激光倍频与参量放大ppt课件

1、第二章第二章 激光谐波技术激光谐波技术 2.1 2.1 非线性光学效应非线性光学效应 2.2 2.2 激光倍频与相位匹配技术激光倍频与相位匹配技术 2.3 2.3 激光参量放大与振荡激光参量放大与振荡讨论：讨论： k=0 倍频信号最强倍频信号最强 Dk = k2 - ( k1 + k1 ) =0（相位匹配条件）（相位匹配条件） sin(d / 2)k-2-2-33222sin(/2)/2sId kMk dId kk0k0，假设，假设kd/2= kd/2= 时下降到零。时下降到零。定义：定义：dc=/dc=/k k为为 相干长度。相干长度。 如何实现相位匹配？如何实现相位匹配？2/dk222dx

2、LXX3、相位匹配技术、相位匹配技术 即：将基频光以特定的角度即：将基频光以特定的角度和偏振态入射到倍频晶体，利用和偏振态入射到倍频晶体，利用倍频晶体本身的双折射效应抵消色散效应，可实现相位匹配的要倍频晶体本身的双折射效应抵消色散效应，可实现相位匹配的要求。求。为此要补偿介质中必然存在的色散效应，发明了角度相位匹配方法。为此要补偿介质中必然存在的色散效应，发明了角度相位匹配方法。能量守恒：能量守恒：112112hhh动量守恒：动量守恒：112kkk2由波矢与相速度关系由波矢与相速度关系k=/ Vk=/ V，得：在，得：在2k =k2 2k =k2 时，有时，有V=V2 V=V2 而而 V=c/

3、n, V2 =c/n2 V=c/n, V2 =c/n2 ，则必须满足：，则必须满足：n= n2 n= n2 （无色散）（无色散）表明在倍频晶体中，表明在倍频晶体中，1 1基频光波和倍频光波的等相位面具有相同的速度，基频光波和倍频光波的等相位面具有相同的速度，保证了相位关系在整个运动过程中始终不变。保证了相位关系在整个运动过程中始终不变。2 2是一种与空间坐标无关，是一种与空间坐标无关，并且相位差恒定的相干过程，倍频光波将得到同步叠加、干涉增强。并且相位差恒定的相干过程，倍频光波将得到同步叠加、干涉增强。I I型匹配：型匹配：正单轴晶体正单轴晶体负单轴晶体负单轴晶体)(1E1()E2(2)Eee

4、 e oooee-o21oennoo-e21eonn2w21(2 )( )nn按基频光电场偏振态的配置方式分：平行式（按基频光电场偏振态的配置方式分：平行式（ I I 型和正交式型和正交式IIII型）。型）。IIII型匹配：型匹配：eo-ooe-e2112eoennn正单轴晶体正单轴晶体负单轴晶体负单轴晶体)(1E)(1E2(2)Eoe ee oo2112ooennn2w)()()2(2112nnn上述匹配由于其匹配方向对角度很敏感，故称为角度匹配。上述匹配由于其匹配方向对角度很敏感，故称为角度匹配。其实现方式有以下两种：其实现方式有以下两种：1)1)腔外倍频：腔外倍频：2) 2) 腔内倍频：

5、腔内倍频：结论：正常色散造成的失配在以上方式所引入的双折射效应中得到补偿，结论：正常色散造成的失配在以上方式所引入的双折射效应中得到补偿， 从而达到相位匹配的目的。从而达到相位匹配的目的。相位匹配的方法：相位匹配的方法：1)1)角度匹配：角度匹配：I I型、型、IIII型型 2)2)温度匹配温度匹配1 1角度相位匹配角度相位匹配角度相位匹配就是使参与非线性相互作用的光波，在非线性介质的某个特定角度相位匹配就是使参与非线性相互作用的光波，在非线性介质的某个特定方向上传播，该方向上基频光和倍频光波的折射率相同。方向上传播，该方向上基频光和倍频光波的折射率相同。 引入倍频离散效应光孔效应）引入倍频离

6、散效应光孔效应） 由于双折射效应，由于双折射效应，o o光和光和e e光的光线在传播方向上不可避免地要产生分离。光的光线在传播方向上不可避免地要产生分离。倍频离散效应将给倍频效应带来负面影响：倍频离散效应将给倍频效应带来负面影响：1 1光斑拉长后造成功率密度降光斑拉长后造成功率密度降低，而导致倍频光的输出特性变差；低，而导致倍频光的输出特性变差；2 2导致倍频转换效率降低。导致倍频转换效率降低。即即: : 在在=90=90时，匹配对角度不敏感，时，匹配对角度不敏感，且无双折射，不产生离散。且无双折射，不产生离散。 通过温度调节晶体折射率可得：通过温度调节晶体折射率可得： n2e(90 n2e(

7、90)=n1o )=n1o n2e n1o 2w 2 2温度匹配温度匹配 为了克服倍频离散效应，可采取另一种为了克服倍频离散效应，可采取另一种相位匹配的方法相位匹配的方法温度相位匹配。温度相位匹配。 这种实现方向上的相位匹配方法，称之为温度匹配，也称为非临界相位这种实现方向上的相位匹配方法，称之为温度匹配，也称为非临界相位匹配，实现匹配，实现9090相位匹配所需的温度，称为相位匹配温度。在非临界相位相位匹配所需的温度，称为相位匹配温度。在非临界相位匹配条件下，倍频离散效应不再存在。匹配条件下，倍频离散效应不再存在。d激光22光电倍增管滤色片非线性晶体入射激光和非线性晶入射激光和非线性晶体光轴之

8、间的夹角体光轴之间的夹角当夹角满足相位匹当夹角满足相位匹配时，输出倍频光配时，输出倍频光入射入射激光激光基频基频倍频倍频主要由以下三部分组成主要由以下三部分组成: :1 1产生基频光的激光器；产生基频光的激光器； 2 2倍频晶体；倍频晶体；3) 3) 相位匹配系统。相位匹配系统。光学倍频实验系统光学倍频实验系统 倍频工作物质的选择：倍频工作物质的选择： 必须满足以下条件必须满足以下条件: :1 1宽的透明波段应对基频光和倍频光透明）宽的透明波段应对基频光和倍频光透明）; ; 2 2具有较大的非线性极化系数；具有较大的非线性极化系数； 3 3适当的双折射能以一定的方式实现相位匹适当的双折射能以一

9、定的方式实现相位匹配）配）; ; 4 4较高的抗光强损伤的能力普通较高的抗光强损伤的能力普通1MW/cm21MW/cm2）; ; 5 5稳定的物理化学性能。稳定的物理化学性能。光学倍频系统原理光路：光学倍频系统原理光路：2.3 2.3 激光参量放大与振荡激光参量放大与振荡1 1、基本概念、基本概念 两束不同频率的光两束不同频率的光pp、ss入射到非线性晶体上，将产生频率入射到非线性晶体上，将产生频率不同的不同的极化行波极化行波ii）。如果极化行波在晶体中传播的速度与电磁波自由传）。如果极化行波在晶体中传播的速度与电磁波自由传播的播的速度相同，将引起累计增长。将这两束入射光称为速度相同，将引起累

10、计增长。将这两束入射光称为“泵浦光泵浦光pp和和“信号信号光光s”s”，所产生的光定名为，所产生的光定名为“伴生光伴生光i”i”。 在适当条件下，伴生光在适当条件下，伴生光ii与泵浦光与泵浦光pp混合在一起，产生具有信混合在一起，产生具有信号频率的极化行波号频率的极化行波s s ），其相位加强了信号光。当信号光和伴生光都得），其相位加强了信号光。当信号光和伴生光都得到加强、泵浦光则随着在晶体中传播距离的延长而衰减时，上述过程将持续到加强、泵浦光则随着在晶体中传播距离的延长而衰减时，上述过程将持续下去下去, ,此过程即为参量放大此过程即为参量放大, ,当该过程在谐振腔中进行时当该过程在谐振腔中进

11、行时, ,即为参量振荡。即为参量振荡。 发展应用状况：发展应用状况：1 1基于光参量放大与振荡的光参量激光器的调谐范围，已从基于光参量放大与振荡的光参量激光器的调谐范围，已从0.31m =16m0.31m =16m（如：用（如：用AgGaSe2AgGaSe2晶体，可在晶体，可在8-13m8-13m内调谐，用内调谐，用GaSeGaSe可实现可实现3.5-14m3.5-14m调谐）。调谐）。 2 2通过脉宽压窄技术，在通过脉宽压窄技术，在740-930nm740-930nm、1220-1830nm 1220-1830nm 范围内调谐，参量激范围内调谐，参量激光器的脉宽可达光器的脉宽可达fsfs量级

12、。若用调量级。若用调Q Q激光泵浦激光泵浦, ,输出功率则可达输出功率则可达109W109W。用单模、。用单模、窄线宽、窄脉冲高峰值功率激光泵浦，可获得窄线宽、窄脉冲高峰值功率激光泵浦，可获得60%60%以上的转换效率。以上的转换效率。2 2、光学参量振荡效应、光学参量振荡效应 光学参量振荡效应是以泵浦光波光学参量振荡效应是以泵浦光波Ep提供增益，非线性晶体作为能量转移提供增益，非线性晶体作为能量转移的中介，把能量耦合给信号光波的中介，把能量耦合给信号光波Es使之得到放大，并同时产生一个新的使之得到放大，并同时产生一个新的伴生光伴生光Ei。这个过程完全是参量互作用的过程，其调谐方式受相位匹配。

13、这个过程完全是参量互作用的过程，其调谐方式受相位匹配条件的制约。条件的制约。如果把非线性介质放在光学共振腔内，让泵浦光、信号光及伴生光多次如果把非线性介质放在光学共振腔内，让泵浦光、信号光及伴生光多次往返通过非线性介质，当信号光波和伴生光波由于参量放大得到的增益往返通过非线性介质，当信号光波和伴生光波由于参量放大得到的增益大于它们在共振腔内的损耗时，便在共振腔内形成激光振荡。这就是光大于它们在共振腔内的损耗时，便在共振腔内形成激光振荡。这就是光学参量振荡器。学参量振荡器。0EDJtDHtBE麦克斯麦克斯韦方程韦方程PEDEJD000 非线性波动方程：非线性波动方程：得：得：22222(2)NL

14、PDEtt2222NLPEDEttt 若有若有那么：那么：(1)0E分析三波互作用的稳态耦合波方程分析三波互作用的稳态耦合波方程 从光波与非线性介质相互作用的经典电磁场理论出发，由麦克斯韦方程从光波与非线性介质相互作用的经典电磁场理论出发，由麦克斯韦方程组和物质方程可以得到电磁场在非磁性、各向同性均匀且无自由电荷组和物质方程可以得到电磁场在非磁性、各向同性均匀且无自由电荷(=0)(=0)的介质中的波动方程为的介质中的波动方程为: : (3-1) (3-1) 222000022EEPEuuuttt nnntirEtrE)exp()(),(,nnntirPtrP)exp()(),(,假设电场是沿假

15、设电场是沿z z方向传播的单色平面波，那么方向传播的单色平面波，那么(3-2)(3-2)式变为式变为: :其中：其中：为介质的电导率，为介质的电导率， o o、oo分别为介质在真空中的磁导率和介电常分别为介质在真空中的磁导率和介电常数，数，E E 为电场强度，为电场强度，P P 为电极化强度。将为电极化强度。将 E E 和和 P P 用傅立叶分量表示，有用傅立叶分量表示，有: : (3-2) (3-2)nnntirEtrE)exp()(),(,nnntizE)exp(),()exp()exp()(tiikzzEnn)exp(),(),(tirPtrPnnn)exp(),(nntizPn将将(3

16、-3)(3-3)式代入方程式代入方程(3-1)(3-1)，并利用缓变振幅近似，并利用缓变振幅近似( (波长量级的距离内振幅的波长量级的距离内振幅的变化极小变化极小):):)exp()exp()(tiikzzPnn= = = = (3-3) 对应每一个频率分量来说，相应的波动方程变为对应每一个频率分量来说，相应的波动方程变为: :22EEkzz (3.4)222002( )2(1)( )( )E zikiunE zuP zzc(3.5) 在非线性过程中，电极化强度可分为线性部分在非线性过程中，电极化强度可分为线性部分PLPL和非线性部分和非线性部分PNLPNL，即：，即：NLNLLPEPPP)1

17、(0(3.6)(3.6) 1 1方程中每个光波电场方程中每个光波电场E E的空间变化都有其他光波电场的介入，说明介质中各光波的空间变化都有其他光波电场的介入，说明介质中各光波之间有能量转移与交换，这种能量转移是通过介质的有效非线性系数耦合实现的。之间有能量转移与交换，这种能量转移是通过介质的有效非线性系数耦合实现的。上述耦合波方程表明：上述耦合波方程表明：2 2波传播时波传播时 E E 随随z z的增大而增大。的增大而增大。 3 3）k k表示相位匹配关系动量匹配）表示相位匹配关系动量匹配） 当当k=0 k=0 时满足动量匹配时满足动量匹配 即：即： k3 = k1 + k2 k3 = k1

18、+ k2 倍频时倍频时 k3 = 2 k1 k3 = 2 k1 3 3、光参量放大、光参量放大 如如b b为虚数，双曲正弦函数变成正弦函数，光强在非线性晶体内呈波动为虚数，双曲正弦函数变成正弦函数，光强在非线性晶体内呈波动形式，不可能得到持续的增长。因此，相位匹配也是进行光参量放大的必形式，不可能得到持续的增长。因此，相位匹配也是进行光参量放大的必要条件。即：要条件。即：0k 当相位匹配时，解为：当相位匹配时，解为：( )(0)cosh()ssE zEz1/2*( )(0)sinh()sisisinnE ziEz可见，信号波可见，信号波Es得到放大，伴生波得到放大，伴生波Ei 从无到有，呈近似

19、指数型增长，从无到有，呈近似指数型增长，从泵浦光从泵浦光Ep 的消耗中得到净增益。若在非线性晶体两端放置反射镜的消耗中得到净增益。若在非线性晶体两端放置反射镜M1、M2，则光参量放大即变成光参量振荡器。如下图所示。，则光参量放大即变成光参量振荡器。如下图所示。参量放大的工作条件：参量放大的工作条件：1 1阈值泵浦功率条件：在泵浦功率达到一定数值之后，信号光的增益阈值泵浦功率条件：在泵浦功率达到一定数值之后，信号光的增益等于或大于它们在腔内的光学损耗。泵浦光强度超过阈值时，泵浦光等于或大于它们在腔内的光学损耗。泵浦光强度超过阈值时，泵浦光的能量主要转换成相干的信号光的能量主要转换成相干的信号光E

20、sEs或伴生光或伴生光EiEi波输出。波输出。2 2能量守恒条件：在参量放大过程中，信号光波频率能量守恒条件：在参量放大过程中，信号光波频率ss和伴生和伴生光波频率光波频率ii每增加一个光子，相应地泵浦光波便失去一个光子每增加一个光子，相应地泵浦光波便失去一个光子频率频率pp），故三者应该满足能量守恒条件），故三者应该满足能量守恒条件p =i + s p =i + s 3 3相位匹配条件：相位匹配条件：k3=k1+k2 k3=k1+k2 或者以非线性介质的折射率表述：或者以非线性介质的折射率表述： 3n3=1n1+2n2 3n3=1n1+2n2参量放大差频总结：参量放大差频总结：强的高频光泵浦

21、光强的高频光泵浦光PP）差频光差频光(伴生光伴生光i) + 低频光低频光(信号光信号光S)射入非线性晶体射入非线性晶体光学参量放大光学参量放大 产生差频光波的过程产生差频光波的过程每湮灭一个高频光子每湮灭一个高频光子产生两个低频光子。产生两个低频光子。2 =3 -2 =3 -1 1 3=1+3=1+22信号光被放大信号光被放大+ 弱的低频光信号光弱的低频光信号光S）例：知：例：知： 3=3；1=；2=3-1=3-=2； I3=50 MW/cm2 I1=20 MW/cm2 求：求： 产生的差频产生的差频2 的功率密度的功率密度 I2 =？以及？以及的功率密度的功率密度 I1 =？ 解：解：333

22、3333/ 22100 ()(3 )3IN hN hINhh个光子2222100() 232233.3/hN hhIMW cm2131003NNNh每湮灭一个高频光子每湮灭一个高频光子产生一个产生一个1 及一个及一个2光子光子并余下并余下N11112100()32216.7/hN hhIMW cm123NNN2111,016.72036.7/IIIMW cm4 4、光参量振荡、光参量振荡光学参量振荡器是在光学参量放大器的基础上加入光学反馈装置。光学参量振荡器是在光学参量放大器的基础上加入光学反馈装置。ppsiis 光参量振荡器的简单结构光参量振荡器的简单结构psipsihhhpsipsihkh

23、khkkkk其中：信号光由自发辐射噪声提供，无需注入信号光。其中：信号光由自发辐射噪声提供，无需注入信号光。转换过程完全应符合光子的能量和动量守恒条件，有：转换过程完全应符合光子的能量和动量守恒条件，有：对于共线传播的波，有：对于共线传播的波，有： 0iissppnnn由于这三种折射率都取决于波长、光在晶体中的传播方向以及光的偏振，所以一由于这三种折射率都取决于波长、光在晶体中的传播方向以及光的偏振，所以一般情况下能够对某些晶体利用双折射和色散找到满足上式的条件。般情况下能够对某些晶体利用双折射和色散找到满足上式的条件。 光学参量振荡器的谐振腔可以同时对信号光和伴生光共振，也可以对光学参量振荡

24、器的谐振腔可以同时对信号光和伴生光共振，也可以对其中一个频率共振。前者通常称为双共振光学参量振荡器其中一个频率共振。前者通常称为双共振光学参量振荡器(DRO)(DRO)，后者，后者通常称为单共振光学参量振荡器通常称为单共振光学参量振荡器(SRO)(SRO)。ppsiis 光参量振荡器的简单结构光参量振荡器的简单结构调谐性：调谐性：如果泵浦光以固定波长入射，折射率在接近相位匹配条件附近的微小变化如果泵浦光以固定波长入射，折射率在接近相位匹配条件附近的微小变化都将改变信号光和伴生光的波长，从而得到新的相位匹配条件。都将改变信号光和伴生光的波长，从而得到新的相位匹配条件。调谐方法：调谐方法：这种调谐

25、可以利用各向异性晶体双折射与角度的关系，或者改变温度来实这种调谐可以利用各向异性晶体双折射与角度的关系，或者改变温度来实现；通过折射率的电光变化，能够实现有限范围内的快速调谐。现；通过折射率的电光变化，能够实现有限范围内的快速调谐。 5、光学参数振荡器的实验系统、光学参数振荡器的实验系统一般有如下几部份组成：一般有如下几部份组成： (1)激发光源激发光源 (2)非线性晶体非线性晶体 (3)光学共振腔光学共振腔 (4)相位匹配和调谐装置温度、角度、外场）相位匹配和调谐装置温度、角度、外场） 和频频率上转换）和频频率上转换）和频过程与倍频相同，其中和频过程与倍频相同，其中3=1+2; 12 3=1

26、+2; 12 例例1 1：1kW泵浦光泵浦光10mW 信号光光学参量振荡器光学参量振荡器OPOOPO的发展趋势的发展趋势是一种极具潜力的宽调谐固体相干辐射源。是一种极具潜力的宽调谐固体相干辐射源。重点方向：重点方向：1 1用组合调谐方式进行红外波段的扩展和紫外波段的延伸，用组合调谐方式进行红外波段的扩展和紫外波段的延伸， 2 2新型参量振荡晶体的开发，新型参量振荡晶体的开发， 3 3光学参量振荡器输出指标提高，光学参量振荡器输出指标提高， 4 4全固化全固化OPOOPO系统。系统。特别是利用二极管泵浦固体激光技术，发展全固化宽调谐特别是利用二极管泵浦固体激光技术，发展全固化宽调谐OPOOPO，

27、它具有，它具有高效率、长寿命、结构紧凑、体积小、重量轻、可高重复频率工作的特高效率、长寿命、结构紧凑、体积小、重量轻、可高重复频率工作的特点，将开辟更多的应用领域，近几年发展十分迅速，是将来多频激光光点，将开辟更多的应用领域，近几年发展十分迅速，是将来多频激光光源的重点发展方向。源的重点发展方向。 本章复习题本章复习题1、写出二阶非线性极化强度，并由此分析非线性介质的二阶非线性光、写出二阶非线性极化强度，并由此分析非线性介质的二阶非线性光学效应。学效应。2、画图描述激光倍频效应及倍频激光器。、画图描述激光倍频效应及倍频激光器。3、何谓相位匹配技术，方法上如何实现？、何谓相位匹配技术，方法上如何实现？4、何谓光参量放大？画图阐述光学参量放大的原理。、何谓光参量放大？画图阐述光学参量放大的原理。5、何谓光参量振荡？画图阐述光学参量振荡器的调频原理。、何谓光参量振荡？画图阐述光学参量振荡器的调频原理。专题综述论文题目专题综述论文题目1、电子束光刻技术、电子束光刻技术E-Beam Lithography） 2、X射线光刻技术射线光刻技术XRL）3、原子层沉积技术、原子层沉积技术ALD）4、分子束外延技术、分子束外延技术MBE）5、液相外延技术、液相外延技术LPE）6、低压化学气相沉积技术、低压化学气相沉积技术LPCVD）7、金属有