幾種參量過程1

幾種參量過程內(nèi)容提要光學(xué)倍頻參量放大與振蕩四波混頻內(nèi)容提要光學(xué)倍頻倍頻效應(yīng)的物理本質(zhì)倍頻效應(yīng)的基本特性相位匹配參量放大與振蕩四波混頻光學(xué)倍頻二階非線性光學(xué)效應(yīng)的一個成功的應(yīng)用是二十世紀九十年代二極管激光泵浦NYAB晶體，通過自倍頻直接產(chǎn)生綠光。在室溫下實現(xiàn)了TEM00模高功率、高重復(fù)頻率的運轉(zhuǎn)，在光通信、光存儲、大屏幕顯示等方面展示了廣泛的應(yīng)用。光學(xué)倍頻在實際應(yīng)用中，人們追求的是高轉(zhuǎn)換效率的SHG：先進的技術(shù)加上新的晶體(如BBO、LBO)，目前SHG的轉(zhuǎn)換效率可高達60%~80%

。內(nèi)容提要光學(xué)倍頻倍頻效應(yīng)的物理本質(zhì)倍頻效應(yīng)的基本特性相位匹配參量放大與振蕩四波混頻光學(xué)倍頻光學(xué)倍頻倍頻效應(yīng)過程的實質(zhì)：在非線性介質(zhì)內(nèi)湮滅兩個基頻入射光子，產(chǎn)生一個倍頻光子的過程。整個過程可以看成由兩個階段組成：在第一個階段：在兩個基頻入射光子湮滅的同時，組成介質(zhì)的原子或分子離開初始能級而與光場共處在某種中間狀態(tài)；在第二個階段：介質(zhì)分子重新躍遷回到其初始能級并同時發(fā)射出一個倍頻光子。介質(zhì)的虛能級/中間狀態(tài)量子電動力學(xué)理論中的中間狀態(tài)概念：在這種狀態(tài)下，光場的光子數(shù)目發(fā)生了變化，原子/分子離開原先所處的本征能級而進入激發(fā)狀態(tài)；但此時原子/分子并不確定地處在其某一本征能級上，而是以一定的幾率處在它所有可能的、其它能級上（初始能級除外）。用虛能級表示這種中間狀態(tài)。由于原子/分子能級去向的完全不確定，根據(jù)測不準原理，系統(tǒng)在這種中間狀態(tài)上停留的時間將趨于無窮短。由于原子或分子在虛能級上停留的時間為無窮?。ㄐ〉浇频扔陔娮釉苹兊捻憫?yīng)時間），因此上述兩個階段實際上是在瞬間完成，幾乎同時發(fā)生。光學(xué)倍頻倍頻過程的開始和結(jié)束，介質(zhì)的量子力學(xué)狀態(tài)并未發(fā)生改變，本身的能量和動量不變，因此：過程必須遵循的能量和動量守恒必須在湮滅和產(chǎn)生的光子之間得到滿足，而與介質(zhì)無關(guān)。光學(xué)倍頻從倍頻過程的實質(zhì)可推論出一個結(jié)論：二次諧波的產(chǎn)生與所使用的非線性晶體的分子能級結(jié)構(gòu)和宏觀組成特性無任何直接關(guān)系。因此選用不同的晶體，可以得到相同的二次諧波。唯一不同的是轉(zhuǎn)換效率。這種現(xiàn)象是由量子躍遷過程本征決定的。非線性過程中，不涉及任何介質(zhì)分子在其特定的本征能級之間的、任何確定的躍遷行為。內(nèi)容提要光學(xué)倍頻倍頻效應(yīng)的物理本質(zhì)倍頻效應(yīng)的基本特性相位匹配參量放大與振蕩四波混頻倍頻效率不考慮基波信號的衰減倍頻效率諧波功率有極值

倍頻效率光學(xué)倍頻的轉(zhuǎn)換效率最高的條件：此時晶體長度：失配相干長度，用Lc表示:內(nèi)容提要光學(xué)倍頻倍頻效應(yīng)的物理本質(zhì)倍頻效應(yīng)的基本特性相位匹配相位匹配的物理意義相位匹配技術(shù)參量放大與振蕩四波混頻相位匹配的意義倍頻過程中，參與非線性相互作用光波波矢之間滿足動量守恒

DK=0倍頻效應(yīng)最強。這個關(guān)系在非線性光學(xué)中又被稱為相位匹配。相位匹配的物理意義更一般：矢量疊加物理意義－1：一個是自由空間電磁場的波矢，一個是振動源的波矢，它們的差為。受迫振動下，只有當，受迫振動波才能獲得最大的振動。表征了空間某一點驅(qū)動源的波矢/相位與自由空間中同頻率電磁波波矢/相位之間的關(guān)系。相位匹配的物理意義非線性極化波的波矢由媒質(zhì)中參與非線性作用的光波波矢決定，因此相位匹配又可以看作：產(chǎn)生非線性現(xiàn)象的各個光波波矢之間的某種關(guān)系。

以三波混合為例:w3=w1+w2Dk=k3-k1-k2相位匹配的物理意義相位匹配條件反映了非線性過程對媒質(zhì)折射率的要求。

以倍頻為例：相位匹配問題與材料的色散密切相關(guān)：無色散，無相位匹配問題三波混頻在一般情況下，Dk=k3-k1-k2＝0共線情況：相位匹配的物理意義相位匹配條件下，在非線性媒質(zhì)的輸出端，非線性極化波產(chǎn)生的電磁場能相干極大。

坐標z處的薄片發(fā)射的電磁波在輸出面上的相位與z無關(guān)，為k2L。因此媒質(zhì)所有薄片發(fā)射的電磁波在輸出面上是同相的，相干可達最大。

不同z處薄片發(fā)射的電磁波在輸出端面上相位的不一致，相干引起強度的下降。相位匹配的物理意義相位嚴重失配光波之間的參量非線性耦合消失以諧波為例：耦合波方程可寫成

根據(jù)邊界條件得：

相位匹配相位匹配的意義相位匹配技術(shù)

相位匹配技術(shù)嚴格的相位匹配技術(shù)（PPM-perfectphasematching）準相位匹配技術(shù)（QPM-Quasiphasematching）相位匹配技術(shù)嚴格的相位匹配技術(shù)（PPM-perfectphasematching）準相位匹配技術(shù)（QPM-Quasiphasematching）PPM出發(fā)點：如何滿足相位匹配對折射率的要求實現(xiàn)Dk=0由于材料的色散，滿足相位匹配條件的折射率要求不是普遍存在的，需要采用特殊的技術(shù)：利用晶體的雙折射氣體中的反常色散特性波導(dǎo)中利用模的色散特性（材料＋波導(dǎo)＋模間）討論利用晶體雙折射、氣體反常色散特性進行的嚴格的相位匹配技術(shù)。PPM：晶體雙折射單軸晶體中，傳輸著兩個特定偏振態(tài)的光。其中一個折射率不隨傳播方向而變，其值總是為，一個隨傳輸方向的變化，其值從變化到。雙折射晶體材料中相位匹配技術(shù)的基本思路：如果晶體中存在這樣的傳播方向，使得或：便可實現(xiàn)倍頻過程中的相位匹配。倍頻為例：PPM：晶體雙折射負單軸晶體正單軸晶體

I型相位匹配該匹配方式中，基波只取一種偏振態(tài)：正單軸晶體e偏振態(tài)負單軸晶體o偏振態(tài)所產(chǎn)生的諧波，其偏振態(tài)：正單軸晶體o偏振態(tài)負單軸晶體e偏振態(tài)ooeeeoZXXZPPM：晶體雙折射匹配角

(ee0)(正單軸晶體)(ooe)(負單軸晶體)(正單軸晶體eeo)(負單軸晶體ooe)匹配角的確定：PPM：晶體雙折射負單軸晶體正單軸晶體II型相位匹配基波有兩種偏振態(tài)：o光與e光諧波：

o光正單軸晶體eooe光負單軸晶體oeeZZXXPPM：晶體雙折射II型匹配角的確定：(eoo)(oee)匹配角：(eoo)(oee)

PPM：晶體雙折射溫度匹配熱光效應(yīng)：雙折射晶體材料中相位匹配技術(shù)的另一個思路折射率曲面擴張的快，變化較小結(jié)果：兩個折射率曲面在xoy平面上，可能相切。光波沿xoy平面入射可實現(xiàn)位相匹配。負單軸晶體角相位匹配

一般的情況是：晶體的折射率隨著溫度的升高而增加，但是e光和o光折射率對溫度的靈敏度不一致。PPM：晶體雙折射角度匹配與溫度匹配的簡單比較角度匹配也稱為臨界匹配：對光波的入射角度敏感，稍稍偏離匹配角就會造成相當大的相位失配。溫度匹配對光的入射角敏感性不高，稍有偏離，其變化也是緩慢的，不易失配，所以激光倍頻輸出比較穩(wěn)定。

PPM：晶體雙折射(eeo)

(ooe)

(e00)

(oee)

理論上，溫度匹配的相位失配是角度偏差的二階小量。一般角度匹配，匹配角寬度為左右；溫度匹配可達PPM：晶體雙折射角度匹配存在離散效應(yīng)，存在孔徑長度；溫度匹配下，0光與e光沿同一方向傳播，不產(chǎn)生離散效應(yīng)，所以孔徑長度可無限長；角度匹配適合于正負晶體；且能夠滿足角度匹配要求的晶體較多；溫度匹配對正單軸晶體的適應(yīng)性較弱；滿足溫度匹配要求的晶體較少。正單軸晶體，如果是溫度匹配必須是零度入射，這時晶體的溫度要很高，不實用。能夠?qū)崿F(xiàn)溫度匹配的負單軸晶體，它們的溫度一般在100度以上。PPM:孔徑長度-晶體雙折射負單軸晶體孔徑長度PPM：氣體反常色散氣體中的相位匹配技術(shù)氣體的特點：各向同性

以1.06um激光作為基波通過銣(Rb)蒸汽來產(chǎn)生0.35um的三次諧波為例說明其方法：相位匹配的思路：反常色散，使得Rb蒸汽中

緩沖氣體：正常色散區(qū)調(diào)節(jié)緩沖氣體的密度

利用氣體反常色散帶來的折射率的變化PPMPPM在應(yīng)用過程中的局限性不是所有的固體材料都有雙折射：各向同性有雙折射的晶體也不是都能實現(xiàn)相位匹配；能夠?qū)崿F(xiàn)相位匹配的雙折射晶體，其效率也受到諸多因素的限制：長度，難以利用最大的非線性極化系數(shù)等；不是所有氣體在感興趣的頻率范圍內(nèi)都有可利用的反常特性。上述問題促使人們尋求新的相位匹配理論與技術(shù)QPMKDP晶體的色散曲線

1、如對于負單軸的KDP的倍頻，如果基波波長為0.6328um，取為o光，它的折射率n0界于諧波的兩個主折射率之間，因而可以實現(xiàn)相位匹配。但是當基波波長小于0.5um時，在常溫下，無法實現(xiàn)相位匹配。2、石英晶體的雙折射太小，在任何波長下都無法實現(xiàn)相位匹配相位匹配技術(shù)嚴格的相位匹配技術(shù)（PPM-perfectphasematching）準相位匹配技術(shù)（QPM-Quasiphasematching）QPM：基本思想QPM的motivation：能否采取某種措施讓基波和諧波在第二個相干長度內(nèi)相對相位出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，繼續(xù)呈現(xiàn)相干增長的趨勢。

二次諧波過程，已知：由于存在相位失配，晶體長度為相干長度的時候，轉(zhuǎn)換效率最高；當晶體長度超過相干長度后，轉(zhuǎn)換效率下降。

下降的原因?

輸出的二次諧波強度在輸出端面開始出現(xiàn)相干相消，結(jié)果增加晶體長度，輸出反而下降。QPM典型的方法：在非線性材料上制造出等效極化率系數(shù)正負周期性變化的結(jié)構(gòu)奇數(shù)階張量相聯(lián)系的物理性質(zhì)：如非線性光學(xué)系數(shù)、電光系數(shù)、壓電系數(shù)等(包括所有與奇數(shù)階張量相聯(lián)系的物理常數(shù))，都是大小相同，符號相反（符號由“+”變?yōu)椤?”）。

一般情況下自發(fā)極化方向改變的空間周期與經(jīng)典波波長比擬。這就是所謂的光學(xué)超晶格。選用具有自發(fā)極化的材料，采用某種技術(shù)讓這種自發(fā)極化的方向周期性地改變180°。這等價于第二片材料的張量對第一片的張量而言,其坐標系統(tǒng)繞z軸旋轉(zhuǎn)了180°QPM有效非線性系數(shù)用傅立葉級數(shù)表示

第m階傅立葉分量的光柵波數(shù)

簡單起見，設(shè)：

把它代入三波混合的非線性運動方程并假設(shè)1個傅立葉分量在相互作用波的耦合中起主要作用。

QPM以和頻為例一般利用一階（m=1）準相位匹配

應(yīng)用在二次諧波，其轉(zhuǎn)換效率：QPM實踐證明，鐵電材料是目前實現(xiàn)準相位匹配的最理想材料。所有的鐵電晶體在居里溫度以下都會表現(xiàn)出自發(fā)極化特性，并且能夠在外加電場的作用下，改變晶體的自發(fā)極化方向。常見的用于準相位匹配的周期極化晶體有PPLN(周期極化LiNbO3)，PPKTP(周期極化KTP)、PPRTA(周期極化RbTiOAsO4)及PPLT(周期極化LiTaO3)等。QPM準相位匹配（QPM）的特點：理論上能夠利用晶體的整個透光范圍；可避免空間走離效應(yīng)；可以利用晶體大的非線性系數(shù)LiNbO3結(jié)構(gòu)，有源輸入光和輸出光都能沿同一極化方向，可充分利用其最大的非線性系數(shù)d33，它同雙折射相位匹配(只能利用d31非線性系數(shù))相比，有效非線性轉(zhuǎn)換效率提高了(2d33/pd31)2~20倍；可以設(shè)計成非臨界相位匹配；非線性轉(zhuǎn)換效率高；調(diào)諧方式簡單、多樣：只需在非線性晶體中設(shè)計制備出各種不同周期的疇結(jié)構(gòu)，通過改變極化周期、通光方向和晶體溫度就能十分方便地實現(xiàn)輸出光波長的可調(diào)諧－參量振蕩器的一個新技術(shù)。QPMQPM技術(shù)的進展：目前利用準相位匹配技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了脈沖、準連續(xù)以及連續(xù)光的頻率轉(zhuǎn)換，已從最初實現(xiàn)倍頻發(fā)展到混頻、OPO以及光學(xué)脈沖整形。－軍事、環(huán)境監(jiān)測、勘測等領(lǐng)域得到成功地應(yīng)用。隨