固体光学-晶体光学(I)

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1、晶体光学（四）第一部分：单轴晶体的相位匹配1、单轴晶体角度相位匹配的方式2、有效倍频系数；3、影响相位匹配的因素和最优匹配；晶体光学第八讲：光学混频和参量振荡1、复习：相位匹配；2、三波混频效应；3、光学参量放大和振荡；4、光学参量振荡器实验系统；5、非线性光学材料简介角度位相匹配角度位相匹配就是控制光波在晶体中其一特定方向(，)上传播，该方向应满足相位匹配条件。利用折射率面的色散可以很方便的找到这个特定方向。画出了负单轴晶体的基频光折射率面(实线)和相倍频光折射率面(虚线)。其中倍频的e光面与基频的o光面相交于M点。显然OM方向就是满

2、足位相匹配方向.一、单轴晶体相位匹配方式PM方向与光轴夹角m称为位相匹配角。对于单轴晶体以PM为母线绕z轴转360o可构成圆锥面，该圆锥面上任一条母线方向都满足位相匹配条件(如图所示)。1、第I类平行式：指相互作用的两个基频光都是e光或都是o光，耦合成倍频O光或e光。根据单轴晶的正、负光性具体耦合情况有：(1)负单轴晶第I类位相匹配oo-e方式。倍频极化场为负单轴晶体折射率表面相位匹配oo-eno()ne(2)可解得位相匹配角m为(2)正单轴晶第I类位相匹配ee-o方式。其匹配条件倍频极化场为正单轴晶体折射率表面相位匹配ee-one

3、()no(2)可解得位相匹配角m为2、第II类正交式：指相互作用的两个基颁光分别是o光和e光耦合成倍颇o光(或e光)，具体耦合情况有：(1)负单轴晶第II类位相匹配eo-e方式其位相匹配条件no()ne(2)负单轴晶第II类位相匹配eo-e方式倍频极化场为(2)正单轴晶第II类位相匹配oe-o方式其位相匹配条件正单轴晶体折射率表面相位匹配oe-one()no(2)二、三波混频效应两个频率不同的单色光(1和2)同时入射到非线性光学介质中产生和频或差频效应(3=1+2)，统称为三波混频。为了实现混频过程的有效转换，也必须

4、满足光量子系统的能量守恒及动量守恒定律，从而满足如下关系：三波混频的位相匹配条件。它适合于一般的二次非线性过程的位相匹配条件，如果1=2=，就变成倍频过程的位相匹配条件，或变为光整流。单轴晶体的三波混频位相匹配方式和条件与倍频过程大致相同。以和颇为例，假设3=1+2，3＞2＞1，并且1至3的频率范围内折射率具有正常色散、则位相匹配方式和条件如下表：单轴晶混频效应的位相匹配角m可由不同的位相匹配方式及其条件求出。例如，对负单轴晶体的oo-e匹配方式在和频效应的两入射光中至少有一束是强相干光(激光)。若1为一束强激光(

5、称为泵浦光)，2是一个微弱的有待检测的光讯号，1>>2，则将1+2=3过程称为频率上转换。它可将远红外光向上变频至可见光乃至紫外光波段。同样，参与差颇过程的1和2均为激光光束，3为亚毫米波或远红外光时1-2=3的差频过程称为频率下转换。总之，利用这两种效应可以扩展相干辐射的覆盖范围；还可将待测的中远红外传号转换到可见光区域，以便观察与测量。在差频过程中除了产生p-s=i的差频i新光波外，原入射光波中的非泵浦光(即s光远低于泵浦光p的弱信号光)在全部差频过程中其强度不但没减小，反而随着差频i光波—起增大。

6、因此，在讨论s信号光波的变化规律时，可认为差频过程是对非泵浦入射光的光放大过程。习惯上把这种光放大过程称为光参量放大。三、光学参量放大与振荡i称为空载频率.光参量放大过程需要满足如下位相匹配条件在光参量放大过程中，参量转换效率是很低的。为了得到较强的信号光，可把非线性光学介质置于光学谐振腔内，使s光波与i光波不断从泵浦光吸收能量而产生增益。当增益一旦超过腔体损耗(阂值)时便产生了振荡。这就是光学参量振荡。当增益达到振荡阈值或者说当泵浦光强超过一定阈值时，才有可能在谐振腔内形成持续的光参量振荡。光参量放大与振荡示意图(a)参量降频变换

7、,(b)参量振荡器四、光学参量振荡器实验系统实际的光学参量振荡器系统，一般由如下几个部分组成。(1)非线性晶体——要求它们具有良好的光学透过率．较大的二次非线性极化系数，折射率随外界工作条件的变化易于控制，以便实现可调谐高效率的参量振荡。(2)泵浦光源——为产生光学参量振荡，必须有波长短于振荡光而功率较强的激光辐射作泵浦光源。(3)光学谐振腔-----可根据要求和实验条件之不同，而分别采用平行平面腔、平凹、双凹或凹凸稳定腔等形式；组成谐振腔的两个反射镜应该在参量振荡频率内有足够高反射率，而对入射泵浦光则具有适当的透过率。(4)位相配相和调谐

8、装置------当采用诸如LiNbO3这类晶体作工作物质时，为实现位相匹配可使泵浦光取非常光方式入射，而参振光束则为寻常光。光学参量振荡器装置原理图(a)利用激光器输出之二次谐波