非线性光学-绪论-第一章.ppt

非线性光学技术 学科特点 激光技术催生非线性光学的出现并推动了其发展 线性光学 若介质对光的响应是呈线性关系 在线性范畴内光在介质中的传播满足独立传播原理和线性叠加原理 非线性光学 若介质对光的响应是呈非线性关系 在非线性范畴内光在介质中的传播产生新的频率 不同光波之间会耦合 独立传播原理和线性叠加原理不成立 一 研究范畴 极化响应过程 辐射过程 非线性光学是研究强光与物质相互作用过程中出现的各种新现象和新效应 二 非线性光学效应现象 1 激光倍频2 和频3 差频4 光参量放大与震荡5 受激散射和光学相位共轭 其中 0为真空介电常数 为线性极化率 强激光入射介质 远离介质共振区 可以采用下面的级数形式表示 普通光入射介质 对应极化强度与入射光场的关系 极化响应的过程 弱光下 二阶以上非线性极化强度可忽略强光下 二阶以上非线性极化强度不可忽略 这就是许多非线性光学现象产生的物理根源 由非线性光学理论可以证明 1 非简谐振子模型电子在外电场驱动下做阻尼的非简谐运动方程为采用微扰法求解得 非线性响应的特点是频率为W1和W2的光场在非线性介质中感应的电极化强度 不仅有频率为W1 W2的分量 而且还有频率为2W1 2W2和的分量 这就是倍频 和频和差频等光学效应 非线性频率变换技术 利用强光与物质相互作用的非线性光学效应 在满足相位匹配的条件下 使介质中出现新频率的相干辐射 常用方法 激光倍频 SHG 和频 SFG 差频 DFG 三次谐波 THG 光参量震荡 OPO 受激拉曼散射 SRS 2 极化率张量的性质一阶极化率 反映色散与吸收的线性极化率 倍频极化率和频极化率差频极化率 极化率张量除了与频率有关外 其主要性质还又其物理对称性决定对于各项同性介质 线性极化率是一个与方向无关的标量 对于各项同性介质 某方向偏振的光波电场不仅导致该方向的极化 而且导致其他方向的极化 各阶非线性极化相应的极化率是依次的高一阶张量在远离于离子共振频率处 极化仅由电子位移引起 而离子的贡献可忽略 若非线性介质为无损耗的 则非线性极化率张量具有完全互易对称性极化率张量是描述介质对光场响应特性的 因此介质本身结构的空间对称性将限制非线性极化率张量的独立分量个数 若相互作用的光波是准单色平面波 略去时间二阶导数项 则光波电场振幅分量的方程为 暂态波耦合方程 当脉冲宽度时 调Q激光脉冲在介质中传输的稳态波耦合方程 每一个确定频率分量的极化可表示为 K是由内禀变换对称性所决定的数值因子表示n个频率中有个相同 Wm表示为n个频率的代数和 频率若为负值 则其对应电场取共轭形式 对于二阶非线性光学效应 有三个波相互作用 取设频率关系为极化分量为三波耦合方程 7 2激光倍频技术7 2 1倍频的波耦合方程及其解基频光波电场Ew和倍频光波电场E2w的波耦合方程为 1 非耗尽近似当倍频光为小信号近似 则倍频光强为倍频效率常用来表征转换效率当时 取最大值 所以是保证高效率倍频的关键因素 称为相位匹配条件 相位匹配条件决定着光波之间能量的交换方式和效率 相位匹配的物理分析当时 基频光大量转换成倍频 非耗尽近似失效 波耦合方程可化为式中 相位关系为 保证在相位匹配条件下基频光能量不断向倍频转移 且有 7 2 2相位匹配的意义与方法相位匹配表面在高转换效率条件下的动量守恒关系 保证能量转移由基频光向倍频光单向地不断进行 相位匹配条件控制着光波之间能量转移的方向 在晶体中 基频光波与倍频光波的等相位面具体相同的速度 保证相位关系在整个运动过程中始终不变 光学参数表示相位匹配条件 7 2 2相位匹配的意义与方法1 角度相位匹配角度匹配是高效率产生倍频光辐射的最常用 最主要的方法 它是将基频光以特定的角度和偏振态入射到倍频晶体 利用倍频晶体本身所具有的双折射效应抵消色散效应 达到匹配要求 按基频光电场偏振态的配置方式 分为平行式和正交式 相应的角度匹配成为I类匹配和II类相位匹配关系 7 2 2相位匹配的意义与方法2 光孔效应与非临界相位匹配 NCPM 在倍频晶体中 参与非线性相互作用的是光斑直径为D的光束 基频光与倍频光的偏振态总有不同 基频光本身具有两个不同的偏振态 因此不能保证基频光与倍频光的能流方向一致 也就是说e光和o光的能流方向上存在着 走离 这种现象称为 光孔效应 e光和o光的能流方向夹角为直径长度为 7 2 2相位匹配的意义与方法2 光孔效应与非临界相位匹配 NCPM 温度匹配实际上是角度匹配中 使得消除了光孔效应 也称为非临界相位匹配 NCPM 7 2 3准相位匹配方法 QPM 1 相干长度Lc2 空间调制3 准相位匹配的特点不存在严重的光孔效应和相位匹配问题准相位匹配没有I类和II类之分对于在某一波长范围有大的非线性系数 但双折射很小的材料 可采用准相位匹配进行倍频 扩大材料的选取范围和相应的频谱波段准相位匹配所采用的材料为 聚片多畴 的铁电晶体 7 2 4倍频方式1 腔外倍频 常用于基频光重复频率低而峰值功率很高的情形2 腔内倍频 常用于基频光重复频率高而峰值功率很低的情形通常腔外倍频效率低于腔内倍频 7 2 5倍频晶体倍频晶体主要由