光学参量过程

演示文稿光学参量过程第一页，共30页。2026/7/92光学参量过程第二页，共30页。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。在前面章节中已经讨论过非线性光学中出现的光学倍频、和频与差频现象。这主要是由于强光场入射到非线性介质中，介质的极化强度非线性地依赖于光场的强度，而在线性光学中，介质的极化强度与光强是线性依赖的。这节主要讨论非线性光学中的光学参量过程。第三页，共30页。主要内容一、光学参量放大与振荡效应二、光学参量振荡器1.双共振参量振荡器2.单共振参量振荡器第四页，共30页。一、光学参量放大与振荡效应

下图为光学差频的转换过程：第五页，共30页。光学差频过程中频率为ω3的泵浦光的能量转移到频率为ω1的信号光，使之放大，同时产生频率为ω2的闲置光。这种过程与微波波段的参量放大类似，故称光学参量放大，如图3.3.5所示。微波参量放大器是利用时变电抗参量实现低噪声放大的放大电路。例如，在变容二极管的两端外加一个周期交变电压时，其电容参量将随时间作周期变化。若把这一时变电容接入信号回路中，且当电容量变化和信号电压变化满足适当关系时，就能使信号得到放大。外加的交变电压源称为泵浦源。第六页，共30页。在前面章节中已经给出了差频过程中的振幅的表达式第七页，共30页。当时，所以，第八页，共30页。当时，参量放大器的放大倍数为：其中g定义为可见参量放大器的放大倍数与倍频系数d和泵浦光强有关。由于一次性通过的相互作用参量放大倍数较小，为提高能量转换效率，可把参量放大器置于谐振腔内。第九页，共30页。在参量放大过程中，泵浦光的能量转变成信号光ω1及闲频光ω2的能量，为了使能量转换效率提高，可以把参量放大器置于一谐振腔内，让ω1光或ω1和ω2光同时在腔内产生谐振。当泵浦光ω3的能量超过某一阈值时，非线性相互作用的增益超过腔内损耗。ω1光或ω1和ω2光同时会在腔内建立起振荡，极类似于激光器的情况。振荡的阈值对应于参量增益与ω1、ω2光在腔内能量损耗相平衡时泵浦光的光强。这样的器件称之为光学参量振荡器（OPO）。第十页，共30页。若只有信号频率ω1光振荡增强，称为单共振参量振荡器(SRO)；若频率为ω1和ω2的两光同时振荡增强，则称为双共振参量振荡器(DRO)。由于参量振荡过程中要求位相匹配，故须用单色性好的相干光泵浦，而且其单色性越高，振荡阈值就越低，输出光波的单色性也越好。光学参量振荡器的实际意义是把泵浦光的能量转变为相干的，在较大范围内波长可调的信号及闲频光输出。第十一页，共30页。光学参量振荡器有以下基本特性：⑴不需外界输入信号光波，利用介质内部的噪声辐射就能产生参量振荡；⑵可连续运转，具有较高的效率；⑶通过改变晶体取向、晶体温度，或对晶体施加外电场（利用电光效应）、外磁场（利用磁光效应）、外压力（利用光弹性效应），以及改变非线性晶体的折射率特性，能够实现可调谐的光参量振荡。第十二页，共30页。现已制成从紫外到近红外的连续调频光源，并可能延伸到波长大于100微米的远红外波段，填补了传统光源在这一区域的空白。由于以上特性，光学参量振荡器在光谱学、半导体研究以及光化学等方面有着重要的应用。光学参量振荡的研究始于1961年，1965年用铌酸锂晶体作参量转换介质获得了激光输出。第十三页，共30页。相同点：两者都可产生相干的光输出；不同点：光学参量振荡器内的增益是由非线性效应产生，并非由粒子数反转产生，而且增益是单向的，当信号光和闲频光经腔镜反射回来通过晶体时将得不到增强反而要受到损失。光学参量振荡器与激光振荡器下面分别讨论上面提到的两种光学参量振荡器。第十四页，共30页。二、光学参量振荡器1.双共振参量振荡器图3.3.6是双共振参量振荡器原理图，其中三束光是共线的。第十五页，共30页。下面推导光学参量振荡的阈值方程。设晶体长为L，两端面形成谐振腔。两反射镜的曲率相等，信号光ω1和闲频光ω2的反射系数分别为r1和r2，则反射率分别为和，并设晶体对泵浦光ω3是完全透明的，如图3.3.7所示。第十六页，共30页。设在腔内泵浦光强与距离无关。腔内任一z平面上信号光电场与闲频光电场可由一矩阵表示考虑在泵浦光ω3激发下，在z=0处同时产生自发辐射信号光ω1与闲频光ω2，波方程的解为：第十七页，共30页。在z=L处的光电场为：稳定的振荡要求满足光在腔内往返一次后不变的自洽条件，如图所示。在参考平面e处应有第十八页，共30页。是由乘以下4个矩阵得到：左端反射矩阵，光由右向左无增益传播矩阵，右端反射矩阵，及光由左向右参量放大矩阵，即第十九页，共30页。即满足自洽条件式中为单位矩阵。若有不为零的解，就要求行列式，所以得到第二十页，共30页。上式称为参量振荡的阈值方程，也就是参量振荡的起振条件。考虑腔镜对两频率光的反射损耗和相移，令式中为两腔镜引起的相移。则起振条件可写为：第二十一页，共30页。当相位条件满足取整数使阈值方程左边为正实数时，对应的增益为最小值，即阈值增益。而满足的相位条件式表示频率为ω1和ω2的两束光为谐振腔的两个激光纵模。第二十二页，共30页。利用和相位条件，阈值方程为：当较小时，，则有第二十三页，共30页。在此条件下，并设则因此双共振光学参量振荡器的阈值条件是：第二十四页，共30页。由定义及阈值条件，可以得到阈值条件下的双共振参量振荡泵浦光的强度为：第二十五页，共30页。以晶体双共振参量振荡器为例，设腔体单程损耗为2％，则可估算振荡阈值为。这相当于一个连续激光器的较低的输出光强。但是双共振参量振荡器对腔的稳定性要求很高，腔长受温度变化和振动的影响会使震荡器很不稳定。第二十六页，共30页。2.单共振参量振荡器利用非共线相位匹配技术，使三束光方向分开，如图3.3.9所示。只允许信号光沿腔轴方向与谐振腔共振。即频率为ω1的信号光的沿腔轴，但泵浦光的和闲频光的不沿腔轴。三束光必须满足以下相位匹配条件：第二十七页，共30页。现在从双共振光学参量振荡器阈值方程出发，推导单共振光学参量振荡器的阈值方程。对于单共振参量