特性，晶体晶格位能够接受掺杂离 子，局部晶场具有对称性和感应出期望的光谱特性必需 的强度，基质内的离子具有长的辐射寿命，能够生长出 大尺寸的掺杂晶体。常用的激活离子：稀土离子(Nd、Er、Ho、Yb等等)， 过渡金属离子， 过渡金属离子(Cr、Ti、Ni、Co等等)可调谐激光晶体可调谐激光晶体电子电子-声子耦合实现可调谐发射声子耦合实现可调谐发射谐波产生谐波产生, 混频混频, 波前修正波前修正, 图象补偿等图象补偿等非线性吸收非线性吸收非线性折射非线性折射多光子吸收等多光子吸收等光折变、 自聚焦、 自散焦等光折变、 自聚焦、 自散焦等相干作用相干作用非相干作用非相干作用非线性光学非线性光学Franken等人等人“所做的二次谐波产生的实验标志了非线 性光学这个领域的诞生。 他们用一束波长为所做的二次谐波产生的实验标志了非线 性光学这个领域的诞生。 他们用一束波长为694.2nm的红宝 石激光通过石英晶体，然后观测到从石英晶体发射出来的波 长为的红宝 石激光通过石英晶体，然后观测到从石英晶体发射出来的波 长为347.1nm的紫外辐射。在观测光学谐波产生时，必须用 激光束，因为非线性效应要求外加光场达到与晶体的内部场 相当的程度，要产生可观察的谐波发生一般要有一个大约的紫外辐射。在观测光学谐波产生时，必须用 激光束，因为非线性效应要求外加光场达到与晶体的内部场 相当的程度，要产生可观察的谐波发生一般要有一个大约 1kv/cm的场才能在介质内感应起非线性的响应，这相当于 大约的场才能在介质内感应起非线性的响应，这相当于 大约25kW/cm2的光束强度，通常的光源无法实现。自的光束强度，通常的光源无法实现。自1961年以来，已经发现了大量的非线性光学现象，它 们大大增长了我们的有关光与物质相互作用的知识，而且也 使光学技术产生了革命性的变化。每一种非线性光学过程都 可以由两个部分组成，强光首先在介质内感应非线性响应， 然后介质在产生反作用时非线性地改变该光场，前一个过程 遵循本构方程，而后一过程遵循麦克斯韦方程年以来，已经发现了大量的非线性光学现象，它 们大大增长了我们的有关光与物质相互作用的知识，而且也 使光学技术产生了革命性的变化。每一种非线性光学过程都 可以由两个部分组成，强光首先在介质内感应非线性响应， 然后介质在产生反作用时非线性地改变该光场，前一个过程 遵循本构方程，而后一过程遵循麦克斯韦方程倍频与和频倍频与和频电偶极矩极化强度PP = 0(1)E + 0(2)EE + 0(3)EEE + D = 0E + P = E在线性光学中n2= 1 + (1)121+23=1+ 2非线性晶体非线性晶体在非线性光学中，由于E很大，二阶甚至三阶以上 的分量不能被忽略，故极化强度与高频分量有关。 n = n0+n2(I)二阶极化强度： 和频：Pl(2)(1+ 2) = lmn(2)Em(1)En(2) 当1=2时，即为倍频。 差频：Pl(2)(1- 2) = lmn(2)Em(1)En(2)对于无损介质，根据晶体对称性理论，二阶非线 性极化率lmn(2)的独立分量大大减少，而中心对称晶 体中， lmn(2)的值为0，故不存在二阶非线性效应。相位匹配条件和频光的强度)2/(sinc51222 2 332121253kLLcnnnIIdI=321kkkk+=因此，有效和频、倍 频的条件是k=0，称为 相位匹配条件332211nnn=+对于倍频3212nnn=+I类匹配：1与2具有相同的偏振II类匹配：1与2具有正交的偏振根据非线性晶体的双折射与色散，可以实现倍频、 和频的相位匹配。相干长度 kLc=/2非临界相位匹配：当匹配方向与晶体x轴或y轴重 合时，此时的相位匹配称为非临界相位匹配。非临界 相位匹配不存在双折射引起的离散效应，而且具有较 大的角度容忍度。periodically alternate sign of (2) (2) Distance (z/Lc)Powernot phasematchedphasematched QPM=2=2Lc准相位匹配准相位匹配(quasi-phasematching)采用周期极化晶体采用周期极化晶