1、3.5 方位角的选取,x,y,Z 光轴,k,1、光轴（z轴）与波矢量 （光的传播方向）之间的夹角为 。,k,2、当 为 时，如 o+o e 匹配方式， 基频光中o光的振动分量（垂直zok面的振动）和倍频光中e光的振动分量（平行 zok面的振动）就满足相位匹配条件，倍频光最大。,m,3、为使倍频光最大，倍频光的e光的振动分量应该为最大。选取入射光E的入射方向，即选取某一方位角（方位角：zok面与x轴的夹角），使P的e光振动分量最大。,4、有效非线性系数,由于P和E之间是张量关系，即 是张量，定义有效非线性系数 ，来表示P和E之间的方向关系。,表示非线性极化率在 方向上的投影。选取适当的角，可使有
2、效非线性系数 最大，也就是倍频光最大。,不同晶体不同的匹配方式可查表得到有效非线性系数 的表达式，通过使 最大求得方位角。,3.6 倍频晶体长度的选取,1、倍频光的转换效率,2、当 时，说明基频光基本上都转换为倍频光了，此时若L 再长，只有传输损耗了。倍频光不会再增强。,3、倍频晶体长度有一个最佳值 。,4、根据耦合波方程,（3.5-1）,对于倍频光有： ， ， ，,(3.5-1)式变为：,（3.5-2）,求解(3.5-2)式得：,其中,3.7 现代倍频技术,一、高功率脉冲激光器倍频技术（腔外倍频）,全反射镜,调Q器件,YAG晶体,输 出 镜T90,聚 焦 透 镜,倍 频 晶 体,0.53m,
3、1.06m,分光镜,1. 腔外倍频的原因,（1）倍频效率 成正比，因此选择高的基频功率密度,（2）对于调Q高功率脉冲激光器，输出镜透过率 T：8090 ， 腔内腔外的功率密度相差很小，为简单起见，将倍频晶体置于腔外。,2. 晶体位置：置于激光光腰处,（1）对于基横模（TEM00），是高斯光束，在束腰处光斑面积最小，功率密度最高，且束腰处近似平面波，对位相匹配有利。,（2）由激光理论，发散角 和束腰半径 关系：当 小， 大，当晶体长度超过束腰长度时，光束发散，破坏光束完全匹配状态，倍频效率下降，所以， 和 之间有一折中。,3. 采用聚焦透镜增大基波功率密度,（1）采用聚焦透镜，聚焦功率可增大一个
4、数量级。,（2）通常采用长焦透镜，增大焦深与倍频晶体长度相匹配。,二、低功率连续激光器倍频技术（腔内倍频）,全反射镜,YAG晶体,T100（ 0.53m） T0（ 1.06m）,聚 焦 透 镜,倍 频 晶 体,0.53m,布 氏 起 偏 器,输 出 镜,1. 腔内倍频的原因,连续激光器，输出镜的透射率 T：1020 ，腔内功率密度比腔外大510倍，因此，采用腔内倍频。,2. 输出镜的选择,对于激光，其损耗处于最佳值10左右时，激光振荡才会最强，这样，也可以得到高的倍频光。因此，使输出镜对基频光全反射，而使倍频效率为10，基频光振荡最强。,3. 布氏起偏器作用,（1）使基频光变为偏振光。,（2）
5、使倍频光输出。,三、腔内双向倍频,全反射镜,YAG晶体,T100（ 1.06m） T0（ 0.53m）,倍 频 晶 体,0.53m,长通滤光片,短通滤光片,T0（ 1.06m） T100（ 0.53m）,1. 双向倍频，倍频光增强了,2. 滤光片可通过镀膜实现,3. 向前和向后传播的倍频光要同位相，否则会抵消，通过调节倍频晶体与两个滤光片距离实 现，设计高精密调节系统。,第四章 受激散射效应,第一节 光散射现象概述,一、光的散射,有一部分能量，偏离原来的传播方向，向空间其它任意方向弥散开来，这种现象称为光的散射。,二、研究光散射的意义,1. 认识光的传播规律，光和物质相互作用的规律。,2. 探
6、索介质的组成、结构、均匀性、物态变化的手段。,提供一种产生强相干辐射的新方式，如受激喇曼散射激光器，受激自旋反转喇曼激光器。,三、光散射的原因,表面上看：介质的光学不均匀性，即光学常数（折射率）的不均匀性。,实质上： ，,介质的光学不均匀性，实质上是介质感应电极化特性的时空起伏，即感应电偶极矩的时空起伏。,在入射光作用下，介质内产生感应电偶极矩，电偶极矩是产生次级电磁波的辐射源，当介质内感应电偶极矩的时空分布完全均匀时，次波辐射互相干涉，使介质内沿原来前进方向上的光辐射强度最大，其它方向上次波辐射干涉相消,光强为零，没有光的散射。当介质内折射率分布不均匀，感应电偶极矩时空分布不均匀，次波辐射干
7、涉结果，在其它方向不能完全干涉相消，光强不为零，形成散射。,三、光散射现象的分类,从产生的物理机制可分为两大类,1、非纯净介质中的光散射,介质中由外来杂质质点、颗粒、介质本身结构缺陷等造成的光散射。如晶体中形成的结石、气泡、杂质颗粒、局部错位、局部应力都可成为散射中心。,特点：散射现象不是介质本身所固有的，而是依赖外部掺杂进来的散射中心的性质或介质的纯净度。,规律：（1）散射光频率与入射光频率相同。（2）散射光强 I 与入射光波长之间关系：,其中： 与散射中心的尺度 有关,（1）丁铎尔散射： ， ， 与 无关。,（2）瑞利散射： ， ，,（3）米氏散射： ，,2、纯净介质中的光散射（介质本身所
8、固有的）,（1）瑞利散射：,组成介质的原子或分子产生的密度起伏。 散射光频率与入射光频率相同，散射前后原子或分子内能不变。 散射光强 与入射光波长：,（2）喇曼散射：,发生在由分子组成的纯净介质中。组成介质的分子是由原子或离子组成的，它们在分子内部按一定方式运动，如振动、转动。分子内部粒子间的这种相对运动，使感应电偶极矩受到调制，使入射光产生散射。,散射光的频率相对入射光有一频移，频移量等于调制频率。,设入射光：,电极化率：,入射光产生的电极化率,分子运动对电偶极矩的调制,电极化强度矢量：,反斯托克斯散射光,斯托克斯散射光,（3）布里渊散射：,组成介质的质点群，做热运动，使介质内存在弹性力学振
9、动或声波场，使介质的密度（折射率）随时间和空间周期性起伏，因而对入射光产生散射作用。声波场相当于光栅的衍射作用。,特点：散射光频率与入射光不同，频移量与声波特性 及散射角有关。,第二节 受激喇曼散射效应,一、喇曼散射的量子理论描述,前面对喇曼散射进行了经典的物理说明（入射光看作电磁波），下面采用量子理论图像对散射机制给出更本质的说明（入射光看作光子）。,处于较低能级 上的分子，吸收入射光子 跃迁到一虚能级 上，然后分子跃迁回一个较高能级 上发射出频率为 的光子，分子内能增加,处于较高能级 上的分子，吸收入射光子 跃迁到一虚能级 上，然后分子跃迁回一个较低能级 上发射出频率为 的光子，分子内能减
10、少,斯托克斯光子,反斯托克斯光子,二、受激喇曼散射几率,1、普通喇曼散射几率,利用量子理论，可以对喇曼散射进行定量描述,设：能级 、 上的分子数密度分别为 ，,则：单位时间内，在空间 立体角内散射出具有一定偏振状态的频率为 的光子的几率为：,其中： 是光速，,是喇曼散射过程单位体积的微分散射截面，,是入射光的光子简并度，,是散射光的光子简并度，,2、受激喇曼散射几率,（1）对于普通光，入射光子简并度很小， ，散射光的光子简并度就更小，因此 可以忽略。散射几率：,（2）对于强激光，入射光子简并度很大， ，散射几率：,（4.2-1）,受激喇曼散射几率远远大于普通喇曼散射的几率，散射光强也远远大于普
11、通散射光强。,三、受激喇曼散射,普通喇曼散射中，入射光是非相干光，喇曼散射也是一种自发辐射，因此，散射光是非相干光,强激光入射时，入射光是相干光，具有高的光子简并度，因此，有大量具有同一量子状态的光子，这些光子与散射粒子碰撞，产生大量具有同一量子状态的散射光子，散射光具有高的光子简并度，是受激相干光，成为受激喇曼散射。,四、受激喇曼散射的增益,由受激喇曼散射几率：,（4.2-1）,散射几率：单位时间散射光子的总几率，即单位时间散射光子数的变化。,（4.2-1）可改写为：,（4.2-2）,又：,（4.2-2）可改写为：,（4.2-3）,（4.2-4）,代入（4.2-4）中：,（4.2-5）,对（
12、4.2-5）积分：,其中，g 是增益系数：,（4.2-6）,（4.2-7）,五、原子的电子跃迁受激喇曼散射,受激喇曼散射的特点是发射出散射光子的同时，伴随着粒子由初始能级向终止能级的跃迁。能级跃迁可以是分子转动能级之间的跃迁、振动能级的跃迁、电子能级的跃迁、半导体介质中自旋反转能级之间的跃迁。能级跃迁性质不同，决定了散射光的频移范围大为不同。,1. 电子跃迁受激喇曼散射特点,在散射过程的前后，原子所处的始末能级属于不同的电子能级。能级间隔在103104厘米-1量级，厘米-1是波数的量纲。因此可获得较大的受激散射光的频移。,2. 工作物质（散射介质）,几种金属蒸气，如 Cs、K、Ba、Tl 。能
13、级结构简单，且电子能级间隔距离不太远。,3. 举例：以Cs原子为例,如图：6S为电子基态能级，6S和7S能级间隔,厘米-1,6S,7S,8S,7P1/2,7P3/2,厘米-1,喇曼散射过程：当入射光子能量大于 能级间隔时，电子吸收光子跃迁到虚能级上，然后再向下跃迁到7S能级，同时发出一个stoks散射光子 ，散射光相对入射光的频移为 。,4. 共振散射,当入射光的波长使散射过程的中间态能级，即虚能级，靠近或近似与某一实际能级重合时，就会出现共振或近共振，则散射光强显著增强。,六、分子振动能级跃迁受激喇曼散射,1. 特点,在散射过程中，粒子能级跃迁为分子不同振动能级间的跃迁。散射频移量在1021
14、03厘米-1。,2. 散射介质,（1）有机液体：硝基苯、苯、甲苯、CS2等。,（2）固态：金刚石、方解石、光纤、光学玻璃。,（3）气态：高压气体，H2、N2、CH4等，气压：10102大气压。,七、分子转动能级跃迁受激喇曼散射,1. 特点,在散射过程中，粒子能级跃迁为分子不同转动能级间的跃迁。散射频移量在 0102 厘米-1。,2. 散射介质,低温冷却的仲氢气体，能量转换效率可达55。,八、受激喇曼散射的混频效应,1. 受激喇曼散射与普通喇曼散射的区别,2. 多重散射光谱：,除一级斯托克斯散射谱线和反斯托克斯谱线外，还可能在高、低频方向出现一系列等频率间隔的多重受激喇曼散射谱线，称为二级斯托克
15、斯谱线和反斯托克斯谱线。产生的原因是不同 的受激喇曼散射光在介质中混频产生的。,（1）受激喇曼散射有增益能力。,（2）受激喇曼散射效应出现阈值性、高定向性、高单色亮度。,（3）受激喇曼散射存在多重散射光谱。,九、受激自旋反转喇曼散射效应,1. 概念,当介质中的电子自旋取向不同时，系统所取的能态也不同。把半导体在低温下置于强磁场当中，入射到介质中的激光受到电子散射，同时导带中的电子产生向与其原来自旋方向相反的能级跃迁，这种光散射称为自旋反转喇曼散射。,（1）当入射的激光强度高到一定程度，这种喇曼散射光会变得很强，达到受激辐射阶段，即出现自旋反转喇曼散射激光。,（2）转换效率较高：通常3050，最
16、高可达75。,（3）自旋反转跃迁的能量正比于磁场强度，所以自旋反转喇曼散射光的频移量依赖于磁场强度。连续地改变磁场就可以使输出的散射光的频率连续改变，因此，可以得到连续可调谐自旋反转喇曼较高，调谐波段在红外。,2. 能级结构：散射介质InSb,（2）有外界磁场存在时，导带 能级分裂为一些分立能级， 称为朗道能级。朗道能级间隔相等，间隔大小与外磁场强度成正比，能级高低用不同量子数表征，如：n0, n1, n2,（1）InSb是族的半导体,（3）由于电子自旋与磁场的相互作用，同一量子数的能级因导带电子在磁场中的自旋方向“向上”（顺磁场）和“向下”（逆磁场）的取向不同，能级分裂为两个子能级，较低的子能级对应电子自旋取向向上的状态，而较高的子能级对应电,子自旋取向向下的状态 。同一朗道能级，两种不同电子自旋取向子能级间隔为：,其中：B磁感应强度， 波尔磁子，g导带电子的朗道因子。,（4）散射光的频移量：,其中， ：入射光频率， ：散射光频率。,由上式可知，改变外加磁感应强度 B，可改变散射光的频移量大小。,3. 应用：产生连续可调激光。,
