固體光學(xué)-晶體光學(xué)(2).ppt

晶體光學(xué)（四）,第一部分：?jiǎn)屋S晶體的相位匹配 1、單軸晶體角度相位匹配的方式 2、有效倍頻系數(shù)； 3、影響相位匹配的因素和最優(yōu)匹配；,晶體光學(xué),第八講：光學(xué)混頻和參量振蕩 1、復(fù)習(xí)：相位匹配； 2、三波混頻效應(yīng)； 3、光學(xué)參量放大和振蕩； 4、光學(xué)參量振蕩器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)； 5、非線性光學(xué)材料簡(jiǎn)介,角度位相匹配 角度位相匹配就是控制光波在晶體中其一特定方向(，)上傳播，該方向應(yīng)滿足相位匹配條件。利用折射率面的色散可以很方便的找到這個(gè)特定方向。畫出了負(fù)單軸晶體的基頻光折射率面(實(shí)線)和相倍頻光折射率面(虛線)。其中倍頻的e光面與基頻的o光面相交于M點(diǎn)。顯然OM方向就是滿足位相匹配方向.,一、單軸晶體相位匹配方式,PM方向與光軸夾角m稱為位相匹配角。對(duì)于單軸晶體以PM為母線繞z軸轉(zhuǎn)360o可構(gòu)成圓錐面，該圓錐面上任一條母線方向都滿足位相匹配條件(如圖所示)。,1、第I 類平行式： 指相互作用的兩個(gè)基頻光都是e光或都是o光，耦合成倍頻O光或e光。根據(jù)單軸晶的正、負(fù)光性具體耦合情況有：,(1)負(fù)單軸晶第I類位相匹配oo-e方式。,倍頻極化場(chǎng)為,負(fù)單軸晶體折射率表面相位匹配oo-e,可解得位相匹配角m為,(2) 正單軸晶第I類位相匹配ee-o方式。,其匹配條件,倍頻極化場(chǎng)為,可解得位相匹配角m為,2、第II類正交式： 指相互作用的兩個(gè)基頒光分別是o光和e光耦合成倍頗o光(或e光)，具體耦合情況有：,(1)負(fù)單軸晶第II類位相匹配eo-e方式,其位相匹配條件,no(),ne(2),負(fù)單軸晶第II類位相匹配eo-e方式,倍頻極化場(chǎng)為,(2)正單軸晶第II類位相匹配oe-o方式,其位相匹配條件,正單軸晶體折射率表面相位匹配oe-o,ne(),no(2),二、三波混頻效應(yīng),兩個(gè)頻率不同的單色光(1和2)同時(shí)入射到非線性光學(xué)介質(zhì)中產(chǎn)生和頻或差頻效應(yīng)(3=1+2)，統(tǒng)稱為三波混頻。,為了實(shí)現(xiàn)混頻過(guò)程的有效轉(zhuǎn)換，也必須滿足光量子系統(tǒng)的能量守恒及動(dòng)量守恒定律，從而滿足如下關(guān)系：,三波混頻的位相匹配條件。它適合于一般的二次非線性過(guò)程的位相匹配條件，如果1=2=，就變成倍頻過(guò)程的位相匹配條件，或變?yōu)楣庹鳌?單軸晶體的三波混頻位相匹配方式和條件與倍頻過(guò)程大致相同。以和頗為例，假設(shè)3=1+2， 3 2 1，并且1至3的頻率范圍內(nèi)折射率具有正常色散、則位相匹配方式和條件如下表：,單軸晶混頻效應(yīng)的位相匹配角m可由不同的位相匹配方式及其條件求出。例如，對(duì)負(fù)單軸晶體的oo-e匹配方式,在和頻效應(yīng)的兩入射光中至少有一束是強(qiáng)相干光(激光)。若1為一束強(qiáng)激光(稱為泵浦光)，2是一個(gè)微弱的有待檢測(cè)的光訊號(hào)，12，則將1+2=3過(guò)程稱為頻率上轉(zhuǎn)換。它可將遠(yuǎn)紅外光向上變頻至可見光乃至紫外光波段。同樣，參與差頗過(guò)程的1和2均為激光光束， 3為亞毫米波或遠(yuǎn)紅外光時(shí)1-2=3的差頻過(guò)程稱為頻率下轉(zhuǎn)換。 總之，利用這兩種效應(yīng)可以擴(kuò)展相干輻射的覆蓋范圍；還可將待測(cè)的中遠(yuǎn)紅外傳號(hào)轉(zhuǎn)換到可見光區(qū)域，以便觀察與測(cè)量。,在差頻過(guò)程中除了產(chǎn)生p-s=i的差頻i新光波外，原入射光波中的非泵浦光(即s光遠(yuǎn)低于泵浦光p的弱信號(hào)光)在全部差頻過(guò)程中其強(qiáng)度不但沒減小，反而隨著差頻i光波起增大。 因此，在討論s信號(hào)光波的變化規(guī)律時(shí)，可認(rèn)為差頻過(guò)程是對(duì)非泵浦入射光的光放大過(guò)程。習(xí)慣上把這種光放大過(guò)程稱為光參量放大。,三、光學(xué)參量放大與振蕩,i 稱為空載頻率.,光參量放大過(guò)程需要滿足如下位相匹配條件,在光參量放大過(guò)程中，參量轉(zhuǎn)換效率是很低的。為了得到較強(qiáng)的信號(hào)光，可把非線性光學(xué)介質(zhì)置于光學(xué)諧振腔內(nèi)，使s光波與i光波不斷從泵浦光吸收能量而產(chǎn)生增益。當(dāng)增益一旦超過(guò)腔體損耗(閡值)時(shí)便產(chǎn)生了振蕩。這就是光學(xué)參量振蕩。當(dāng)增益達(dá)到振蕩閾值或者說(shuō)當(dāng)泵浦光強(qiáng)超過(guò)一定閾值時(shí)，才有可能在諧振腔內(nèi)形成持續(xù)的光參量振蕩。,光參量放大與振蕩示意圖 (a)參量降頻變換,(b)參量振蕩器,四、光學(xué)參量振蕩器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)際的光學(xué)參量振蕩器系統(tǒng)，一般由如下幾個(gè)部分組成。(1)非線性晶體要求它們具有良好的光學(xué)透過(guò)率較大的二次非線性極化系數(shù)，折射率隨外界工作條件的變化易于控制，以便實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧高效率的參量振蕩。 (2)泵浦光源為產(chǎn)生光學(xué)參量振蕩，必須有波長(zhǎng)短于振蕩光而功率較強(qiáng)的激光輻射作泵浦光源。 (3)光學(xué)諧振腔-可根據(jù)要求和實(shí)驗(yàn)條件之不同，而分別采用平行平面腔、平凹、雙凹或凹凸穩(wěn)定腔等形式；組成諧振腔的兩個(gè)反射鏡應(yīng)該在參量振蕩頻率內(nèi)有足夠高反射率，而對(duì)入射泵浦光則具有適當(dāng)?shù)耐高^(guò)率。 (4)位相配相和調(diào)諧裝置-當(dāng)采用諸如LiNbO3這類晶體作工作物質(zhì)時(shí)，為實(shí)現(xiàn)位相匹配可使泵浦光取非常光方式入射，而參振光束則為尋常光。,光學(xué)參量振蕩器裝置原理圖 (a) 利用激光器輸出之二次諧波輻射作泵浦光 而采用溫度調(diào)諧的裝置；圖(b)利用激光器本身的 激光輸出作泵浦光而采用的角度調(diào)諧的裝置。,改變振蕩頻率的調(diào)諧方式有；,溫度調(diào)諧：泵浦光垂直于晶體光軸方向入射，改變晶體溫度，可以相應(yīng)地改變振蕩頗率。此時(shí)s和i兩頻率的振蕩光束在空間不分離。 角度調(diào)諧：當(dāng)晶體溫度保持一定時(shí)，改變晶體光軸相對(duì)于泵浦光的入射角度，同樣可改變振蕩頻率。此時(shí)p、 s和i三種頻率的振蕩光束在空間上可能出現(xiàn)分離。 外場(chǎng)調(diào)諧：對(duì)非線性晶體施加外加直流電場(chǎng)或磁場(chǎng)，利用晶體的電光效應(yīng)或磁光效應(yīng)使其折射率發(fā)生改變，同樣可以達(dá)到可調(diào)諧振蕩的目的。,五、非線性光學(xué)材料簡(jiǎn)介,作為優(yōu)質(zhì)的倍頻、混頻和光參量放大與振蕩的非線性光學(xué)材料應(yīng)滿足如下要求：,(1)有較大的二次非線性光學(xué)系數(shù)； (2)在工作波長(zhǎng)(或波段)有較高的透明度； (3)在工作波長(zhǎng)(或波段)能實(shí)現(xiàn)位相匹配，最好能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)位相匹配； (4)有較高的光損傷閾值； (5)容易獲得大尺寸和光學(xué)均勻性好的晶體； (6)硬度大，物理化學(xué)性能穩(wěn)定不易潮解，便于加工等。,為了獲得較好的倍頻和混頻效果，除了前面介紹的如何實(shí)現(xiàn)最優(yōu)匹配等因素外，非線性學(xué)材料的質(zhì)量是一個(gè)關(guān)鍵因素。人們?yōu)閷で蟾哔|(zhì)量的非線性光學(xué)晶體作了大量的工作，已發(fā)現(xiàn)具有非線性光學(xué)效應(yīng)的晶體有上千種，但是具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的或有一定應(yīng)用前景的僅有三十種。其原因主要是對(duì)非線性光學(xué)晶體的要求相當(dāng)苛刻。,實(shí)際上全面符合上述要求的晶體幾乎沒有，因此在選擇材料時(shí)根據(jù)需要，權(quán)衡利弊。采用適當(dāng)?shù)木w。附表I-l0列出了目前應(yīng)用比較廣泛的一些非線性晶體。,有關(guān)非線性光學(xué)效應(yīng)幾方面比較成熟的應(yīng)用、發(fā)展前景及學(xué)術(shù)意義：,(1)利用倍頻和混頻效應(yīng)、可調(diào)諧光參量振蕩以及受激散射等效應(yīng)可產(chǎn)生強(qiáng)相干光輻射，開創(chuàng)了產(chǎn)生新的激光輻射光源的物理途徑。它在許多實(shí)際工程技術(shù)中得到了較成熟的應(yīng)用，人們正在利用這種途徑來(lái)填補(bǔ)各類激光器件發(fā)射激光波長(zhǎng)的空白光譜區(qū)。例如：, 在光通訊技術(shù)中的應(yīng)用。由于激光技術(shù)的出現(xiàn)，通過(guò)非線性光學(xué)效應(yīng)獲得的相干光的頻帶極其寬廣，使其在通訊技術(shù)中由原來(lái)的微波電纜同時(shí)傳送幾十萬(wàn)路，到現(xiàn)在利用激光通訊的光纜可同時(shí)傳送數(shù)百萬(wàn)路電話或幾千萬(wàn)套電視節(jié)目，解決了無(wú)線電通訊的容量小、頻帶過(guò)分擁擠的難題。,頻率上轉(zhuǎn)換效應(yīng)在紅外外差式探測(cè)器上的應(yīng)用。紅外接收是不可見的低頻信號(hào)(s)和另一束可見的強(qiáng)激光(p)通過(guò)在晶體中混頻，使紅外信號(hào)頻率上轉(zhuǎn)到可見光頻率，再經(jīng)過(guò)光放大等過(guò)程實(shí)現(xiàn)了對(duì)紅外信號(hào)的觀察和探測(cè)。目前用此效應(yīng)的紅外探測(cè)器已得到普遍的應(yīng)用。,(2)非線性光學(xué)的研究成果為光信息處理提供了新的方法和新的技術(shù)。 例如，一些染料在高功率激光束通過(guò)時(shí)發(fā)生自感透明效應(yīng)已被用來(lái)設(shè)計(jì)時(shí)間很短的“光開關(guān)”。使用這種Q開關(guān)的激光器的輸出功率可提高23個(gè)數(shù)量級(jí)。又如，光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)的激光感應(yīng)折射率變化用于信息存貯以及制成雙穩(wěn)態(tài)元件(雙穩(wěn)態(tài)光學(xué)開關(guān)、光學(xué)“三極管”放大元件、光學(xué)記億元件等)；光學(xué)相位共扼效應(yīng)用于波面畸變補(bǔ)償?shù)鹊?。目前有些成果已得到?shí)際應(yīng)用。對(duì)非線性光學(xué)的深入研究，為集成光學(xué)、纖維光學(xué)、光學(xué)邏輯回路與光學(xué)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展提供了有關(guān)光信息處理與控制的新方法和新技術(shù)。,(3)非線性光學(xué)研究的學(xué)術(shù)價(jià)值及其深遠(yuǎn)的理論意義。 通過(guò)強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用的研究，可以獲得有關(guān)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、能量耦合及轉(zhuǎn)移、各種內(nèi)部變化動(dòng)力學(xué)過(guò)程的重要信息。這些信息可在不同程度上分別反映出物質(zhì)的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等方面特性。利用強(qiáng)激光的作用，可以研究相變、超導(dǎo)、元激發(fā)、液晶、表面物理、高溫等離子體等方面的問(wèn)題；還可以使物質(zhì)按人們所希望的方式發(fā)生各種變化，如加熱、致冷、壓縮、沖擊、熔化、汽化、膨脹、同性素分離、光聚合、可控化學(xué)反應(yīng)等。,強(qiáng)光光學(xué)(即非線性光學(xué))本身就是物理學(xué)基礎(chǔ)理論的發(fā)展。到目前為止雖然強(qiáng)光光學(xué)的發(fā)展尚未導(dǎo)致與近代物理學(xué)兩大支柱(相對(duì)論和量子力學(xué))不相符合或抵觸之處，但并不排除這門學(xué)科在今后進(jìn)一步的發(fā)展中會(huì)對(duì)已有的理論基礎(chǔ)產(chǎn)生新的沖擊的可能性。例如，目前在處理光與物質(zhì)作用的量子力學(xué)或量子電動(dòng)力學(xué)理論中，仍然是基于入射光對(duì)原子的作用是弱微擾這樣一種前提，而采用數(shù)學(xué)上的微擾近似加以處理。如果說(shuō)這種近似處理對(duì)弱光作用是基本適合的話，那么它對(duì)強(qiáng)光和超強(qiáng)光作用是否仍然適用?這顯然是一個(gè)問(wèn)題。又例如，在強(qiáng)脈沖激光的自聚焦效應(yīng)和自感透明效應(yīng)中曾發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的焦點(diǎn)的超光速運(yùn)動(dòng)和增益介質(zhì)中自透明脈沖的超光速運(yùn)動(dòng)。對(duì)這些新問(wèn)題進(jìn)行深入研究，有助于加深對(duì)狹義相對(duì)論已有結(jié)論的認(rèn)識(shí)和理解。目前，關(guān)于利用激光檢測(cè)橫向多L勒效應(yīng)，探測(cè)引力波、加速粒子，研究真空中光子散射、天體黑洞，驗(yàn)證廣義相對(duì)論效應(yīng)等可能的討論性和探索性工作正在進(jìn)行之中。,作業(yè)題： 1、說(shuō)明非線性光學(xué)效應(yīng)和傳統(tǒng)光學(xué)效應(yīng)的主要區(qū)別。 2、什么是二次極化波?什么是二次諧波?二次諧波是怎樣產(chǎn) 生的? 3、什么叫位相匹配？從原理出發(fā)說(shuō)明不滿足位相匹配條件、非線性極化的光學(xué)效應(yīng)就不可能在晶體中穩(wěn)定地產(chǎn)生? 4、單軸晶的位相匹配方式有哪幾種? 寫出第1類匹配方式和倍頻極化場(chǎng)的矢量式及匹配條件，并用折射率面畫出第I類匹配正、負(fù)單軸晶的匹配方式。 5、一參量振蕩器11um，21um，3o5Fm。如果其中有兩個(gè)e光和一個(gè)o光，那么在信號(hào)、空閑和泵浦光中你將怎樣選擇? 試分析位相匹配條件。,晶體光學(xué)(四),第二部分：光學(xué)混頻和參量振蕩 1、三波混頻效應(yīng)； 2、光學(xué)參量放大和振蕩； 3、光學(xué)參量振蕩器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)； 4、非線性光學(xué)材料簡(jiǎn)介,一、有效倍頻系數(shù),單軸晶體的位相匹配方向雖然只由m決定，與方位角無(wú)關(guān)，但仍可影響倍頻光的極化強(qiáng)度。,稱為有效倍頻系數(shù),假設(shè)基頻光的波法線方向(k/PM)與光軸x3夾角為，方位角為，則基瀕o光的電矢量Eo()在x1x2平面內(nèi)，且垂直于x3和PM決定的平面方向振動(dòng)；而基頻e光的電矢量Ee()在x3和PM所在的平面內(nèi)垂直于PM方向振動(dòng)。由圖知，基頻光的光波電場(chǎng)分量為:,由于倍頻光的波法線方向仍為PM方向，因此倍頻o光平行基頻o光，倍頻e光平行基頻e光)。各基頻光電場(chǎng)分量將以不同的匹配方式耦合成倍頻極化場(chǎng)。,1、對(duì)于負(fù)單軸晶的第I類位相匹配oo-e方式,2、對(duì)于正單軸晶的第I類位相匹配ee-o方式,3、對(duì)于負(fù)單軸晶的第II類位相匹配eo-e方式,4、對(duì)于正單軸晶的第II類位相匹配oe-o方式,考慮到倍頻極化強(qiáng)度P(2)是其相應(yīng)各分量合成結(jié)果:,因?yàn)閍ibjbk和biajbk矩陣形式相同記為：,因?yàn)閎iajak和aiajbk矩陣形式相同記為,5、負(fù)單軸晶體KDP(42m)晶類oo-e時(shí)F2的計(jì)算：,F2由最大值。,6、負(fù)單軸晶體KDP(42m)晶類第二類相位匹配時(shí)F1的計(jì)算：,根據(jù)表可得出許多有意義的結(jié)果。例如，622晶類和422晶類的F函數(shù)全部為零，說(shuō)明這兩種晶類不會(huì)產(chǎn)生倍頻效應(yīng)；晶類5mm，6，4mm僅有F20，說(shuō)明該晶類的負(fù)光性晶體只能實(shí)現(xiàn)第1類位相匹配，而正光性晶體只能實(shí)現(xiàn)第II類位相匹配。,二、影響相位匹配的因素和最優(yōu)匹配；,1、倍頻作用長(zhǎng)度,在小信號(hào)系統(tǒng)允許忽略基頻光強(qiáng)因SHG(二次諧波)而衰減 的情況下。倍頻光強(qiáng)與k的關(guān)系為:,基頻光在介質(zhì)中不同小區(qū)域內(nèi)誘發(fā)的倍頗極化場(chǎng)而輻射的倍頻光強(qiáng)度I(2)將是沿l方向呈周期性變化。,式中o為真空中的波長(zhǎng)。lc的物理意義為：當(dāng)基頗光射入晶體后，每經(jīng)過(guò)lc的距離時(shí)，倍頻光強(qiáng)就會(huì)出現(xiàn)一次最大值。,即在位相匹配條件滿足時(shí)，如果入射基頻光強(qiáng)度和有效倍頗系數(shù)一定則倍頻光強(qiáng)度與基頻光在晶體中的穿透深度l2成正比。因此lSHG大體上反應(yīng)了倍頻技術(shù)中使用的晶體在位相匹配方向應(yīng)取的長(zhǎng)度，稱為倍頻作用長(zhǎng)度。,2、光孔效應(yīng)限制,圖畫出了負(fù)單軸晶體第I類位相匹配oo-e方式的基頻o光與倍頻e光分離的原理。這種由于基頻光束與倍頻光束分離而限制倍頻光束強(qiáng)度進(jìn)一步增加的現(xiàn)象稱為光孔效應(yīng)。la稱為最大作用長(zhǎng)度(或光孔效應(yīng)長(zhǎng)度)。,當(dāng)基頻光沿晶體主軸(除光軸)方向垂直入射倍頻晶體界面上, 在晶體中傳播的基頻o光和倍頻e光不分離。,3、發(fā)散光束對(duì)相位匹配的影響,實(shí)際光束有一定的發(fā)散度或由于定向不準(zhǔn)等因素使入射的基頻光波矢k偏離PM方向角、產(chǎn)生k0引起位相失配，給倍頻過(guò)