激光倍频技术讲解

第五专题 激光倍频理论与技术§5.1激光倍频基本理论从目前的激光材料其输出波长是很局限的，比如大量应用的优质材料YAG 摻Nd ，只能输出1.064m μ（或0.94m μ）。

为获得可见光波长，只有采用其它方法，这就是倍频技术发展的原因。

由Nd ：Y AG 的1.064m μ激光倍频后输出0.532m μ绿光，也可通过3倍频获得0.355m μ或四倍频获得0.266m μ激光。

这是非常有用的紫外激光器。

倍频理论是很复杂的，理论上需要解具有极化的三波相互作用波动方程，即处理下面的波动方程，该方程是高斯单位制中的表达形式，即2222222E 4pE c t c tε∂π∂∇=+∂∂ 5.1—1这里的E 为光波场，ε为介电常数，c 为光速，p 为极化矢量。

因极化是光波场引起的，可以与E 成线性关系或成平方关系。

如果是线性关系，不能产生新的频率，如果成平方关系则可实现激光频率的转变产生新的频率。

有些晶体对光波的作用产生平方关系，称此种晶体为非线性晶体。

用非线性晶体可得到倍频光。

在解三波耦合方程时，即认为E 由三个波组合而成：123E E E E =++。

当考虑标量时，认为振动方向相同只计及量的关系，312E(z,t)E (z,t)E (z,t)E (z,t)ωωω=++。

在高级光学的非线性光学中已有介绍，经过复杂的推导运算可得到下面三个方程：3212i(k k k )z *112321dE i2d E (z)E (z)e dz c k --πω=⋅ （1） 3212i(k k k )z *221322dE i2d E (z)E (z)e dz c k --πω=⋅ （2） 5.1—2 1232i(k k k )z 331223dE i2d E (z)E (z)e dz c k +-πω=⋅ （3） 上面的三个方程式是处理光倍频、光混频、光参量振荡的理论基础。

如果我们设定1E 和2E 是入射的基频光，即设定12ω=ω，则3ω即等于1232ω+ω=ω=ω，实现了倍频。

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”。

实验十八 激光倍频技术及其特性分析【实验目的】1、掌握倍频的基本原理和调试技能；2、了解影响倍频效率的主要因素；3、测量二倍频激光转换效率。

【实验原理】利用某些晶体在强光作用下的非线性效应，使频率为ω的激光通过晶体后，变成频率为2ω或3ω的倍频光，即为倍频技术。

它可用以扩展激光波段。

例如，可将1.06m μ的红外激光二倍频为0.53m μ的可见绿光，这对水下通讯，彩色电视等都很有实用价值的。

1、 物质极化的非线性效应物质由原子组成，原子由带正电的原子核及带负电的电子组成，一般呈中性。

但当光与物质相互作用时，原子的内能并不发生变化，只引起外层电子的位移，产生了电偶极矩,m er m =是偶极矩。

e 是负电中心的电荷量，r 是负电中心相对于正电中心的距离。

单位体积内偶极矩的总和为极化强度p Nm =，N 是单位体积内的原子数。

极化强度的大小和方向随外电场的变化而变化，形成了极化波，这种极化场的变化会产生电磁辐射。

一般情况下（就是入射光的场强与原子内的场强相比十分微弱时），极化强度P 与入射光的电场E 成线性关系P xE =。

因此极化场产生的辐射与入射光场有相同的频率。

在强光照射下，物质的极化则表现为非线性的特性，极化强度与入射光场的关系的标量形式为23123P ......x E x E x E =+++ （18-1）式中的1x 、2x 、3x ……分别是线性、二次非线性，三次非线性等的极化系数，并且1x ＞＞2x ＞＞3x ，故在弱电场作用下，只能呈现出线性效应，只有对强电场才能显示出非线性效应。

在激光出现前，这种非线性现象不可能观察到，只有高强度的激光出现后，才观察到了非线性现象。

我们忽略三次以上的非线性效应，现在分两种情况来分析光波场通过非线性晶体时的二次非线性效应。

第一种情况：一列行波通过非线性晶体时的二次非线性效应距波源o 为z 处的任一点s 在t 时刻光波场的振辐可表示为0(,)cos()E z t E t kz ω=- （18-2）式中0E 为光源光波场的振辐，2/,k n πλλ=为波长，n 为晶体折射率。

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。

激光自倍频晶体简介1、激光倍频激光倍频也称二次谐波（SHG），是利用非线性晶体在强激光作用下的二次非线性效应，使频率为ω的激光通过晶体后变为频率为2ω的倍频光，也是首个在实验上被观测到的非线性光学效应。

1961年，美国密歇根大学的Franken等人发现红宝石激光(694.3nm)通过石英晶体后产生了一条波长为347.15nm 的新谱线[1]，新产生的光的频率正好是原入射光的两倍，也就是光倍频现象。

这不同于以往的线性光学现象，标志着非线性光学的开端。

Franken实验原理图激光倍频技术大大扩展了激光的波段，是将激光向短波长方向变换的主要技术方法。

激光倍频在激光技术中被广泛采用，为得到波长更短的激光可多级倍频，目前已达到实用化的程度，并且有商品化的器件和装置，具有非常广泛的应用。

2、自倍频晶体自倍频激光晶体是通过在非线性光学晶体中掺入激活离子（通常是Nd3+或Yb3+），使其同时具有激光发射和非线性光学倍频两种功能，在产生红外波长的基频光的同时对其进行倍频。

典型的自倍频晶体有掺杂钕离子的四硼酸铝钇（NYAB）、掺杂镱离子的四硼酸铝钇（Yb:YAB）、掺杂钕或镱离子的硼酸钙氧盐（Nd/Yb:RECOB）等晶体。

1）NYAB晶体用半导体激光器（LD）抽运NYAB晶体最高可获得225mW 的自倍频绿光输出（光光转换效率为14％），而用钛宝石作为抽运源绿光输出功率可提高到450mW[2]。

但是，NYAB 晶体的不均匀性很难通过改善晶体生长条件或其它措施来解决，极难获得高光学质量的单晶。

除此之外，NYAB晶体在530nm倍频光处存在较强的吸收，不利于自倍频绿光的产生。

这使得NYAB自倍频激光器的应用受到限制。

2）Yb:YAB晶体Yb:YAB晶体的主吸收峰在976nm处，用功率11W的LD 抽运Yb:YAB晶体，可获得4.3W的基频光波输出（斜效率为48％），最终实现了1.1W的自倍频绿光输出（光光转换效率为10％）[3]。

532nm激光倍频原理532nm激光倍频原理介绍激光技术作为一种重要的光学技术，在许多领域中都得到了广泛应用。

其中，532nm激光倍频技术是一项重要的技术手段。

本文将从浅入深，逐步解释532nm激光倍频原理。

激光的基本原理1.激光简介：激光是通过受激辐射过程产生的一种高度聚焦的、高能量的、单色的光束。

2.激光产生原理：激光的产生主要由两个过程构成，即受激辐射和放大辐射。

激光倍频技术1.激光倍频简介：激光倍频是指将光波的频率提高到原来的2倍或更高，产生更短波长的激光。

2.532nm激光倍频：532nm激光是一种常见的绿光激光，在许多应用领域中需求较高。

而532nm激光倍频技术可以将其频率提高到原来的2倍，即产生266nm的紫外激光。

532nm激光倍频原理详解1.荧光物质的选择：为实现532nm激光倍频，首先需要选择合适的荧光物质，如β-BBO晶体。

2.波长调节：通过调整激光器的光路和外加电场，将532nm激光的频率调整到特定值，以匹配荧光转化的需求。

3.双倍频效应：当532nm激光通过β-BBO晶体时，由于晶体的非线性光学特性，波长减半，产生266nm的紫外激光。

4.激光束整形：通过使用适当的光学组件，可以对266nm激光进行整形，使其满足具体应用的需求。

应用领域1.生物医学：532nm激光倍频技术在生物医学中广泛应用于显微成像、荧光染料激发等领域。

2.光通信：532nm激光倍频可以提供更高的传输速率和更高的带宽，因此在光通信领域有着重要的应用价值。

结论532nm激光倍频技术是一种重要的激光技术手段，通过选择合适的荧光物质和调节激光波长，可以实现532nm激光频率的加倍，从而产生更短波长的激光。

该技术在生物医学和光通信等领域有着广泛的应用前景。

基于倍频技术的激光成像系统研究随着科技的快速发展，基于倍频技术的激光成像系统越来越被广泛地应用于多项技术领域，如航空航天、医学、地质勘探、图像识别等等。

倍频技术的激光成像系统通过使用三倍频和四倍频技术，可以发射出更高频率、更稳定的光，从而实现更精细的成像效果。

在基于倍频技术的激光成像系统中，激光器是最核心的组成部分之一。

激光器可以将电能转换为光能，通过激光器发出的激光束，可以传输能量并精确成像。

当激光器发出的激光束经过倍频技术加工后，可以获取更高的成像分辨率，使得成像更加精细，有着无可比拟的优势。

在激光成像系统中，倍频技术是至关重要的一部分。

倍频技术通过将输入光在非线性光学晶体中反复倍频，最终产生高频光信号，从而达到提高成像分辨率的效果。

这种方法可以产生更高频率、更稳定的光束，可以让成像效果更加精确、清晰。

同时，倍频技术还可以通过选择不同倍频数量和不同晶体类型来达到最佳的成像结果。

另一个关键组成部分是成像传感器。

成像传感器通过接收反弹回来的激光信号，将其转换为电信号，再经过编码和解析，产生最终的成像效果。

在基于倍频技术的激光成像系统中，成像传感器通常采用高速高灵敏度的CCD（Charge-Coupled Device）传感器，而非微处理器。

尽管基于倍频技术的激光成像系统具有许多优点，但是它们也存在着一些挑战和问题。

首先，倍频技术需要使用非线性晶体，而这种晶体经常受到环境温度、光照度和晶体使用时间等各种因素的影响，使其倍频效果发生变化，从而影响成像质量。

其次，成像传感器需要极高的灵敏度和高速性能，这需要成像传感器具备更高的技术水平和成本。

最后，其主要应用场景仍然集中在高端设备和专业领域，与普通消费者存在着很大的距离。

总结一下，基于倍频技术的激光成像系统在今后的发展中将变得越来越关键。

随着技术的不断提升，它们将让成像结果变得更加完美，同时这也将扩大基于激光技术的应用范围。

虽然它们仍然面临着一些技术问题，但这些问题随着技术的发展逐渐减少。