8_光学混频.ppt

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1、光学混频7/16/20211非线性光学现象线性光学:光与介质相互作用，入射光的电场强度比介质中原子内的场强小得多。非线性光学:强光入射介质时7/16/20212当激光与非线性介质作用，入射光通过介质后，其输出频率较入射频率有所变化，会出现倍频光、和频光与差频光。入射单色强光电场强度恒定电场基频成分倍频成分7/16/20213入射两种不同频率的强光时和频成分差频成分介质除辐射直流、基频和倍频成分，还将辐射频率为和频与差频的光波，称为光学混频。下面将分别具体介绍光学倍频、和频、差频以及四波混频。7/16/20214对于二阶非线性介

2、质，两光波场作用于介质，引起二阶极化，产生新波场。这是一个和频过程，三个波的频率满足关系。图3.1.2示出三波在非线性介质中相互作用产生和频的过程。7/16/20215事实上还存在着差频关系三波互相耦合必须遵守能量守恒和动量守恒定律，即三种频率的光子满足利用慢变振幅近似的波动方程7/16/20216式中为相位失配因子。如果，则三波是相位匹配的，相当于三个光子动量守恒。得到慢变近似条件下三波混频的耦合波方程：7/16/20217二、光学和频与频率上转换一、光学倍频三、光学差频与频率下转换四、四波混频7/16/20218一、光学倍

3、频光学倍频是三波混频的一种特例，也是最早发现的一种非线性光学现象。1961年Franken等人发现倍频的实验装置，如图所示：7/16/20219现在倍频效应已经比较成熟，比如，常用于把Nd：YAG激光器发出的1.06微米波长的红外激光变换为532纳米波长的绿色激光。以下分两种情况研究光学倍频：一种是不消耗基频光的小信号近似，另一种是消耗基频光的高转换效率的情况。7/16/202110设想频率为ω的单色平面光波通过长度为L的非线性光学晶体，产生频率为2ω的倍频光，如图3.2.2所示。假设晶体对这两种光都没有吸收，讨论晶体出射面的

4、倍频光强度和倍频转换效率。7/16/2021111.小信号近似处理倍频问题可用三波耦合公式，令小信号近似下：其中随z的变化可以忽略。7/16/202112由边界条件，并对积分，可以得到倍频光在z=L处的光强为：光倍频的效率可表示为倍频光功率与基频光功率之比其中S为光束的截面积，d为晶体倍频系数。7/16/2021137/16/202114在小信号下，根据倍频光强度及效率公式可得到以下结论：（1）倍频光强与基频光强的平方成正比，这说明一个倍频光子是由两个基频光子湮灭后产生的，符合能量守恒。（2）对一定的Δk，倍频光功率与晶体倍频

5、系数d的平方成正比；Δk较小时，与晶体长度L的平方成正比。（3）当时，，倍频光功率与倍频效率最大，符合相位匹配条件。为实现相位匹配，要使倍频光与基频光同方向，并且使折射率满足7/16/202115倍频效率将很快下降，最后做周期性变化。为相干长度，此时。若晶体长度大于Lc，（5）倍频效率依赖于基频光的功率密度，可以（4）当时，对一定的Δk，定义晶体长度通过聚焦基频光的方法来提高倍频效率。7/16/2021162.基波光高消耗情况在高转换效率下基波会被消耗，此时，需从三波耦合方程求解。定义新的光电场变量：光强公式改写为：7/16/

6、202117三波耦合方程变成：为耦合参量，d为非线晶体的倍频系数。7/16/202118结合边界条件给出方程的解：图3.2.4画出了与相对的值分别依赖的变化关系：定义为有效倍频长度7/16/202119由图可见，随着倍频晶体长度的增大，基频光不断地转化为倍频光，理论上基频光可全部转化为倍频光，即倍频效率可达到100%，而实际上受到很多限制，故引入有效倍频长度。7/16/202120当时，当时，可见当倍频晶体长度达到有效倍频长度的2倍时，倍频场已趋近，即接近饱和，转换效率接近1。这是平面光波条件下的结果。7/16/202121基

7、频耗尽条件下的倍频转换效率公式：如果基频光强很低，可取近似条件则此时的转换效率就变成时的小信号转换效率7/16/202122光学和频可以用于频率上转换，就是借助近红外的强泵浦光ω2，把入射的红外弱信号光ω1转换成可见光ω3。和频是一种产生较短波长(较高频率)相干辐射的手段，如图。例如，用波长为1.06微米的YAG激光作为泵浦光，把CO2激光的10.6微米的光转变为波长0.96微米的光。可以采用淡红银矿晶体(Ag3AsA3)作为和频晶体。二、光学和频与频率上转换7/16/202123仍然从耦合波方程出发来计算频率为ω3的和频光的

8、光强随坐标z的变化。假定不考虑晶体的吸收，并且频率为ω2的泵浦光光强足够大，以至和频过程的三个频率的光子满足能量与动量守恒关系，因此有：考虑共线相位匹配条件7/16/202124结合边界条件可以得到频率为ω3的光强为其中为非线性耦合增益系数。若晶体长度为L，和频的转换效率为：