第2章非线性光学相位匹配优秀PPT.ppt

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1、其次章其次章 光波在非线性介质中传播光波在非线性介质中传播2.1 2.1 非线性光学相位匹配非线性光学相位匹配2.2 2.2 非线性介质的波方程非线性介质的波方程2.1 非线性光学相位匹配非线性光学相位匹配 假定频率为假定频率为假定频率为假定频率为的基波射入非线性介质的基波射入非线性介质的基波射入非线性介质的基波射入非线性介质,由于二由于二由于二由于二次非线性效应次非线性效应次非线性效应次非线性效应,将产生频率为将产生频率为将产生频率为将产生频率为2 2 2 2的二阶非线性极的二阶非线性极的二阶非线性极的二阶非线性极化强度化强度化强度化强度,该极化强度作为一个激励源将产生频率为该极化强度作为一

2、个激励源将产生频率为该极化强度作为一个激励源将产生频率为该极化强度作为一个激励源将产生频率为2 2 2 2的二次谐波辐射的二次谐波辐射的二次谐波辐射的二次谐波辐射,并由介质输出并由介质输出并由介质输出并由介质输出,这就是二次这就是二次这就是二次这就是二次谐波产生过程谐波产生过程谐波产生过程谐波产生过程,或倍频过程。或倍频过程。或倍频过程。或倍频过程。(1)(1)(1)(1)从辐射相干叠加观点引入相位匹配概念从辐射相干叠加观点引入相位匹配概念从辐射相干叠加观点引入相位匹配概念从辐射相干叠加观点引入相位匹配概念1 1 相位匹配的概念相位匹配的概念式中(3.5-1)n n设介质对基波和二次谐波辐射的

3、折射率为设介质对基波和二次谐波辐射的折射率为设介质对基波和二次谐波辐射的折射率为设介质对基波和二次谐波辐射的折射率为n n n n1 1 1 1和和和和n n n n2 2 2 2 n n又设基波光电场表示式为又设基波光电场表示式为又设基波光电场表示式为又设基波光电场表示式为(1)(1)(1)(1)从辐射相干叠加观点引入相位匹配概念从辐射相干叠加观点引入相位匹配概念从辐射相干叠加观点引入相位匹配概念从辐射相干叠加观点引入相位匹配概念1 1 相位匹配的概念相位匹配的概念则由二次非线性效应产生频率为则由二次非线性效应产生频率为则由二次非线性效应产生频率为则由二次非线性效应产生频率为2 2 2 2的

4、极化强度表示式为的极化强度表示式为的极化强度表示式为的极化强度表示式为(3.5-2)已利用了在介质无耗区内极化率张量的时间反演对称性已利用了在介质无耗区内极化率张量的时间反演对称性已利用了在介质无耗区内极化率张量的时间反演对称性已利用了在介质无耗区内极化率张量的时间反演对称性:(1)(1)(1)(1)从辐射相干叠加观点引入相位匹配概念从辐射相干叠加观点引入相位匹配概念从辐射相干叠加观点引入相位匹配概念从辐射相干叠加观点引入相位匹配概念图图图图 1 1 1 1 二次谐波产生过程示意图二次谐波产生过程示意图二次谐波产生过程示意图二次谐波产生过程示意图推导相位匹配条件推导相位匹配条件推导相位匹配条件

5、推导相位匹配条件(1)(1)(1)(1)从辐射相干叠加观点引入相位匹配概念从辐射相干叠加观点引入相位匹配概念从辐射相干叠加观点引入相位匹配概念从辐射相干叠加观点引入相位匹配概念(1)(1)(1)(1)从辐射相干叠加观点引入相位匹配概念从辐射相干叠加观点引入相位匹配概念从辐射相干叠加观点引入相位匹配概念从辐射相干叠加观点引入相位匹配概念(1)(1)(1)(1)从辐射相干叠加观点引入相位匹配概念从辐射相干叠加观点引入相位匹配概念从辐射相干叠加观点引入相位匹配概念从辐射相干叠加观点引入相位匹配概念由于介质的色散效应使总的由于介质的色散效应使总的由于介质的色散效应使总的由于介质的色散效应使总的二次谐波

6、强度输出很小二次谐波强度输出很小二次谐波强度输出很小二次谐波强度输出很小相位匹配相位匹配相位匹配相位匹配相位失配相位失配相位失配相位失配相干长度相干长度相干长度相干长度:(1)(1)(1)(1)从辐射相干叠加观点引入相位匹配概念从辐射相干叠加观点引入相位匹配概念从辐射相干叠加观点引入相位匹配概念从辐射相干叠加观点引入相位匹配概念探讨：探讨：(2)(2)从能量转换角度理解相位匹配概念从能量转换角度理解相位匹配概念基波的能量通过介质的非线性极化不断转换基波的能量通过介质的非线性极化不断转换基波的能量通过介质的非线性极化不断转换基波的能量通过介质的非线性极化不断转换(耦合耦合耦合耦合)到二次谐波。到

7、二次谐波。到二次谐波。到二次谐波。只有在整个作用距离内始终保持此相位关系，只有在整个作用距离内始终保持此相位关系，只有在整个作用距离内始终保持此相位关系，只有在整个作用距离内始终保持此相位关系，P2P2才才才才能不断放射二次谐波，要求相位匹配；能不断放射二次谐波，要求相位匹配；能不断放射二次谐波，要求相位匹配；能不断放射二次谐波，要求相位匹配；假如相位不匹配，假如相位不匹配，假如相位不匹配，假如相位不匹配，P2 P2放射受阻碍，当他们之间相位放射受阻碍，当他们之间相位放射受阻碍，当他们之间相位放射受阻碍，当他们之间相位发生发生发生发生 变更时，变更时，变更时，变更时，P2 P2不再放射能量。不

8、再放射能量。不再放射能量。不再放射能量。(3)(3)从辐射的量子观点理解相位匹配概念从辐射的量子观点理解相位匹配概念光在各向异性介质中的传播特性光在各向异性介质中的传播特性光在各向异性介质中的传播特性光在各向异性介质中的传播特性 晶系的光学分类晶系的光学分类晶系的光学分类晶系的光学分类 各向同性晶体：各向同性晶体：各向同性晶体：各向同性晶体：（立方晶系）（立方晶系）（立方晶系）（立方晶系）单轴晶体：单轴晶体：单轴晶体：单轴晶体：（三方晶系、四方晶系、六方晶系）（三方晶系、四方晶系、六方晶系）（三方晶系、四方晶系、六方晶系）（三方晶系、四方晶系、六方晶系）正单轴晶体：正单轴晶体：正单轴晶体：正单

9、轴晶体：负单轴晶体：负单轴晶体：负单轴晶体：负单轴晶体：双轴晶体：双轴晶体：双轴晶体：双轴晶体：（三斜晶系、单斜晶系、正交晶系）（三斜晶系、单斜晶系、正交晶系）（三斜晶系、单斜晶系、正交晶系）（三斜晶系、单斜晶系、正交晶系）单轴晶体的折射率椭球单轴晶体的折射率椭球单轴晶体的折射率椭球单轴晶体的折射率椭球 旋转椭球旋转椭球旋转椭球旋转椭球 寻常光：寻常光：寻常光：寻常光：非寻常光：非寻常光：非寻常光：非寻常光：正单轴晶体与负单轴晶体正单轴晶体与负单轴晶体正单轴晶体与负单轴晶体正单轴晶体与负单轴晶体光在各向异性介质中的传播特性光在各向异性介质中的传播特性折射率曲面折射率曲面折射率曲面折射率曲面干脆

10、确定与波法线方向干脆确定与波法线方向干脆确定与波法线方向干脆确定与波法线方向 相应的折射率：相应的折射率：相应的折射率：相应的折射率：光在各向异性介质中的传播特性光在各向异性介质中的传播特性光在各向异性介质中的传播特性光在各向异性介质中的传播特性角度相位匹配临界相位匹配角度相位匹配的概念。负单轴晶体KDP中寻常光和特别光的色散曲线。可以看出,随着光波长的增长,折射率将减小。2 2 相位匹配方法相位匹配方法 KDP(KDP(KDP(KDP(磷酸二氢钾磷酸二氢钾磷酸二氢钾磷酸二氢钾),ADP),ADP),ADP),ADP（磷酸二氢铵），（磷酸二氢铵），（磷酸二氢铵），（磷酸二氢铵），KD KD K

11、D KD*P P P P（磷酸二氘钾），（磷酸二氘钾），（磷酸二氘钾），（磷酸二氘钾），LN(LiNbOLN(LiNbOLN(LiNbOLN(LiNbO3 3 3 3 铌酸锂铌酸锂铌酸锂铌酸锂)（1 1 1 1）晶体中的相位匹配）晶体中的相位匹配）晶体中的相位匹配）晶体中的相位匹配图 KDP晶体的色散曲线 角度相位匹配角度相位匹配角度相位匹配角度相位匹配临界相位匹配临界相位匹配临界相位匹配临界相位匹配 图 KDP晶体折射率曲面通过光轴的截面 角度相位匹配角度相位匹配角度相位匹配角度相位匹配临界相位匹配临界相位匹配临界相位匹配临界相位匹配 图 石英晶体的色散曲线 角度相位匹配角度相位匹配角度相位

12、匹配角度相位匹配临界相位匹配临界相位匹配临界相位匹配临界相位匹配图 石英晶体折射率曲面通过光轴的截面 角度相位匹配角度相位匹配角度相位匹配角度相位匹配临界相位匹配临界相位匹配临界相位匹配临界相位匹配相位匹配角的计算相位匹配角的计算相位匹配角的计算相位匹配角的计算角度相位匹配角度相位匹配角度相位匹配角度相位匹配临界相位匹配临界相位匹配临界相位匹配临界相位匹配表表 单轴晶体的相位匹配条件单轴晶体的相位匹配条件 角度相位匹配角度相位匹配角度相位匹配角度相位匹配临界相位匹配临界相位匹配临界相位匹配临界相位匹配 角度相位匹配是简易可行的相位匹配方法，在二次谐波产生及其它混频过程中已被广泛地接受。但是，在

13、应用角度相位匹配方法时，还存在着下面所述的一些问题。温度相位匹配温度相位匹配非临界相位匹配非临界相位匹配 走离效应 通过调整光传播方向的角度实现相位匹配时,参与非线性作用的光束选取不同的偏振态,就使得有限孔径内的光束之间发生分别。例如,在二次谐波产生过程中,当晶体内光传播方向与光轴夹角=m时,寻常光的波法线方向与光线方向一样,而对于特别光,其波法线方向与光线方向不一样,在整个晶体长度中,使得不同偏振态的基波与二次谐波的光线方向渐渐分别,从而使转换效率下降,这就是走离效应。温度相位匹配温度相位匹配非临界相位匹配非临界相位匹配图 走离效应 温度相位匹配温度相位匹配非临界相位匹配非临界相位匹配 输入

14、光发散引起相位失配 事实上的光束都不是志向匀整平面波,而是具有确定的发散角。依据傅里叶光学,任一非志向的平面波光束都可视为具有不同方向波矢的匀整平面光波的叠加。而具有不同波矢方向的平面波不行能在同一相位匹配角m方向达到相位匹配。温度相位匹配温度相位匹配非临界相位匹配非临界相位匹配 输入光束的谱线宽度引起相位失配 混频或二次谐波产生过程的相位匹配角随着波长的不同而发生变更。事实上,任何一束光都是具有确定谱线宽度的非志向单色波,全部频率重量不行能在同一个匹配角下达到相位匹配。同样,可以定义一个二次谐波接受线宽,温度相位匹配温度相位匹配非临界相位匹配非临界相位匹配图 90相位匹配时的折射率曲面 温度相位匹配温度相位匹配非临界相位匹配非临界相位匹配 图 LiNbO3晶体在匹配温度下的色散曲线 温度相位匹配温度相位匹配非临界相位匹配非临界相位匹配 在实际的非线性光学过程中,有时接受碱金属蒸气作为非线性介质。这是因为碱金属蒸气能供应合适的能级,使所用激光频率满足三阶非线性极化率共振增加的要求,从而可大大提高非线性过程的效率。在这种状况下,可以利用附加缓冲气体来达到相位匹配的目的。2.气态工作物质中的相位匹配气态工作物质中的相位匹配图 铷和氙的色散曲线 2.气态工作物质中的相位匹配气态工作物质中的相位匹配图 热管炉示意图 2.气态工作物质中的相位匹配气态工作物质中的相位匹配