相位匹配理論

相位匹配理論一、傳統(tǒng)激光器件的優(yōu)勢及不足之處二、非線性光學相位匹配理論三、非線性光頻轉(zhuǎn)換應用列舉四、非線性光頻轉(zhuǎn)換實驗錄像演示五、思考問題一、傳統(tǒng)激光器件的優(yōu)勢及不足之處

優(yōu)勢1、相干性極好（時間相干性好（

～10-8埃），相干長度可達幾十公里。）2、空間相干性好（有的激光波面上各個點都是相干光源。）3、方向性極好（發(fā)散角～10-4弧度）4、脈沖瞬時功率大（可達～1014瓦）5、亮度極高不足：波長無法進行連續(xù)調(diào)諧類型名稱工作物質(zhì)波長(μm)激勵方式特征氣體激光器原子He-NeHe-Ne0.6328氣體放電廣泛分子CO2CO210.6氣體放電高功率輸出N2N20.3371氣體放電無諧振腔離子Ar+Ar+0.4880氣體放電常用作泵浦源He-CdHe-Cd0.4416氣體放電固體激光器紅寶石Cr3+－Al2O30.6943光泵浦應用廣泛，可得到高功率輸出Nd3+－YAGNd3+－YAG1.06光泵浦釹玻璃Nd3+1.06光泵浦液體激光器染料染料0.32激光泵浦波長可調(diào)半導體激光器GaAs/GaAlAsGaAs0.85電流注入短波長通信InP/InGaAsPInP1.30電流注入長波長通信二、非線性光學相位匹配理論1、非線性倍頻轉(zhuǎn)換效率表達式：其中：ΔK為波矢失配相位失配：由于，通常，利用雙折射，選擇

與基波及倍頻波的偏振方向有關，選擇2、相位匹配原理兩類匹配方式I類匹配，兩個低頻波取同偏振（

o光或

e光）II類匹配，兩個低頻波取正交偏振（一個o光，一個e光）以負單軸晶體為例（

）KDP(KH2PO4)磷酸二氫鉀LN(LiNbO3)鈮酸鋰波矢面的特點：又稱折射率曲面，k方向上k

或n

的大小。

與無關，球面；

與無關，旋轉(zhuǎn)橢球無論或，正常色散

折射率橢球：偏振方向上折射率大小zyI類匹配，基波取同偏振o光k(I)

與的交點決定k(I)和；滿足的所有方向都滿足相位匹配，是一個圓。由解出：zy考慮色散曲線

隨頻率（波長）變化，以曲線A為代表；也隨頻率（波長）變化，同時隨變化；時，與曲線A重合；時，下移到曲線B。對于負單軸晶體I類匹配，要求，從作水平線，找到；曲線A、B之間為匹配區(qū)，只要，總可以找到匹配點。

曲線A:o光折射率

曲線B:e光主折射率II類匹配，基波取正交偏振的兩個波（仍以負晶體為例）相同的

等效于基頻雙折射減少zy

k(II)對于正晶體（）I類：II類：思考：對于負單軸晶體，倍頻光能不能是o光？同樣，對于正晶體，倍頻光能不能是e光？3、相位匹配角寬度以上討論僅限于理想平面波，實際中由于光路調(diào)整偏離；（即使是理想平面波）坡印廷矢量偏離；（和偏離）高斯光束發(fā)散；偏離波矢匹配條件使倍頻效率降低，問題：偏離角允許多大？判據(jù)：求出允許的的范圍將在附近展開：判據(jù)相位匹配理論內(nèi)容小結(jié)

選擇選擇兩類匹配方式I類匹配，兩個低頻波取同偏振（o光或e光）II類匹配，兩個低頻波取正交偏振（一個o光，一個e光）偏離最佳匹配角三、非線性光頻轉(zhuǎn)換應用列舉鑒于全固態(tài)藍色激光光源的廣泛應用領域，使得該波段激光器的研制成為目前國際激光波段擴展的一個重要方向。1、實現(xiàn)全固態(tài)藍色激光光源的途徑：(1)直接發(fā)射藍光的激光二極管；直接發(fā)射藍光的半導體激光器，具有結(jié)構簡單、使用方便、電-光轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點。能夠直接發(fā)射藍色激光的LD一直受到人們的關注。但由于半導體材料本身的缺陷難于克服，使得藍色激光二極管的發(fā)展相對緩慢，與實用化之間還有一段距離。

(2)LD直接倍頻藍光激光器通過二次諧波(SHG)將LD的紅外輸出直接倍頻而得到藍色激光的方案，能夠?qū)崿F(xiàn)高的光-光轉(zhuǎn)換效率。它要求LD不僅能夠輸出較高的激光功率，而且還必須實現(xiàn)單管、單頻運轉(zhuǎn)。因此，采用電學邊帶壓縮或光學反饋壓縮等技術，通過外腔加強的辦法，改善LD光束質(zhì)量、壓縮其發(fā)射線寬，相干公司正利用此項成果開發(fā)用于光存儲的商品。

（3）LD泵浦非線性轉(zhuǎn)換藍光激光器利用了LD發(fā)射譜線能夠很好地與Nd3+、Cr3+等激活離子的吸收帶相匹配，并通過倍頻、和頻等方法來得到高轉(zhuǎn)換效率的藍色激光輸出。

2、藍色激光器的應用簡介(1)彩色激光顯示

高亮度的藍色激光系統(tǒng)完全可以和發(fā)展相對成熟的紅色LD、內(nèi)腔倍頻的全固化綠激光器一起，作為彩色顯示的全固體標準三基色光源。這種新型的低功耗、長壽命、高光束質(zhì)量的激光光源，不僅效率高(與熒光光源相比)，而且更加忠實于自然光，能夠消除白熾光源產(chǎn)生的黃影和熒光光源產(chǎn)生的綠影，實現(xiàn)三基色的平衡。

(2)高密度光存儲

與目前常用作光源的780nmLD相比較，藍色激光的優(yōu)點是波長短，光點面積小，若再利用存儲介質(zhì)對短波長激光更加敏感的特點，采用新的編碼技術，則可以提高存儲密度近1個量級。按目前的藍光光盤計劃，可以在一張12cm的光盤上實現(xiàn)27GB的存儲量，它是現(xiàn)有技術的六倍，可以實現(xiàn)所有數(shù)字信息的存儲（包括音頻、視頻、電視、照片等應用）。(3)數(shù)字視頻技術

全固體藍激光器最令人鼓舞的應用是用作數(shù)字視頻領域中CD－ROM、CD及DVD等的光源。據(jù)東芝公司多媒體實驗室的Akito

Iwamoto宣稱，預計于2005年推出以藍激光為光源的只讀數(shù)字視盤(DVD－ROM)，在適當改善光學系統(tǒng)數(shù)值孔徑和數(shù)字處理電路的性能后，其容量能夠達到目前以635nm紅光LD為光源的CD－ROM的7倍以上。(4)海洋水色和海洋資源探測

400～450nm之間的藍色激光光源是感知系海洋水色的有力武器，可用于探測海洋漁業(yè)資源。

5)激光制冷

藍色激光可用于捕獲和阻尼銫原子的熱振動，消除因熱振動而引起的多普勒加寬，為光譜線的精確計量提供保證。

此外，全固態(tài)藍色激光光源還有望在數(shù)－模轉(zhuǎn)換器件、激光和刷術、激光醫(yī)學、生化技術、材料科學和光通信等許多領域得到廣泛的應用。

四、非線性實驗