非线性光学相位匹配.ppt

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1、第二章第二章 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、极化强度的极化强度的极化强度的极化强度表示式为表示式为表示式为表示式为(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讨论：讨论：(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，P P2 2才才才才能不断发射二次谐波，要求相位匹配；能不断发射二次谐波，要求相位匹配；能不断发射二次谐波，要求相位匹配；能不断发射二次谐波，要求相位匹配；如果相位不匹配，如果相位不匹配，如果相位不匹配，如果相位不匹配，P P2 2发射受阻碍，当他们之间相位发生发射受阻碍，当他们之间相位发生发射受阻碍，当他们之间相位发生发射受阻碍，当他们之间相位发生 变变变变化化化化时时时时，P P2 2不再发射能量。

8、不再发射能量。不再发射能量。不再发射能量。(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

9、单轴晶体：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直

10、接确定与波法线方向直接确定与波法线方向直接确定与波法线方向直接确定与波法线方向 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的概念。角度相位匹配的概念。角度相位匹配的概念。角度相位匹配的概念。负负负负单单单单轴轴轴轴晶晶晶晶体体体体KDPKDPKDPKDP中中中中寻寻寻寻常常常常光光光光和和和和非非非非常常常常光光光光的的的的色色色色散散散散曲曲曲曲线线线线。可以看

11、出可以看出可以看出可以看出,随着光波长的增长随着光波长的增长随着光波长的增长随着光波长的增长,折折折折射率将减小。射率将减小。射率将减小。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），KDKDKDKD*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

12、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

13、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 角角角角度度度度相相相相位位位位匹匹匹匹配配配配是是是是简简简简易易易易可可可可行行行行的的的的相相相相位位位位匹匹匹匹配配配配方方方方法法法法，在在在在二二二二次次次次谐谐谐谐波波波波产产产产生生生生及及及及其其其其它它它它混混混混频频频频过过过过程程程程中中中中已已已已被被被被广广广广泛泛泛泛地地地地采采采采用用用用。但但但但是是

14、是是，在在在在应应应应用用用用角角角角度度度度相相相相位位位位匹匹匹匹配配配配方方方方法法法法时时时时，还还还还存存存存在在在在着着着着下下下下面面面面所所所所述述述述的的的的一些问题。一些问题。一些问题。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 走离效应走离效应走离效应走离效应 通通通通过过过过调调调调整整整整光光光光传传传传播播播播方方方方向向向向的的的的角角角角度度度度实实实实现现现现相相相相位位位位匹匹匹匹配配配配时时时时,参参参参与与与与非非非非线线线线性性性性作作作作用用用用的的的的光光光光束束束束选选选选取取取取不不不不同同同同的的的的偏偏偏偏振振振振态态态

15、态,就就就就使使使使得得得得有有有有限限限限孔孔孔孔径径径径内内内内的的的的光光光光束束束束之之之之间间间间发发发发生生生生分分分分离离离离。例例例例如如如如,在在在在二二二二次次次次谐谐谐谐波波波波产产产产生生生生过过过过程程程程中中中中,当当当当晶晶晶晶体体体体内内内内光光光光传传传传播播播播方方方方向向向向与与与与光光光光轴轴轴轴夹夹夹夹角角角角=m m m m时时时时,寻寻寻寻常常常常光光光光的的的的波波波波法法法法线线线线方方方方向向向向与与与与光光光光线线线线方方方方向向向向一一一一致致致致,而而而而对对对对于于于于非非非非常常常常光光光光,其其其其波波波波法法法法线线线线方方方方

16、向向向向与与与与光光光光线线线线方方方方向向向向不不不不一一一一致致致致,在在在在整整整整个个个个晶晶晶晶体体体体长长长长度度度度中中中中,使使使使得得得得不不不不同同同同偏偏偏偏振振振振态态态态的的的的基基基基波波波波与与与与二二二二次次次次谐谐谐谐波波波波的的的的光光光光线线线线方方方方向向向向逐逐逐逐渐渐渐渐分分分分离离离离,从从从从而使转换效率下降而使转换效率下降而使转换效率下降而使转换效率下降,这就是走离效应。这就是走离效应。这就是走离效应。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 输入光发

17、散引起相位失配输入光发散引起相位失配输入光发散引起相位失配输入光发散引起相位失配 实实实实际际际际上上上上的的的的光光光光束束束束都都都都不不不不是是是是理理理理想想想想均均均均匀匀匀匀平平平平面面面面波波波波,而而而而是是是是具具具具有有有有一一一一定定定定的的的的发发发发散散散散角角角角。根根根根据据据据傅傅傅傅里里里里叶叶叶叶光光光光学学学学,任任任任一一一一非非非非理理理理想想想想的的的的平平平平面面面面波波波波光光光光束束束束都都都都可可可可视视视视为为为为具具具具有有有有不不不不同同同同方方方方向向向向波波波波矢矢矢矢的的的的均均均均匀匀匀匀平平平平面面面面光光光光波波波波的的的的

18、叠叠叠叠加加加加。而而而而具具具具有有有有不不不不同同同同波波波波矢矢矢矢方方方方向向向向的的的的平平平平面面面面波波波波不不不不可可可可能能能能在同一相位匹配角在同一相位匹配角在同一相位匹配角在同一相位匹配角m m m m方向达到相位匹配。方向达到相位匹配。方向达到相位匹配。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输入光束的谱线宽度引起相位失配输入光束的谱线宽度引起相位失配输入光束的谱线宽度引起相位失配 混混混混频频频频或或或或二二二二次次次次谐谐谐谐波波波波产产产产生生生生过过过过程程程程的的的的相相相相位位位位匹匹匹匹配配配配

19、角角角角随随随随着着着着波波波波长长长长的的的的不不不不同同同同而而而而发发发发生生生生变变变变化化化化。实实实实际际际际上上上上,任任任任何何何何一一一一束束束束光光光光都都都都是是是是具具具具有有有有一一一一定定定定谱谱谱谱线线线线宽宽宽宽度度度度的的的的非非非非理理理理想想想想单单单单色色色色波波波波,所所所所有有有有频频频频率率率率分分分分量量量量不不不不可可可可能能能能在在在在同同同同一一一一个个个个匹匹匹匹配配配配角角角角下下下下达达达达到到到到相相相相位位位位匹匹匹匹配配配配。同同同同样样样样,可可可可以以以以定定定定义义义义一一一一个个个个二二二二次次次次谐谐谐谐波波波波接接接

20、接受受受受线宽线宽线宽线宽,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 在在实实际际的的非非线线性性光光学学过过程程中中,有有时时采采用用碱碱金金属属蒸蒸气气作作为为非非线线性性介介质质。这这是是因因为为碱碱金金属属蒸蒸气气能能提提供供合合适适的的能能级级,使使所所用用激激光光频频率率满满足足三三阶阶非非线线性性极极化化率率共共振振增增强强的的要要求求,从从而而可可大大大大提提高高非非线线性性过过程程的的效效率率。在在这这种种情情况况下下,可可以以利利用附加缓冲气体来达到相位匹配的目的。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