非线性光学原理ppt课件.ppt
极化波的产生极化波的产生电场能引起电介质的极化，极化后的电介质分子都具有一定的电偶极矩，它们沿电场有倾向性的排列，介质中单位体积的总分子电矩不为零。定义0lim:ivPPNleVPNe 单位体积内的偶极矩，又称为极化强度；单位体积内电子密度；电子电荷。光波是一种电磁波，当进入透明介质时，介质的原子光波是一种电磁波，当进入透明介质时，介质的原子或分子在光波场作用下产生极化或分子在光波场作用下产生极化1.光波场交变电场，原子分子极化也交变，频率与光波场交变电场，原子分子极化也交变，频率与外加光波电场相同；外加光波电场相同；2.交变极化形成极化波，反映电偶极子电矩周期变交变极化形成极化波，反映电偶极子电矩周期变化；化；3.极化波辐射出频率相同次级电磁波，即物质对入极化波辐射出频率相同次级电磁波，即物质对入射光波的反作用；射光波的反作用；4.入射光波作用下原子中的电子在交变场中发生位入射光波作用下原子中的电子在交变场中发生位移，只有质量很小的才能跟上变化，即次级电磁波移，只有质量很小的才能跟上变化，即次级电磁波是由于物质的电子在入射光波引起振荡产生。是由于物质的电子在入射光波引起振荡产生。线性极化与非线性极化线性极化与非线性极化 PE物质在弱光电场作用下只能产生线性极化，振荡偶极子产生光波电场频率相同的极化波辐射同频率的次级电磁波。：介质线性极化率在强场情况下，P不仅与E的1次项有关，而且与E的2次，3次等高次项有关。一般地(1)(2)(3)PEEEEEE (1)(2)2(3)3PEEE在强光作用下，电子在平衡位置附近振动时正负两个方向的位移量不相等，形成正负峰值不等的畸形极化波，即非线性极化波非线性极化波(1)(2)2(3)3.PEEE(2)(3)(1)、很小，比下降几个数量级00(1)(2)2(1)(2)2200(1)(2)2(2)2000cos,coscos11coscos222EEt EPEEEtEtEtEtE设入射光波光波场振幅，光波电场角频率，则有频率 基波分量频率2 二次谐波分量直流分量二次非线性光学效应：除了基频极化波二次非线性光学效应：除了基频极化波外还有二次谐频极化波，分别辐射基频外还有二次谐频极化波，分别辐射基频电磁波和二次谐波，即倍频光波。电磁波和二次谐波，即倍频光波。非线性光学材料特性参数非线性光学材料特性参数二次非线性光学系数二次非线性光学系数 ,22jiiijkjkjkxxxxxxyyyyyzzzzzxyzzyxzxzxxyxyxEPPE Ej kxyzPE EE EE EE EE EE E在三维情况下，二次极化率是一个与和 相关张量。二次极化表达式为：求和指标，分别取12345627,;1,2,3ijkililijkixxiyyizziiiiyzizyiizxixziixyiyxiddddddddi是一组数集合，有个分量，独立分量18个，属于三阶张量。二次非线性光学系数。和关系为：1768 1 208 ilPd表 个晶类的数目 表 2几种重要非线性光学材料 的绝对非线性光学系数倍频效率倍频效率3+225222222YAG:Nd)1.060.53512sin/2/2cmmPPPL d PL kPL knnA 2512SHGSHGSHG在激光器谐振腔内插入铌酸钡钠(Ba NaNb O可将倍频成的绿光。倍频光输出功率倍频效率倍频光输入功率倍频效率：表征非线性光学介质中能量转移特性的重要质量参数。光波在非线性介质中传播的波耦合方程可得22252222229222512sin/2/210;2;2ccPL d PL kPL knnALcAnnnnckkk SHG：非线性晶体长度(cm),d:非线性光学系数(cm/CGSEq)；11CGSEq=倍频光波长(cm)；入射光截面积；3，介质对基频光和倍频光的折射率；倍频光与基频光在介质中经过某一点的相位差。2252222222512sin/2/2sin/21/2sin/2/2PL d PL kPL knnAcL kPL kALddL kL k SHGSHGSHGSHG当时，与基频光功率密度正比。说明当基频光功率密度一定时，与 和 平方正比。因此提高倍频器件效率要采用 大的介质作倍频材料。对确定介质，在一定基波光功率下，影响为22sin/2/2L kL k，则称为位相匹配因子。位相匹配因子和条件位相匹配因子和条件222sin/201,/28-7sin/2/22sin/200,/20,L kkL kL kL kL kkkLL k SHGSHGmaxSHGSHG对确定介质和基波光功率条件下，当时，有最大值。则可改写为：当，当时则无倍频光输出，所以位相因子是影响的重要因素。20,2kkkk 要获得高的倍频效率，必须满足则此条件为位相匹配条件。2222222,0 knnkkkvvcvkvv 则要使，则需要满足说明要实现位相匹配，要求基频光和倍频光在非线性介质中有相同传播速度，才能使得它们传播到不同位置时仍保持同位相，形成相长干涉。目前倍频技术主要采用折射率匹配或角度匹配的方目前倍频技术主要采用折射率匹配或角度匹配的方法来使得基频光和倍频光在介质中以相同的速度传法来使得基频光和倍频光在介质中以相同的速度传播。播。22, cnvccnnnn得到位相匹配另一种表达式说明只要基频光与倍频光折射率相同就实现了位相匹配。22,e()( ),mmnnnn 对通常的光学介质所以利用非线性晶体对统一波长o光和e光折射率不同和 光随入射波与光轴夹角而变性质，在晶体内可以找一个到入射光波的，使得为入射光与晶体光轴夹角，实现位相匹配。22KDP1.061.4948,.53()1.4948,oeemmmonmnn比如晶体，对的 光折射率对0的e光折射率随e光在晶体中传播方向不同1.51323-1.47变化所以总可以找到一个入射光的方向使得就为相位127,匹配角。折射率椭球找相位匹配角折射率椭球找相位匹配角22,eoeomnnPPnnOPZ和两椭圆截线交与 点，点处符合相位匹配条件，与 轴的夹角就是相位匹配角。最佳相位匹配角最佳相位匹配角20009090eeonnnnmm非线性晶体折射率随温度而变，是温度函数。有些非线性晶体温度改变时， 和变化差别很大，所以可以通过改变晶体温度可能在光速传播方向与晶体光轴成时实现相位匹配，即。这种的相位匹配称为最佳相位匹配090oeoennmm因为时， 光和 光在非线性晶体中光线传播方向一致，使得基频光波与倍频光波良好耦合，从而非线性晶体材料及基频光波能量都能充分得到利用。若温度变化引起的 和 改变对应的不明显，则对晶体温度控制要求可适当降低。 非中心对称结构； 非线性光学系数大； 能实现相位匹配，最好能90度匹配。即大的双折射率和小的射散； 材料光学均匀性好，折射率处处均匀一致； 有高的透明度和宽的透过波段，对光波有良好透过性； 光损伤阈值高； 容易长成尺寸大的透明晶体。倍频器件和光参量振荡器对非线性材料要求倍频器件和光参量振荡器对非线性材料要求
