激光频率变换技术

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1、期末考试安排时间：12月4日14：00——16：00地点：4-303（周四）激光频率变换技术许多实际应用中需要的激光波长并不能由受激辐射的激光介质直接产生，必须通过激光频率变换技术来获得。本章将讨论利用非线性光学方法实现激光频率变换的技术，其物理基础是使具有很高功率密度的激光通过某些介质，引起这些介质产生非线性极化，从而产生新波长的激光。在非线性晶体中，如果注入的泵浦光足够强，就会发生一系列的非线性效应。第七章激光频率变换技术7.1介质的非线性极化7.1.1非线性极化概述一、光与物质相互作用的机理当光照射物质时，光

2、波电磁场将对物质中的电子产生作用，在外电场的作用下，介质原子成为电偶极子。电偶极子将随光波的电磁场的变化产生振荡。++－原子的电极化：负电荷中心与正电荷中心产生偏离的状态。若光波随时间作正弦变化，即它的电场强度沿两个相反方向交替变化，电偶极子的负电荷中心将绕正电荷中心作周期性振荡。表征电偶极子的物理量是电偶极矩。若单位体积中有N个电偶极子，N个偶极矩的矢量和为极化强度P。当光与物质相互作用时，光场中的电场强度使介质原子因感应而产生电偶极矩，电偶极矩叠加起来形成电极化强度。电极化强度产生极化场，极化场发出次级辐射。在

3、入射光强较弱的情况下（线性光学），有此时，介质中的物质方程为若E以ω作简谐变化，P及其产生的次级电磁辐射也以同样的ω作简谐变化，因两频率相同，次级辐射与入射光波叠加的结果使光波的单色性不变。可解释光的反射、折射、双折射等现象。当入射光波强度很大时（非线性光学），有非线性极化项的引入将导致入射光波频率的改变，例如，有两束平面光波入射到介质上所产生的电极化强度（忽略二阶以上的非线性效应）：将上式展开，将出现许多新的频率成分：由此可见，非线性极化波中包含了倍频、和频、差频、直流成分。但实际上出现的频率要受能量守恒和动量守

4、恒制约。为区别起见，不同效应下的非线性极化率用不同符号表示：差频的二阶非线性极化率倍频的二阶非线性极化率7.1.2非线性极化率张量的性质1.非线性极化率张量的运算规则在线性极化的情况下，有实际应用中常采用上式的分量形式当入射光较强时，还要考虑非线性极化强度，仅考虑二阶非线性极化的情况下：由此可见，二阶非线性极化强度与入射的光场之间由三阶张量联系，三阶张量有27个张量元。分量形式为：引入求和惯例，有2.二阶非线性极化率张量的约化根据热力学性质和空间结构的对称性可以减少张量元的个数（1）固有对称性固有对称性是指二阶非线

5、性极化率张量同时成对交换，其值不变，即：（2）全交换对称性当参与相互作用的所有光波的频率均远离介质的固有频率时，二阶非线性极化率中的三个频率和它们的下标均可成对交换，其值不变，即（3）Kleinmn对称性可以证明，当参与非线性相互作用的各光波的频率均位于晶体的同一透明区域内，且忽略色散影响时，介质的二阶非线性极化率的下标可以任意交换（不需要相应的频率一同成对交换），而其值不变，这样27个分量只有10个是独立的。（4）空间结构对称性的影响7.1.3倍频极化率张量则倍频极化强度可写为（仅考虑x分量根据二阶极化率张量的固

6、有对称性，的后两个下标是可以互相交换的，则上式可写为上式可以写成矩阵形式若进一步采用如下约定：则倍频极化率张量可表示为：假定入射基频光的光波形式为当P和E均用实振幅表示，且基频光偏振方向正交时，有当基频光偏振方向相同时，上式可写成一般的引入称为介质的实用倍频极化率，从而有7.1.4有效倍频极化率7.2激光倍频效应1.倍频光仅考虑二次非线性项，有若入射光电场强度为：代入上式整理得第一项是不算时间变化的强度。第二项代表频率为基频两倍的电偶极矩，它将辐射二次谐波（倍频光），这个效应称为光学倍频。对非线性介质，上式中的不仅

7、随晶体而异，也随光在晶体中传播的方向而异。倍频技术是一种频率转换技术，在1961年被发现，但转换效率较低，仅有10-3，原因在于没有实现相位匹配。2.相位匹配及倍频转换效率考虑一片厚度为d的非线性晶体，正入射的基频光波在晶体内的电场强度为基频光在晶体中感应产生倍频的电偶极矩振荡，辐射出倍频光波，其相位应是相同位置的基频光波的两倍。在x到x+dx处厚度为dx的一小段晶体内感应的二次偶极矩为晶体的非线性效应倍频光的初相位跟相同，到达出射面时产生的电场为也就是说，当这部分倍频光传播到出射面时，相位就变成令在出射是倍频光的

8、电矢量为晶体内各点产生倍频光的叠加，即在折射率为的晶体介质中，由于光强与电矢量的振幅的平方成正比，所以倍频光的强度为或则倍频效率为由此可见，倍频光功率与非线性介质的长度平方成正比，当时，相位因子等于1，称为相位匹配。3.倍频激光器的结构7.3光参量放大和光参量振荡1.光学混频效应和频、差频2.光学参量放大及振荡原理光参量放大和光参量振荡技术统称为参量技术。光