周期极化晶体准相位匹配倍频和光学参量转换的研究

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1、摘要准相位匹配(QPM)非线性光学频率变换以其特有的转换效率高的优点，获得了日益广泛的应用。特别是20世纪90年代以来，随着制作周期极化晶体的外加电场极化法的发展与成熟，利用周期极化晶体实现结构紧凑的全固态准相位匹配倍频器(SHG)、准相位匹配光学参量转换器(包括光学参量振荡器OPO和光学参量直接产生器OPG等)以及THz波辐射源等方而的工作，逐渐成为研究的热点。作者在“国家自然科学基金”、“教育部南开大学、天津大学科技合作基金”、“国家教育部博士点基金”、“天津市科技发展计划项日”以及“天津大学优秀博士学位论

2、文基金”等多个项目的资助下，进行了QPM倍频，温度调谐、角度调谐、周期调谐QPM-OPO/OPG，全反射非共线QPM-OPO/OPG，以及宽带输出QPM-OPO/OPG和QPM-OPA等方面的研究工作。本文的主要内容和创新之处有1.倍频方面:(1)对QPM倍频转换效率进行了理论研究，在分析过程中，首次引入“QPM结构参量”(m护的概念，获得了计算QPM倍频转换效率的精确公式，在此基础上。对QPM阶数的物理意义进行了探讨，并首次提出非整数阶QPM的概念。(主要相关章节为第三章第二节，简写为3-2)回(2)对利用单

3、周期极化晶体直接实现多波长倍频进行了理论研究，指出通过恰当地设计准相位匹配介质的周期和占空比，可以实现转换效率相等(或任意转换效率比)的双波长倍频。文中以PPLT晶体为例，给出了对946nm和1319nm基频光产生相等倍频转换效率的周期极化晶体的设计过程和结果。(3-1)国(3)对利用单周期极化晶体直接实现四倍频进行了理论研究，首次得出QPM四倍频转换效率的计算公式。文中以PPLT晶体为例，给出了对1319nm基频光产生四倍频输出的周期极化晶体的设计过程和结果。(3-4)匹cj(4)给出了一个简单而有效的定性分

4、析，来说明利用“多重周期调制周期极化晶体”(PRPPC)实现QPM的基本原理，在此基础上，首次引入“双重周期调制准相位失配量”的概念。利用作者提出的QPM结构参量"IQ，推导出了PRPPC倍频转换效率的计算公式，给出了双重周期调制准相位匹配条件，并对PRPPC灵活、丰富的多波长倍频特性进行了理论分析和计算，发现PRPPC可以在多个中心波长附近实现多个紧波长间隔的多波长倍频。(3-5)匡习(5)首次提出“等比惆啾准相位匹配结构”(GCQS)的概念，以水热法生长的等比惆啾PPKTP晶体为例，通过数值计算说明此类结构

5、的宽带倍频特性，并分析了GCQS各个参数对允许波长和转换效率的影响，总结了宽带倍频GCQS的设计方法。(3-Z)r二q(6)通过理论分析指出，当基频光斜入射“扇形周期极化晶体”时，该晶体可近似等效为一个等比惆啾准相位匹配介质，也可以实现宽带倍频。参照宽带倍频GCQS的设计方法，作者给出了宽带倍频扇形周期极化晶体的设计方法。此外，还给出了基频光斜入射扇形周期极化晶体时，单个畴宽度的精确计算公式，并以扇形PPKTP晶体为例，进行了数值计算。(3-$)匡互(7)报道了“周期极化化学计量比掺氧化镁钮酸铿”(PP-MgO

6、:SLT)晶体单程外腔连续倍频的研究工作，在7.69W1064mn基频光入射时，获得了905mW的532mn绿光输出，倍频转换效率为11.8%，就我们所知，这是目前基于担酸铿晶体的单程外腔连续倍频最高转换效率的报道。(3-2)FE-}(8)报道了基于PPLN晶体的三阶QPM单程外腔准连续倍频的研究工作，倍频转换效率可达26.0%，超过了已经报道的三阶QPM倍频的最高转换效率。(3_14)P二互(9)首次给出“近理想温度准相位匹配”(NIT-QPM)的概念，提出了利用NIT-QPM来增大QPMSHG允许角的方法，

7、进行了标量分析和严格的矢量分析，并通过PP-MgO:SLT倍频进行了实验验证，实验结果符合理论分析的结论。(二二且)匡工二2光学参量方面:(1)将角度调谐OPO细分为三种形式:“泵浦光角度调谐”、"0P0腔轴角度调谐”和“垂直腔镜泵浦的晶体角度调谐”。分别得到了三种角度调谐方式下，计算输出波长的角度调谐特性的精确公式和近轴条件下的近似公式，数值计算结果与己经报道的实验结果符合得很好。(4}}})巨二】(2)首次报道了直接旋转规则形状的PPLN晶体，实现垂直腔镜泵浦的角度调谐OPO的实验工作。当晶体转角在00--

8、10.220间调谐时，获得了1499.8--1506.6nm的信号光单谐振输出·(4-4)F---}(3)首次提出了“全反射非共线准相位匹配”(TIR-QPM)的概念，并在实验上实现了基于PPLN晶体的TIR-QPMOPOa(4})(4)报道了温度调谐外腔单谐振PPLNOPO的研究工作。泵浦源为1064nm准连续Nd:YV04全固态激光器，PPLN晶体的极化周期2助m，在60-2500