L04-固体激光技术+(2)

内腔倍频技术
• 倍频的原理：强电场产生高阶感应极化强 度Ｐ。在高阶感应极化张量的作用下，在 介质中就会产生和频和差频。其中倍频是 和频的一种特殊形式。
• 一个频率为ω1的入射波产生谐波的过程可 以看成两步: • （1）首先产生频率为2ω1的二次谐波的极 化波，其折射率为n1 • （2）能量从极化波转移到频率为2ν1的光 波，其折射率为n2 • 为了使能量有效转换，这两个波必须同相， 这意味着n1=n2 (折射率匹配）
NIF靶场系统 NIF靶场系统
• 将一个驱动频率恰为纵模频率间距的相位 调制器或调幅器装入激光腔中，就能够使 激光器产生脉冲重复率为fm=c/2L的锁模脉 冲波列。对于Nd:YAG系统的连续泵浦激光 器的主动锁模，是将电光或者声光调制器 插入其谐振腔实现的。
脉宽的进一步压缩 飞秒脉冲激光器
• 时间与频率是倒数关系，要脉宽越短，频谱要 求越宽。目前最好的激光晶体是Ti:Al2O3掺钛蓝 宝石（增益带宽230nm) • 色散补偿。为了获得超短脉冲，锁模脉冲的所 有频率分量在谐振腔中的往返时间必须与频率 无关，否则频率分量经历累积的相移后将不会 出现相干相长，而是出现衰减。色散补偿通常 是用一对光栅来实现的。
日本大阪大学Gekko日本大阪大学Gekko-Ⅻ激光装置 Gekko
英国Vulcan激光装置 英国Vulcan激光装置 Vulcan
• 激光束数：192束 激光束数： 束 • 脉冲能量：1.8MJ 脉冲能量： • 峰值功率：500TW 峰值功率： • 激光波长：0.35µm 激光波长： • 功率平衡：8％ rms 功率平衡： ％ • 打靶精度：50µm 打靶精度：
高能固体激光器
• 钕玻璃激光器 • 板条(Slab)激光 • 圆盘（Disk）激光 采用板条和圆盘形状的激光玻璃或者晶体 的原因是为了减小热效应。 高能固体激光器的应用主要在军事领域和 惯性约束核聚变领域。
新型固体激光器 光纤激光器
高能固体激光器在 能源领域的应用
惯性约束核聚变 Inertial confinement Fusion
• 目前已经可以产生1fs以下的脉宽，将来的目 标是产生奥秒（10-18s)的脉宽.
• 飞秒激光的应用有：物理化学领域、 超快光开关、通信领域、精密加工领 域等
半导体泵浦技术
• 固体激光器在逐步朝全固化的方向发展， 即用半导体泵浦取代闪光灯泵浦。采用半 导体泵浦的优势有：体积小、光能利用率 高。延长激光器寿命和改善光束质量。增 大脉冲重复率。 • 缺点：成本高（目前而言）
实现相位匹配的方法
• 通常采取的方法是利用双折射晶体中的no和 ne的不同来补偿正常的色散效应，来实现相 位匹配。
倍频晶体
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• 利用光学非线性的效应将一个光子分为两个光子， 光子能量保持守恒，就是参量振荡技术。这三个 光分别叫做泵浦光、信号光和空闲波。要产生这 一效应，也需要满足相位匹配条件。 • OPO最大的特点是它具有调谐的功能。OPO后面 再跟一个OPA（光学参量放大器）就可以实现大 功率激光运转。 • 如果以Nd:YAG三倍频355nm作为泵浦光，信号 光和空闲波的范围则可以覆盖从近红外到可见区 的整过区域，如果再利用倍频技术，又可以扩展 到紫外区域。因此，现有的OPO激光器具有宽光 谱调谐范围的优势。（这一整套系统价格不菲）
• 性质：参加聚变反应的氘、氚核加热到发 生聚变所需极高温度时，原子完全离解成 带正电的离子和带负电的电子，构成等离 子体。在它们膨胀飞散之前，就有大量的 核发生碰撞，进行聚变和释放出大量能量。 依靠这种方式等离子体在聚变时被自身的 惯性约束住了，而不需要昂贵的磁场使其 发生核聚变反应。
• 惯性约束是一种实现核聚变的方法。惯性约束 核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体， 装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入 激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸发， 受它的反作用，球面内层向内挤压（反作用力 是一种惯性力，靠它使气体约束，所以称为惯 性约束），就像喷气飞机气体往后喷而推动飞 机前飞一样，小球内气体受挤压而压力升高， 并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需要 的点火温度（大概需要几十亿度）时，小球内 气体便发生爆炸，并产生大量热能。这种爆炸 过程时间很短，只有几个皮秒（1皮等于1万亿 分之一）。如每秒钟发生三四次这样的爆炸并 且连续不断地进行下去，所释放出的能量就相 当于百万千瓦级的发电站。
固体激光技术 进展与应用
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锁模-ps脉冲激光 脉冲压缩-fs脉冲激光 半导体泵浦 内腔倍频 参量振荡 高能固体激光器 光纤激光器 应用之一：惯性约束核聚变
锁模技术-Mode-Locking
计算机模拟 的结果
被动锁模（染料吸收锁模）
克尔透镜被动锁模
克尔介质
声光、电光调制主动锁模
• 核能可分为裂变能与聚变能。为最终解决人类的 能源问题，核物理学家们正在进行受控聚变的研 究。受控聚变有两种方法，一是“磁约束”，二 是“惯性约束”。 • 惯性约束核聚变(ICF)和磁约束核聚变(MCF)的共 同点是它们都要求高达1亿度的反应温度. • 二者的不同在于：惯性约束核聚变等离子体的密 度极高(1026cm-3),约束时间为纳秒量级，与氢弹 的热核反应的条件类似.而磁约束核聚变等离子体 的密度则低得多，仅为1015cm-3的量级，因此， 其约束时间必须长达秒的量级，以满足劳森判据 (Lawson criterion)的要求.