Nature 484 (7392) | doi:10.1038/nature10920
发表日期：12年4月5日
最近有人提出，基于原子中非常窄的光跃迁的“超辐射”激光振荡器，其光谱纯度可能要比传统光学激光器的纯度高几个数量级。这篇论文演示了这样一个“超辐射”激光光源，它基于一个光腔中超过100万个铷-87原子偶极子的自发同步。原子相关性是通过光腔内平均少于0.2个的光子维持的。光腔内的低光子数将振荡器（原子偶极子所组成的集体）与环境隔离了开来，这对于降低这样的激光器对于热噪音和技术噪音的敏感性非常关键。这项研究的结果演示了对“超辐射”激光的几个关键预测，这种激光可被用来提高原子钟的稳定性以及用来对基础物理学问题进行新的验证。
这里面有很多东西可以做，有兴趣的可以和我讨论。
相位匹配在非线性效应的应用中起着十分重要的作用，实现相位匹配的方法有角度匹配、温度匹配及准相位匹配三种
相位匹配在非线性效应的应用中起着十分重要的作用，实现相位匹配的方法有角度匹配、温度匹配及准相位匹配三种
博文
[转载]倍频晶体
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倍频晶体.doc
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NLO晶体主要是按普通的晶体平面方向切割, 所以调动n轴对提高转换效率并没有帮助. 然而在调动m轴, 一般为打点面, 则有明显的不同效果. 客户们必须在转动m轴时加倍留意 .
最佳晶体尺寸和切割
当选择NLO晶体时, 请尽量提供晶体的切割角度和尺寸. 不同的角度定向主会产生不同的非线性效果. 例如在I类倍频1064nm时, BBO的切割角度为θ=22.8度和Φ=0度.备注:θ为光轴和通光方向的极角. 而Φ则是与X轴和通光方向在XY平面上的投影方位角.
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倍频晶体
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，（YAG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YAG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（YAG），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YAG激光的频率增大一倍的技术，我们称之为“倍频”。
紫外激光 三倍频
将调Q后的1064nm激光首先部分倍频为532nm的绿光，532nm绿光与剩余的1064nm红外光再次聚焦后进入三倍频晶体中，即可实现355nm波长的激光输出，而355nm正好处于紫外区域，因此我们把这种激光成为紫外激光。
怎样为激光器选择合适晶体(图)
角度调整
为了获取最大的转换效率, 角度调整是最常见的方法来达相位匹配方向. 现有两轴来调整晶体角度如图中所示.
为了获取最大的转换效率, 角度调整是最常见的方法来达相位匹配方向. 现有两轴来调整晶体角度如图中所示.
Crystal Angle Tilting
NLO晶体主要是按普通的晶体平面方向切割, 所以调动n轴对提高转换效率并没有帮助. 然而在调动m轴, 一般为打点面, 则有明显的不同效果. 客户们必须在转动m轴时加倍留意 .
最佳晶体尺寸和切割
当选择NLO晶体时, 请尽量提供晶体的切割角度和尺寸. 不同的角度定向主会产生不同的非线性效果. 例如在I类倍频1064nm时, BBO的切割角度为θ=22.8度和Φ=0度.备注:θ为光轴和通光方向的极角. 而Φ则是与X轴和通光方向在XY平面上的投影方位角.
晶体中的坐标图(K为光入射方向)
对于晶体尺寸, 一般是分为宽度(W), 高度(H)和长度(L), 常用写法是W×H×Lmm3. 晶体尺寸请小心设计因为价格和体积是成正比, 而且晶体长度是直接影响转换效率的关键. 至于晶体高度(H), 激光光束直径是为主要考虑因素. 最理想的高度是比光束直径稍为大一点如长1到2mm左右.
晶体尺寸图
当设计理想晶体宽度时, 光束宽度和可调波长范围为主要考虑条件. 如是一单向NLO过程,例如是倍频532nm, 我们会选择W=H. 但如是可调的广阔波长NLO过程, 在染料激光器中用BBO作倍频440nm到660nm作例子, 晶体就需要从θ=36度调至θ=66.6度. 宽度(W)可由公式:H+2tan((66.6-36)/2)×L, 如设晶体高度(H)为4mm和长度(L)为7mm, W则大约是8mm左右.
每一NLO晶体都有其标准作为激光倍频时脉冲宽度长于奈秒(ns)的长度. 例如,BBO和KTP的标准长度为7mm和5mm. 然而在OPO和OPA中,BBO所需要的长度则为>12mm, 而在超快脉冲激光中的SHG和THG则要使用薄片晶体小于1mm.
每一NLO晶体都有其标准作为激光倍频时脉冲宽度长于奈秒(ns)的长度. 例如,BBO和KTP的标准长度为7mm和5mm. 然而在OPO和OPA中,BBO所需要的长度则为>12mm, 而在超快脉冲激光中的SHG和THG则要使用薄片晶体小于1mm.
激光器的倍频、OPA、OPO及THz太赫兹产生原理
在激光器中利用非线性晶体，就可以产生SHG/THG/FHG倍频、OPO光学参量振荡、OPA光学参量放大、THz太赫兹等激光，它们的产生原理如上两图所示，就是满足能量守恒原理，其中SHG二倍频产生是SFG和频产生的一个特例，DFG为差频产生，OPA光学参量放大与OPO光学参量振荡是OPG光学参量产生的两个具体例子。
左图的光子角频率ω 以及右图的光子频率f都与光子的能量成正比，都代表光子的能量，光子的能量公式为E=hf=hc/λ，波长越短，光子能量越高，其中普朗克常数h、光速c都是常数，角频率ω=2πf，光子的波长λ=c/f。
一、激光器的SHG/THG/FHG倍频、SFG和频、DFG差频产生
SFG和频产生原理：激光倍频属于SFG和频产生的一种，SFG和频产生原理为两个低能量光子合成一个高能量光子，总能量守恒以及动量守恒，
ω1 + ω2 =ω3，1/λ1 + 1/λ2=1/λ3
比如SHG二倍频产生1 / 1064nm+1 / 1064nm=2 / 1064nm→1 / 532nm，
THG三倍频产生 1 / 1064nm+1 / 532nm=3 / 1064nm→1 / 355nm，
FHG四倍频产生 1 / 532nm+1 / 532nm=4 / 1064nm→1 / 266nm
DFG差频产生原理： 一个高能量光子和一个低能量光子相互作用后产生另一个低能量光子 ，
ω1 - ω2 =ω3，1/λ1 - 1/λ2=1/λ3
比如：1 / 532nm - 1 / 810nm = 1 / 1550nm
倍频原理：二倍频产生 (SHG) 是和频中一个特别例子，如当两束入射光波长相同时 2 ω1 = ω3 ( 波长 λ 1 = 2 λ 3 )。
倍频晶体：目前常用的倍频非线性晶体有KTP晶体、KDP晶体、KD*P晶体、LiNbO3晶体、BBO晶体、LBO晶体、PPLN晶体等。
倍频方式：首先可根据倍频晶体放置的位置――激光谐振腔内或腔外，分为腔内倍频和腔外倍频两种。
由于倍频晶体的阈值很高，因此要获得高的倍频效率，基频波的功率密度要足够高。这样对连续或者高重复频率的激光器，一般均采用腔内倍频方式。如Photonics Industries采用LD泵浦的DS型Nd:YVO4绿光激光器，两个谐振腔镜对基频波（波长为1064nm）都镀高反膜，而对二次谐波（波长为532nm）有一定的耦合输出，这样腔内的基频波功率密度就非常高，就能获得极高的二次谐波转换效率。当LD泵浦功率为80W时，可获得16W的100kHz 532nm绿光输出。
当基频波为调Q激光脉冲或锁模激光脉冲时，由于其峰值功率很高，比如几十兆瓦，此时采用腔外倍频，腔外倍频时激光只通过晶体一次，既可获得很高的二次谐波转换效率，且装置十分简单。如Thales Optronique的SAGA激光器采用KTP或BBO倍频晶体，对波长为1064nm，脉宽为10ns，脉冲能量为2.3J的基频波进行倍频，即可获得1.5J的532nm绿光输出，倍频效率可达到65%以上。
相位匹配方式：根据光的偏振态相位匹配可以分为两种类型，如在和频时，两束入射光的偏振方向是平衡时， 我们称之为第一类相位匹配，如是互相垂直则为第二类相位匹配。相位匹配在非线性效应的应用中起着十分重要的作用，实现相位匹配的方法有角度匹配、温度匹配及准相位匹配三种。
角度匹配与温度匹配指在特定的角度和温度时非线性效率最高，四倍频晶体对温度要求非常高，比如JPSA的IX-210 LED激光划片系统采用的266nm DPSS激光器，其中532nm SHG晶体温度为64?C，266nm FHG晶体温度为170?C，并且将FHG晶体分为25个工作点，通过定期换点能够延长使用寿命。
准相位匹配（Quasi-phase-matching）相比通常的完美相位匹配（温度匹配，角度匹配），能更容易利用较大的非线性系数，比如周期性极化铌酸锂（Periodically Poled Lithium Niobate）PPLN晶体可用于倍频、差频、和频及光学参量振荡和光学参量放大等。
二、激光器的OPA光学参量放大、OPO光学参量振荡及THz太赫兹产生
OPG光学参量产生原理：OPA光学参量放大、OPO光学参量振荡属于OPG光学参量产生的一种，OPG光学参量产生是和频的反过程，例如 355 nm → 532 nm + 1064 nm，它是将一个高能量光子 ( 泵浦光 λp ) 分裂为两个低能量光子 ( 信号光 λs 和闲频光 λi )，满足能量守恒
ωp = ωs + ωi ，1/λp=1/λs+1/λi （λp < λs < λi）
OPA光学参量放大：只对信号光放大，没有谐振腔，泵浦光源峰值功率高，多为皮秒、飞秒激光。具体还有NOPA非共线光学参量放大、OPCPA光学啁啾脉冲参量放大。
OPO光学参量振荡：既对信号光放大，又有谐振腔，泵浦光源峰值功率较低，多为CW、纳秒、皮秒、飞秒激光。光学参量振荡器（OPO）被认为是获得传统激光器所达不到的光谱范围内的相干光的理想光源。一台OPO就可以在近紫外（near-UV）到中红外（mid-IR）的宽光谱范围中获得连续可调谐的输出，同时OPO还具有全固态设计、高效率和具有可观的输出功率等优点，而且从时间域上OPO可以连续（CW）输出或者输出皮秒、飞秒等超短脉冲。
THz太赫兹产生：THz光源为辐射波长在30μm~1mm之间的光源，即频率在0.1THz~10THz范围的电磁波，介于微波与红外之间，它可以穿透到器官组织的内部而不会像X射线那样造成损伤，也能够将有机组织与不断变化的水成份区分开来，能够穿透非金属材料，从而为安检、医学成像提供新的手段，在物体成像、医疗诊断、环境检测、通讯等方面具有广阔的应用前景。太赫兹产生有几种方法：固体激光器+OPO光学参量振荡、半导体激光器+DFG差频、CO2泵浦的FIR远红外气体激光器、飞秒激光器+光电导开关、飞秒激光器+光整流、半导体量子级联激光器等。
1 / 1.064μm=1 / λs+1 / λi
当λs=1.075μm时，λi=100μm即3THz；当调节λs=1.069μm时，λi=250μm即1.2THz；最后可得到1.2THz~3THz范围内可调谐的纳秒脉冲的太赫兹激光。
激光与光通信常用数据表及公式 http://blog.sciencenet.cn/blog-434633-618353.html
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