第三章 光波在非线性介质中传播的基本方程2.pptVIP

非线性光学 第三章光波在非线性介质中传播的基本方程（下） 二次谐波 耦合波方程 小信号近似 大信号理论 前提： 变量代换： §3.5非线性光学位相匹配 二次谐波中的相位匹配 小信号近似下的转换效率 转化效率最大 转化效率振荡 一定，当 时 定义相干长度 相互作用的长度必须小于相干长度 定义相干长度 相互作用的长度必须小于相干长度 位相匹配条件： 其中： 为基频光在介质中产生的倍频极化波 的波矢 为倍频极化波产生的倍频（辐射）光波 的波矢 前者与基频光波的色散有关，后者与倍频光波的色散有关 相位匹配的含义 倍频极化波的传播速度 等于其产生的倍频光波的传播速度 传播中的倍频光波和不断产生的倍频极化波之间保持相位的一致性，相互干涉，使得最终输出最大 一般情况下的相位匹配条件 和频： 差频： 三次谐波： 倍频： 介质的色散性质 正常色散 反常色散 例：负单轴晶体中的I型相位匹配 临界/非临界相位匹配 当入射光和晶轴的夹角 偏离匹配角 时，一般会出现失配。 若偏离很小时也会产生很大的失配，则称为临界相位匹配； 若偏离很小时失配不明显，则称为非临界相位匹配。 临界相位匹配： 非临界相位匹配： 例：负单轴晶体的I型临界/非临界相位匹配 非临界匹配角： 基频光波的o光折射率曲面和倍频光波的e光折射率曲面相切。 利用不同频率、不同偏振的光波的折射率随温度变化的不同，可以通过改变温度变化而实现非临界相位匹配。 走离效应（walk-off） 在晶体的临界相位匹配过程中，基频光波和倍频光波的波矢方向是一致的。但是，由于e光的光线方向（能量传播的方向）和波矢方向（波前传播的方向）不一致，光波的光线存在走离角 若光束直径为d，则当倍频光波走了 距离后， 与基频光波空间分离，无法继续相互作用。 有效临界长度 相位匹配在非线性光学中具有普遍性 能量守恒与动量守恒 对于非共线的情形，应用矢量形式的位相匹配条件 §3.5.3腔内倍频与腔外倍频 小信号近似下，倍频转换效率 提高效率：提高基频光波功率密度 1、压缩光斑尺寸 2、提高光波功率 腔内与腔外的功率密度比例 影响相位匹配的几个因素 （1）离散效应（WALK OFF） （2）光的发散角 （3）入射光的谱线宽度 （4）输入光束的偏振 （5）晶体的温度及热效应 * * 任课老师：苏 红 办 公 室： 科技楼516-2 电 话: 615090 电子邮箱: hsu@szu.edu.cn 3.5.1 相位匹配的概念 能量不断地从基频光波转移到倍频光波。 ，相位匹配条件； 相位失配。 从能量转化的角度来理解 从辐射的量子观点来考虑，满足能量和动量守恒条件： 相位匹配问题来源于材料的色散 真空中不存在色散，因而不存在相位匹配； 介质： 各向同性介质，dn/dw0,n2wnw; 各向异性介质，存在双折射，存在色散效应。 3.5.2 相位匹配的方法 1）利用晶体的双折射特性来补偿晶体的色散效应； 2) 利用缓冲气体提供必要地色散来实现相位匹配； 3）可以利用铁电材料中自发极化强度方向的周期变化，来实现准相位匹配。 1）角度相位匹配－临界相位匹配： 利用两折射率面相交的相位匹配 负单轴晶体KDP 正单轴晶体石英 晶体中的双折射现象 晶体中相同频率、不同偏振的光波，其折射率可以不同 单轴晶体： 单轴晶体的相位匹配条件 相位匹配条件 相位匹配条件 第Ⅱ类相位匹配 第Ⅰ类相位匹配 eo e oo e 负单轴晶体 oe o ee o 正单轴晶体 偏振性质 偏振性质 晶体种类 第Ⅰ类相位匹配: 负单轴晶体 相位匹配角的计算 正单轴晶体 第Ⅱ类相位匹配: 负单轴晶体 正单轴晶体 非共线情况 2） 温度相位匹配——非临界相位匹配 非临界相位匹配：利用两折射率面