06-第四章-二階非線性光學(xué)效應(yīng)

第四章二階非線性光學(xué)效應(yīng)遠(yuǎn)離共振區(qū)，無吸收，無損耗;

為實(shí)數(shù)，具有完全對(duì)易性和時(shí)間反演對(duì)稱性;介質(zhì)都是沒有反演對(duì)稱性。

線性電光效應(yīng)光整流效應(yīng)參量過程（和頻、差頻）參量放大參量振蕩§4.1線性電光效應(yīng)－普克爾(Pockler)光頻電場(chǎng)低頻或直流電場(chǎng)1.折射率橢球幾何法線性電光張量以KDP晶體縱向運(yùn)用為例沿z軸（光軸）加電壓，-以ZnS橫向運(yùn)用為例§4.2光學(xué)整流效應(yīng)光學(xué)整流效應(yīng)：一個(gè)光波通過非線性介質(zhì)時(shí)，由于二階非線性極化作用產(chǎn)生一個(gè)直流極化強(qiáng)度P0的現(xiàn)象。——反電光效應(yīng)以KDP晶體中傳播為例§4.3三波混頻、和頻及差頻的產(chǎn)生1.三波混頻的耦合方程組→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→2.曼利－羅（M-R）關(guān)系在介質(zhì)中能量處處相等，能量與介質(zhì)無關(guān)，介質(zhì)僅為載體。曼利－羅（M-R）關(guān)系：光子流密度和頻產(chǎn)生：頻率為和的激光束在非線性晶體中相互作用，產(chǎn)生非線性極化強(qiáng)度。該極化強(qiáng)度是振動(dòng)偶極矩的集合，起著頻率為的輻射源的作用。為了使能量有效地從頻率和的泵浦波轉(zhuǎn)移到頻率為的生成波，在和頻產(chǎn)生中必須滿足能量和動(dòng)量守恒，即：后一關(guān)系式指出，和頻輻射在由所確定的所謂相位匹配方向上能夠最有效地產(chǎn)生。

3.和頻的產(chǎn)生對(duì)具有高轉(zhuǎn)換效率的和頻產(chǎn)生來說，一般滿足條件：1）耦合波是共線相位匹配；2)介質(zhì)幾乎無損耗；3)慢變振幅近似成立。光束質(zhì)量和晶體質(zhì)量的好壞也會(huì)影響轉(zhuǎn)換效率。一、小信號(hào)近似理論處理二、大信號(hào)理論處理4.差頻的產(chǎn)生

從理論上來說，差頻產(chǎn)生和和頻產(chǎn)生沒有多大差別，但在技術(shù)上具有很大的重要性，因?yàn)樗峁┝艘粋€(gè)能在紅外波段產(chǎn)生很強(qiáng)的相干可調(diào)諧輻射的方法。只是把介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生的頻率變?yōu)椋?/p>

從解的表達(dá)式中可看出，該紅外產(chǎn)生的效率是很低的，與輸出頻率的平方成正比。當(dāng)泵浦光束的直徑與遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)相近時(shí)，衍射就變得很重要，求解可看出，轉(zhuǎn)化效率與輸出頻率的四次方成正比，差頻產(chǎn)生的效率急劇下降。一、小信號(hào)近似理論處理二、大信號(hào)理論處理諧波產(chǎn)生是光學(xué)混頻的一種特例。二次諧波產(chǎn)生的理論完全遵循和頻產(chǎn)生的理論，條件為：在具有反演對(duì)稱性的晶體中，二次諧波產(chǎn)生在電偶極矩近似下是禁止的，而三次諧波產(chǎn)生總是允許的。在可忽略泵浦場(chǎng)損耗的范圍內(nèi)，三次諧波產(chǎn)生的理論也與和頻理論類似。在實(shí)驗(yàn)上，可用兩塊非線性晶體串連起來構(gòu)成一個(gè)有效的三次諧波發(fā)生器?！?.4二次諧波的產(chǎn)生一、二次諧波的產(chǎn)生聚焦影響：有發(fā)散問題吸收率存在，導(dǎo)致熱色散，dn/dT≠0高斯光束的二次諧波產(chǎn)生

（SHG-SecondHarmonicGeneration）徑二、有效非線性光學(xué)系數(shù)2）有效非線性光學(xué)系數(shù)二次諧波產(chǎn)生為例兩種相位匹配形式、四種作用過程的有效非線性光學(xué)系數(shù)一、e+e→oeo－o二、e+o→ooo－e三、o+o→eoe－e四、o+e→e例：求KDP晶體的I型、II型有效非線性系數(shù)。解：

KDP：負(fù)單軸晶體，對(duì)稱性非零的非線性張量元為了有效產(chǎn)生二次諧波:1）應(yīng)選擇有效非線性系數(shù)大的材料；2）滿足相位匹配的，可通過調(diào)節(jié)光的傳播方向與晶軸之間的夾角來實(shí)現(xiàn)；3）還應(yīng)調(diào)整光在非線性介質(zhì)中傳播的方位角來得到最大的有效非線性光學(xué)系數(shù)。習(xí)題：1）3m對(duì)稱型LiNbO3晶體在oo-e相位匹配下的有效非線性光學(xué)系數(shù)；2）BBO晶體在第Ⅱ相位匹配的有效非線性光學(xué)系數(shù)§4.5參量轉(zhuǎn)換分類：參量上轉(zhuǎn)換：和頻參量下轉(zhuǎn)換：差頻定義：參量轉(zhuǎn)換(Parametricconversion)：在非線性過程中，介質(zhì)本身不參與能量的凈轉(zhuǎn)換，但光波頻率可以發(fā)生轉(zhuǎn)換的過程。條件：相位匹配、（輔助腔）一、參量上轉(zhuǎn)換二、參量下轉(zhuǎn)換相位匹配:§4.6參量放大和振蕩參量放大(OpticalParametricAmplifier，OPA)：是一個(gè)差頻產(chǎn)生的三波混頻過程，對(duì)信號(hào)波和空閑波（閑頻光）同時(shí)放大的過程。特點(diǎn)：沒泵浦閾值。參量振蕩(OpticalParametricOscillation,OPO)：是一個(gè)和頻的逆過程，對(duì)信號(hào)波和閑置波同時(shí)放大的過程。分類:雙共振光學(xué)參量振蕩腔（DRO）和單共振光學(xué)參量振蕩腔（SRO）。特點(diǎn)：有泵浦閾值。一、參量放大(OPA)參量發(fā)生器：是和頻產(chǎn)生的逆過程，在非線性光學(xué)晶體內(nèi)，認(rèn)為是用單個(gè)泵浦光束通過三波相互作用，對(duì)信號(hào)波和空閑波同時(shí)放大的過程。但閾值較高。手段：強(qiáng)度高的多的泵浦光束或采用微微秒脈沖，可以避免對(duì)晶體的光學(xué)損傷。二、參量發(fā)生器OPG

(opticalparametricgeneration)參量振蕩：由放在光學(xué)諧振腔內(nèi)的非線性光學(xué)晶體組成，可以提高參量放大的總增益，但閾值較高。是和頻產(chǎn)生的逆過程，認(rèn)為是用單個(gè)泵浦光束通過三波相互作用，對(duì)信號(hào)波和閑置波同時(shí)放大的過程。手段：采用光學(xué)諧振腔來增加有效長(zhǎng)度，利用強(qiáng)度高的多的泵浦光束或或采用微微秒脈沖，可以避免對(duì)晶體的光學(xué)損傷。三、參量振蕩OPO

(opticalparametricoscillation)1.理論分析雙共振諧振腔1)角度調(diào)諧當(dāng)入射角度發(fā)生小角度變化時(shí)其參量光輸出發(fā)生相應(yīng)變化此時(shí)相位匹配關(guān)系為

又 得：倍頻的調(diào)諧角度

折射率是波長(zhǎng)/頻率、片震、溫度的函數(shù)。 設(shè)泵浦光頻率固定，入射角度固定，當(dāng)溫度為T時(shí)，輸出參量光為 當(dāng)溫度發(fā)生微小變化時(shí) 輸出參量光變?yōu)榉呛?jiǎn)并情形2）溫度調(diào)