非線性光學(xué)原理復(fù)習(xí)進(jìn)程

1、非線性光學(xué)原理線性極化與非線性極化線性極化與非線性極化 PE物質(zhì)在弱光電場(chǎng)作用下只能產(chǎn)生線性極化，振蕩偶極子產(chǎn)生光波電場(chǎng)頻率相同的極化波輻射同頻率的次級(jí)電磁波。：介質(zhì)線性極化率在強(qiáng)場(chǎng)情況下，P不僅與E的1次項(xiàng)有關(guān)，而且與E的2次，3次等高次項(xiàng)有關(guān)。一般地(1)(2)(3)PEEEEEE (1)(2)2(3)3PEEE在強(qiáng)光作用下，電子在平衡位置附近振動(dòng)時(shí)正負(fù)兩個(gè)方向的位移量不相等，形成正負(fù)峰值不等的畸形極化波，即非線性極化波非線性極化波(1)(2)2(3)3.PEEE(2)(3)(1)、很小，比下降幾個(gè)數(shù)量級(jí)00(1)(2)2(1)(2)2200(1)(2)2(2)2000cos,coscos

2、11coscos222EEt EPEEEtEtEtEtE設(shè)入射光波光波場(chǎng)振幅，光波電場(chǎng)角頻率，則有頻率 基波分量頻率2 二次諧波分量直流分量二次非線性光學(xué)效應(yīng)：除了基頻極化波二次非線性光學(xué)效應(yīng)：除了基頻極化波外還有二次諧頻極化波，分別輻射基頻外還有二次諧頻極化波，分別輻射基頻電磁波和二次諧波，即倍頻光波。電磁波和二次諧波，即倍頻光波。非線性光學(xué)材料特性參數(shù)非線性光學(xué)材料特性參數(shù)二次非線性光學(xué)系數(shù)二次非線性光學(xué)系數(shù) ,22jiiijkjkjkxxxxxxyyyyyzzzzzxyzzyxzxzxxyxyxEPPE Ej kxyzPE EE EE EE EE EE E在三維情況下，二次極化率是一個(gè)與

3、和 相關(guān)張量。二次極化表達(dá)式為：求和指標(biāo)，分別取12345627,;1,2,3ijkililijkixxiyyizziiiiyzizyiizxixziixyiyxiddddddddi是一組數(shù)集合，有個(gè)分量，獨(dú)立分量18個(gè)，屬于三階張量。二次非線性光學(xué)系數(shù)。和關(guān)系為：1768 1 208 ilPd表 個(gè)晶類的數(shù)目 表 2幾種重要非線性光學(xué)材料 的絕對(duì)非線性光學(xué)系數(shù)倍頻效率倍頻效率3+225222222YAG:Nd)1.060.53512sin/2/2cmmPPPL d PL kPL knnA 2512SHGSHGSHG在激光器諧振腔內(nèi)插入鈮酸鋇鈉(Ba NaNb O可將倍頻成的綠光。倍頻光輸出功

4、率倍頻效率倍頻光輸入功率倍頻效率：表征非線性光學(xué)介質(zhì)中能量轉(zhuǎn)移特性的重要質(zhì)量參數(shù)。光波在非線性介質(zhì)中傳播的波耦合方程可得22252222229222512sin/2/210;2;2ccPL d PL kPL knnALcAnnnnckkk SHG：非線性晶體長(zhǎng)度(cm),d:非線性光學(xué)系數(shù)(cm/CGSEq)；11CGSEq=倍頻光波長(zhǎng)(cm)；入射光截面積；3，介質(zhì)對(duì)基頻光和倍頻光的折射率；倍頻光與基頻光在介質(zhì)中經(jīng)過某一點(diǎn)的相位差。2252222222512sin/2/2sin/21/2sin/2/2PL d PL kPL knnAcL kPL kALddL kL k SHGSHGSHGSH

5、G當(dāng)時(shí)，與基頻光功率密度正比。說明當(dāng)基頻光功率密度一定時(shí)，與 和 平方正比。因此提高倍頻器件效率要采用 大的介質(zhì)作倍頻材料。對(duì)確定介質(zhì)，在一定基波光功率下，影響為22sin/2/2L kL k，則稱為位相匹配因子。位相匹配因子和條件位相匹配因子和條件222sin/201,/28-7sin/2/22sin/200,/20,L kkL kL kL kL kkkLL k SHGSHGmaxSHGSHG對(duì)確定介質(zhì)和基波光功率條件下，當(dāng)時(shí)，有最大值。則可改寫為：當(dāng)，當(dāng)時(shí)則無倍頻光輸出，所以位相因子是影響的重要因素。20,2kkkk 要獲得高的倍頻效率，必須滿足則此條件為位相匹配條件。2222222,0

6、knnkkkvvcvkvv 則要使，則需要滿足說明要實(shí)現(xiàn)位相匹配，要求基頻光和倍頻光在非線性介質(zhì)中有相同傳播速度，才能使得它們傳播到不同位置時(shí)仍保持同位相，形成相長(zhǎng)干涉。目前倍頻技術(shù)主要采用折射率匹配或角度匹配的方目前倍頻技術(shù)主要采用折射率匹配或角度匹配的方法來使得基頻光和倍頻光在介質(zhì)中以相同的速度傳法來使得基頻光和倍頻光在介質(zhì)中以相同的速度傳播。播。22, cnvccnnnn得到位相匹配另一種表達(dá)式說明只要基頻光與倍頻光折射率相同就實(shí)現(xiàn)了位相匹配。22,e()( ),mmnnnn 對(duì)通常的光學(xué)介質(zhì)所以利用非線性晶體對(duì)統(tǒng)一波長(zhǎng)o光和e光折射率不同和 光隨入射波與光軸夾角而變性質(zhì)，在晶體內(nèi)可以找

7、一個(gè)到入射光波的，使得為入射光與晶體光軸夾角，實(shí)現(xiàn)位相匹配。22KDP1.061.4948,.53()1.4948,oeemmmonmnn比如晶體，對(duì)的 光折射率對(duì)0的e光折射率隨e光在晶體中傳播方向不同1.51323-1.47變化所以總可以找到一個(gè)入射光的方向使得就為相位127,匹配角。折射率橢球找相位匹配角折射率橢球找相位匹配角22,eoeomnnPPnnOPZ和兩橢圓截線交與 點(diǎn)，點(diǎn)處符合相位匹配條件，與 軸的夾角就是相位匹配角。最佳相位匹配角最佳相位匹配角20009090eeonnnnmm非線性晶體折射率隨溫度而變，是溫度函數(shù)。有些非線性晶體溫度改變時(shí)， 和變化差別很大，所以可以通過改變晶體溫度可能在光速傳播方向與晶體光軸成時(shí)實(shí)現(xiàn)相位匹配，即。這種的相位匹配稱為最佳相位匹配090oeoennmm因?yàn)闀r(shí)， 光和 光在非線性晶體中光線傳播方向一致，使得基頻光波與倍頻光波良好耦合，從而非線性晶體材料及基頻光波能量都能充分得到利用。若溫度變化引起的 和 改變對(duì)應(yīng)的不明顯，則對(duì)晶體溫度控制要求可適當(dāng)降低。 非中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)； 非線性光學(xué)系數(shù)大； 能實(shí)現(xiàn)相位匹配，最好能90度匹配。即大的雙折射率和小的射散； 材料光學(xué)均勻性好，折射率處處均勻一致； 有高的透明度和寬的透過波段，對(duì)光波有良好透過性； 光損傷閾值高；