相位匹配及实现方法

1、相位匹配及实现方法实验证明，只有具有特定偏振方向的线偏振光, 才能获得良好的倍频效果，而以其他角度入射时, 出倍频光。根据倍频转换效率的定义以某一特定角度入射晶体时， 则倍频效果很差，甚至完全不经理论推导可得2 3P门=一-P ,sin 2( L .Wk / 2)t二2"(L .盘 / 2)(15)(16)可与L?永/2关系曲线见图1。图中可看出，要获得最大的转换效率，就要使L?永/2 =0, L是倍频晶体的通光长度，不等丁 0,故应?k = 0,即-2兀倍频效率与L ?k/2的关系2 .Lk =2 k 1 - k 2 二（n - n ）=0L,（17）就是使n=n2功，（18）n&

2、quot;和n2w分别为晶体对基频光和倍频光的折射率。也就是只有当基频光和倍频光 的折射率相等时，才能产生好的倍频效果，式（18）是提高倍频效率的必要条件， 称作相位匹配条件。由丁 vlc/nw, V2w = c/n2w, &和V2分别是基频光和倍频光在晶体中的传播 速度。满足（18）式，就是要求基频光和倍频光在晶体中的传播速度相等。从这 里我们可以活楚地看出，所谓相位匹配条件的物理实质就是使基频光在晶体中沿 途各点激发的倍频光传播到出射面时，都具有相同的相位，这样可相互干涉增强， 从而达到好的倍频效果。实现相位匹配条件的方法：由丁一般介质存在正常色散效果，即高频光的折 射率大丁低频光

3、的折射率，如 n2w-nT大约为102数量级。？k丰0。但对丁各向 同性晶体，由丁存在双折射，我们则可利用不同偏振光间的折射率关系，寻找到 相位匹配条件，实现?k = 00此方法常用丁负单轴晶体，下面以负单轴晶体为例 说明。图2中画出了晶体中基频光和倍频光的两种不同偏振态折射率面间的关 系。图中实线球面为基频光折射率面，虚线球面为倍频光折射率面，球面为o光折射率面，椭球面为e光折射率面，z轴为光轴。z图2负单轴晶体折射率球面折射率面的定义：从球心引出的每 一条欠径到达面上某点的长度，表小晶 体以此欠径为波法线方向的光波的折 射率大小。实现相位匹配条件的方法之 一是寻找实面和虚面交点位置，从而得

4、 到通过此交点的欠径与光轴的火角。图 中看到，基频光中。光的折射率可以和 倍频光中e光的折射率相等，所以当光 波沿着与光轴成9 m角方向传播时，即 可实现相位匹配，9 m叫做相位匹配角， 9 m可从下式中计算得出_22 口（n 啊w_（n：«）Sin "Jn*(19)晶体入 /mn。ne0 m镉酸锂1.062.2312.15087o0.532.3202.230碘酸锂1.061.8601.71929。30'0.531.9011.750KD*P1.061.4951.45530。57，0.531.5071.467-，- 2 .，- 2， .式中n°,n。, ne

5、都可以查表得到，表表1列出几种常用的数值。1相位匹配角LZ基频光3晶体图3非线性晶体的切割注意，相位匹配角是指在晶体中基频光相对丁晶体光轴 z方向的火角，而不 是与入射面法线的火角。为了减少反射损失和便丁调节，实验中一般总希望让基 频光正入射晶体表面。所以加工倍频晶体时，须按一定方向切割晶体，以使晶体 法线方向和光轴方向成9 m,见图3。轴晶体将两个e光光子转变为一个倍频的是入射同一种线偏振光，负单 。光光子。第二类是入射光中同时含有以上所述，是入射光以一定 角度入射晶体，通过晶体的双 折射，由折射率的变化来补偿 正常色散而实现相位匹配的， 这称为角度相位匹配。角度相 位匹配乂可分为两类。第一

6、类。光和e光两种线偏振光，负单轴晶体将两个不同的光子变为倍频的e光光子,正单轴晶体变为一个倍频的。光光子。见表2表2单轴晶体的相位匹配条件晶体种类第一类相位匹配第二类相位匹配偏振性质相位匹配条件偏振性质相位匹配条件正单轴e +e t。n % 8 ) = n 2切 e m /。+e t。【n? + n海由）2" 2负单轴n ?，= n 2 切(扇)12ne(Um) n。 = ne' Gm)2本实验用的是负单轴犯酸锂晶体第一类相位匹配。LL s2L s图4晶体中基频光和倍频光振幅随 距离的变化相位匹配的方法除了前述的角度匹配外，还有温度匹配，这里不作细述。在影响倍频效率的诸因素中

7、，除前述的比较重要的三方面外，还需考虑到晶体的 有效长度Ls和模式状况。图4为晶体中基频 光和倍频光振幅随距离的变化。如果晶体过 长，例L>Ls时，会造成倍频效率饱和；晶体 过短。例L<Ls,贝U转换效率比较低。Ls的大 小基本给出了倍频技术中应该使用的晶体长 度。模式的不同也影响转换效率，如高阶横 模，方向性差，偏离光传播方向的光会偏离 相位匹配角。所以在不降低入射光功率的情 况下，以选用基横模或低阶横模为宜。图5基频光与倍频光的脉宽及相对线宽的比较1 . 5.倍频光的脉冲 宽度和线宽通过对倍频光脉冲宽度 t和相对线宽V的观测，还 可看到两种线宽都比基频 光变窄的现象。这是由丁倍 频光强与入射基频 光强的 平方成比例的缘故。图5 中，假设在t=to时。基频 和倍频光具有相同的极大 值。基频光在ti和ti'时，功率为峰值的1/2,脉冲宽度？ti = ti'-ti,而在相同的时间间隔内，倍频光的功率 却为峰值的i/4,倍频光的半值宽度t2 '12< ti'-ti，即？t2<?ti,脉冲宽度变窄。同样道理可得到倍频后的谱线宽度也会变窄1064t 532:I