第7章激光频率变换技术.ppt
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1、第7章 激光频率变换技术,7.1 介质的非线性极化 7.2 非线性耦合波方程 7.3 光学倍频 7.4 光学和频与差频效应 7.5 光学参量振荡与放大,7.1 介质的非线性极化,7.1.1 非线性极化概述,8.854210-12,物质方程,非线性极化强度包括的频率成分有,和频过程表示为,7.2 非线性耦合波方程,7.2.1 非线性波动方程 假定介质为磁各向同性介质, 考虑二阶非线性电极化则,物质方程,Maxwell 方程,由于 整理上式得非线性介质中的波动方程,7.2.2 耦合波振幅方程 三个光波均为单色平面波,且沿Z轴方向传播 假定参与非线性作用的三束光波的方程分别为,即 同理得,三波相互作
2、用的耦合波方程,在相位匹配下,根据光强定义: 每束光波的光强相对于的变化,7.3 光学倍频,7.3.1 光学倍频的基本描述 二次谐波产生 1961年Franken,7.3.2 光学倍频的理论分析 倍频的耦合波方程及其解,相位匹配因子,在小信号近似下,基频光和倍频光的初始条件为 将初始条件代入倍频过程的非线性耦合方程可得 用有效倍频极化率替代求和运算 求解上式可得,有效倍频极化率,积分后的倍频光的振幅 倍频光波的光强和振幅满足 从而得倍频光波的强度为,基频光波的光强 得 基频光波到倍频光波的转换效率为,结论 倍频转换效率正比于入射的基频光波的光强,输出的倍频光波的光强正比于基频光波的光强的平方。
3、 倍频转换效率正比于有效倍频极化系数的平方,为了提高倍频转换效率,需选用非线性极化系数大的非线性介质。 实现相位匹配的条件下倍频转换效率最高 倍频转换效率正比于包含L的sinc函数的平方,倍频效率与非线性晶体的长度有关,相干长度 相位匹配: 相位失配程度:相干长度 倍频转换效率随L呈周期性变化,当 倍频效率达到第一个极大值 相干长度:倍频效率达到第一个极大值所对应的长度,3. 倍频过程中的相位匹配 相位匹配 各向同性介质无法实现 各向异性介质 实现相位匹配的方法 (1)角度相位匹配 使参与非线性相互作用的光波在非线性介质的某个特定方向上传播,该方向上基频光波和倍频光波的折射率相同,(2)倍频离
4、散效应及温度相位匹配 倍频离散效应:基频光和倍频光所对应的光线方向不一致的现象,7.3.4 倍频过程中的能量守恒和动量守恒,量子力学观点,7.3.5 光学倍频的实验系统,1.倍频工作物质的选择 不具有对称性 具有较大的非线性极化系数 能以一定的方式实现相位匹配 所选用的非线性晶体应对基频光和倍频透明 为了使倍频晶体能够承受足够的基频入射功率,要求晶体的抗破坏阈值要尽可能高,2.光学倍频的实验系统 三部分组成: 产生基频光波的激光器 倍频晶体 相位匹配系统,7.4 光学和频与差频效应,和频(频率上转换) 差频(频率下转换) 扩大激光器的频谱范围 例:可见光或近红外激光 紫外波段的激光 利用近红外
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