激光倍頻與參量放大

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1、第二章激光諧波技術(shù)2.1非線性光學(xué)效應(yīng)2.2激光倍頻與相位匹配技術(shù)2.3激光參量放大與振蕩討論：△k=0倍頻信號(hào)最強(qiáng)Dk=k2-(k1+k1)=0（相位匹配條件）π-π2π-2π-3π3π△k≠0，若△kd/2=π時(shí)下降到零。定義：dc=π/△k為相干長(zhǎng)度。如何實(shí)現(xiàn)相位匹配？ωω2ωω2ω2ωdxLXX3、相位匹配技術(shù)即：將基頻光以特定的角度θ和偏振態(tài)入射到倍頻晶體，利用倍頻晶體本身的雙折射效應(yīng)抵消色散效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)相位匹配的要求。為此要補(bǔ)償介質(zhì)中必然存在的色散效應(yīng)，發(fā)明了角度相位匹配方法。能量守恒：動(dòng)量守恒：2www由波矢與相速度關(guān)系k=ω/V，

2、得：在2kω=k2ω時(shí)，有Vω=V2ω而Vω=c/nω,V2ω=c/n2ω，則必須滿足：nω=n2ω（無(wú)色散）表明在倍頻晶體中，1）基頻光波和倍頻光波的等相位面具有相同的速度，保證了相位關(guān)系在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終不變。2）是一種與空間坐標(biāo)無(wú)關(guān)，并且相位差恒定的相干過(guò)程，倍頻光波將得到同步疊加、干涉增強(qiáng)。I型匹配：正單軸晶體負(fù)單軸晶體eeeoooee-oθoo-eθw2w按基頻光電場(chǎng)偏振態(tài)的配置方式分：平行式（I型）和正交式（II型）。II型匹配：eo-ooe-e正單軸晶體負(fù)單軸晶體oeeeooθθ2ww上述匹配由于其匹配方向?qū)嵌群苊舾?，故稱為角度

3、匹配。其實(shí)現(xiàn)方式有以下兩種：1)腔外倍頻：2)腔內(nèi)倍頻：結(jié)論：正常色散造成的失配在以上方式所引入的雙折射效應(yīng)中得到補(bǔ)償，從而達(dá)到相位匹配的目的。相位匹配的方法：1)角度匹配：I型、II型2)溫度匹配1）角度相位匹配角度相位匹配就是使參與非線性相互作用的光波，在非線性介質(zhì)的某個(gè)特定方向上傳播，該方向上基頻光和倍頻光波的折射率相同。引入倍頻離散效應(yīng)（光孔效應(yīng)）由于雙折射效應(yīng)，o光和e光的光線在傳播方向上不可避免地要產(chǎn)生分離。倍頻離散效應(yīng)將給倍頻效應(yīng)帶來(lái)負(fù)面影響：1）光斑拉長(zhǎng)后造成功率密度降低，而導(dǎo)致倍頻光的輸出特性變差；2）導(dǎo)致倍頻轉(zhuǎn)換效率降低。即:

4、在θ=90°時(shí)，匹配對(duì)角度不敏感，且無(wú)雙折射，不產(chǎn)生離散。通過(guò)溫度調(diào)節(jié)晶體折射率可得：n2e(90°)=n1oθn2en1o2ww2）溫度匹配為了克服倍頻離散效應(yīng)，可采取另一種相位匹配的方法—溫度相位匹配。這種實(shí)現(xiàn)方向上的相位匹配方法，稱之為溫度匹配，也稱為非臨界相位匹配，實(shí)現(xiàn)90°相位匹配所需的溫度，稱為相位匹配溫度。在非臨界相位匹配條件下，倍頻離散效應(yīng)不再存在。入射激光和非線性晶體光軸之間的夾角當(dāng)夾角滿足相位匹配時(shí)，輸出倍頻光入射激光基頻倍頻主要由以下三部分組成:1）產(chǎn)生基頻光的激光器；2）倍頻晶體；3)相位匹配系統(tǒng)。光學(xué)倍頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)倍頻工作

5、物質(zhì)的選擇：必須滿足以下條件:1）寬的透明波段（應(yīng)對(duì)基頻光和倍頻光透明）;2）具有較大的非線性極化系數(shù)；3）適當(dāng)?shù)碾p折射（能以一定的方式實(shí)現(xiàn)相位匹配）;4）較高的抗光強(qiáng)損傷的能力（一般>1MW/cm2）;5）穩(wěn)定的物理化學(xué)性能。光學(xué)倍頻系統(tǒng)原理光路：2.3激光參量放大與振蕩1、基本概念兩束不同頻率的光（ωp、ωs）入射到非線性晶體上，將產(chǎn)生頻率不同的極化行波（ωi）。如果極化行波在晶體中傳播的速度與電磁波自由傳播的速度相同，將引起累計(jì)增長(zhǎng)。將這兩束入射光稱為“泵浦光ωp”和“信號(hào)光ωs”，所產(chǎn)生的光定名為“伴生光ωi”。在適當(dāng)條件下，伴生光（ω

6、i）與泵浦光（ωp）混合在一起，產(chǎn)生具有信號(hào)頻率的極化行波（ωs），其相位加強(qiáng)了信號(hào)光。當(dāng)信號(hào)光和伴生光都得到加強(qiáng)、泵浦光則隨著在晶體中傳播距離的延長(zhǎng)而衰減時(shí)，上述過(guò)程將持續(xù)下去,此過(guò)程即為參量放大,當(dāng)該過(guò)程在諧振腔中進(jìn)行時(shí),即為參量振蕩。發(fā)展應(yīng)用狀況：1）基于光參量放大與振蕩的光參量激光器的調(diào)諧范圍，已從0.31μm=>16μm（如：用AgGaSe2晶體，可在8-13μm內(nèi)調(diào)諧，用GaSe可實(shí)現(xiàn)3.5-14μm調(diào)諧）。2）通過(guò)脈寬壓窄技術(shù)，在740-930nm、1220-1830nm范圍內(nèi)調(diào)諧，參量激光器的脈寬可達(dá)fs量級(jí)。若用調(diào)Q激光泵浦,輸

7、出功率則可達(dá)109W。用單模、窄線寬、窄脈沖高峰值功率激光泵浦，可獲得60%以上的轉(zhuǎn)換效率。2、光學(xué)參量振蕩效應(yīng)光學(xué)參量振蕩效應(yīng)是以泵浦光波Ep提供增益，非線性晶體作為能量轉(zhuǎn)移的中介，把能量耦合給信號(hào)光波Es使之得到放大，并同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)新的伴生光Ei。這個(gè)過(guò)程完全是參量互作用的過(guò)程，其調(diào)諧方式受相位匹配條件的制約。如果把非線性介質(zhì)放在光學(xué)共振腔內(nèi)，讓泵浦光、信號(hào)光及伴生光多次往返通過(guò)非線性介質(zhì)，當(dāng)信號(hào)光波和伴生光波由于參量放大得到的增益大于它們?cè)诠舱袂粌?nèi)的損耗時(shí)，便在共振腔內(nèi)形成激光振蕩。這就是光學(xué)參量振蕩器。麥克斯韋方程非線性波動(dòng)方程：得：根據(jù)

8、電磁波在非線性介質(zhì)內(nèi)的傳播特性分析若有則：(1)分析三波互作用的穩(wěn)態(tài)耦合波方程從光波與非線性介質(zhì)相互作用的經(jīng)典電磁場(chǎng)理論出發(fā)，由麥克斯韋