固体光学晶体光学

晶体光学（四）第一部分：单轴晶体的相位匹配1、单轴晶体角度相位匹配的方式2、有效倍频系数；3、影响相位匹配的因素和最优匹配；晶体光学第八讲：光学混频和参量振荡1、复习：相位匹配；2、三波混频效应；3、光学参量放大和振荡；4、光学参量振荡器实验系统；5、非线性光学材料简介角度位相匹配角度位相匹配就是控制光波在晶体中其一特定方向(，)上传播，该方向应满足相位匹配条件。利用折射率面的色散可以很方便的找到这个特定方向。画出了负单轴晶体的基频光折射率面(实线)和相倍频光折射率面(虚线)。其中倍频的e光面与基频的o光面相交于M点。显然OM方向就是满足位相匹配方向.一、单轴晶体相位匹配方式PM方向与光轴夹角m称为位相匹配角。对于单轴晶体以PM为母线绕z轴转360o可构成圆锥面，该圆锥面上任一条母线方向都满足位相匹配条件(如图所示)。1、第I类平行式：指相互作用的两个基频光都是e光或都是o光，耦合成倍频O光或e光。根据单轴晶的正、负光性具体耦合情况有：(1)负单轴晶第I类位相匹配oo-e方式。倍频极化场为负单轴晶体折射率表面相位匹配oo-eno()ne(2)可解得位相匹配角m为(2)正单轴晶第I类位相匹配ee-o方式。其匹配条件倍频极化场为正单轴晶体折射率表面相位匹配ee-one()no(2)可解依得位起相匹远配角m为2、第II类正奥交式辜：指相固互作谅用的本两个百基颁转光分园别是o光和e光耦该合成露倍颇o光(或e光)，具面体耦店合情忙况有顷：(1非)负单刚轴晶跑第II类位历相匹淋配eo膀-e方式其位厕相匹梳配条疑件no()ne(2)负单闲轴晶市第II类位机相匹从配eo党-e方式倍频达极化鹅场为(2孔)正单澡轴晶抵第II类位润相匹这配oe活-o方式其位炼相匹养配条断件正单眯轴晶递体折楼射率网表面梢相位阔匹配oe赔-one()no(2)二、葡三波鼓混频围效应两个睛频率编不同仰的单被色光(1和2)同时戚入射庭到非笔线性瓦光学洗介质劳中产继生和绣频或悦差频坝效应(3六=扶1+厉2)，统拐称为唱三波拆混频梦。为了模实现仿混频码过程饮的有侧效转弱换，陷也必秋须满劫足光在量子糖系统屋的能拿量守弦恒及遗动量蜻守恒箩定律炭，从晒而满娱足如残下关拒系：三波挽混频幼的位习相匹谜配条羽件。桐它适笔合于唐一般嚷的二阴次非烦线性纹过程双的位训相匹恒配条骆件，历如果1=饶2暴=，就飘变成例倍频雪过程眯的位叛相匹讨配条显件，艺或变妻为光倦整流标。单轴绞晶体根的三岔波混叫频位诵相匹冠配方扬式和重条件棚与倍总频过聋程大吧致相盏同。供以和猾颇为豪例，掩假设3=1+2，破3＞2＞1，并且1至3的频膀率范播围内假折射解率具膀有正轻常色汗散、罗则位劲相匹压配方锅式和略条件敲如下紧表：单轴罪晶混停频效贼应的职位相锹匹配瞧角m可由直不同股的位污相匹竹配方称式及危其条霜件求佛出。鹅例如搅，对诞负单授轴晶广体的oo幸-e匹配熄方式在和宜频效路应的净两入拿射光及中至撑少有抢一束求是强既相干拘光(激光)。若1为一肯束强乓激光(称为由泵浦条光)，2是一断个微凳弱的详有待处检测讽的光灿讯号剂，1>议>波2，则将1+奇2辅=选3过程辜称为盼频率晒上转炭换。顺它可粒将远口红外芬光向非上变按频至厌可见口光乃递至紫纷外光胜波段霜。同葱样，静参与凉差颇船过程歼的1和2均为溪激光饮光束桂，3为亚典毫米深波或档远红展外光霸时1-核2粉=数3的差返频过划程称筑为频语率下首转换露。总之晨，利撒用这斗两种崖效应缓可以浴扩展号相干唯辐射认的覆毯盖范葛围；捎还可斩将待行测的渔中远贴红外慰传号寄转换里到可束见光铺区域政，以陡便观筑察与婚测量胞。在差穗频过亩程中痕除了匙产生p-s=i的差羞频i新光君波外蒸，原劲入射屠光波级中的私非泵清浦光(即s光远楚低于郊泵浦瞎光p的弱锣信号沃光)在全具部差伶频过皇程中慌其强至度不池但没纸减小牛，反厚而随扭着差眼频i光波—起增冰大。因此纤，在恨讨论s信号啊光波煎的变涝化规株律时群，可猛认为辨差频庄过程引是对宅非泵壮浦入洋射光皆的光兄放大轻过程庆。习卡惯上允把这探种光樱放大孙过程谈称为偿光参敌量放勤大。三、擦光学据参量法放大剖与振爪荡i称为榆空载为频率.光参上量放诱大过团程需到要满哭足如庆下位般相匹缸配条缎件在光阿参量妄放大蒜过程政中，敏参量余转换揪效率短是很描低的效。为奖了得茧到较欲强的签信号剪光，帜可把黄非线垒性光谎学介校质置帝于光利学谐条振腔胳内，技使s光波主与i光波炼不断功从泵赞浦光拳吸收来能量对而产动生增系益。闹当增绸益一拉旦超趁过腔馆体损寒耗(阂值)时便抄产生袖了振久荡。背这就缝是光东学参拔量振傲荡。屿当增负益达霸到振犬荡阈纹值或怎者说妨当泵倦浦光冈强超崭过一量定阈值时避，才怜有可捆能在立谐振婚腔内莲形成派持续庄的光仍参量谷振荡君。光参板量放骂大与战振荡饱示意皂图(a浮)参量弓降频所变换,(鸟b)参量些振荡锁器四、雀光学熄参量践振荡省器实银验系草统实际坛的光攀学参堡量振懒荡器铅系统礼，一瞧般由柿如下小几个泽部分传组成毙。(1万)非线糕性晶钥体——要求森它们孙具有滤良好愤的光猛学透要过率讲．较惑大的符二次幅非线敲性极漠化系屯数，士折射蹲率随寺外界晓工作额条件掩的变扮化易脉于控俯制，焰以便忆实现必可调粘谐高乒效率址的参蜜量振听荡。(2援)泵浦缓光源——为产臭生光队学参蓝量振完荡，妹必须按有波猜长短散于振肯荡光忌而功杂率较斥强的之激光咽辐射筑作泵腊浦光霞源。(3退)光学瞧谐振摆腔--阔--查-可根窗据要令求和璃实验启条件墨之不客同，纸而分葱别采雾用平绸行平盼面腔涛、平胃凹、竖双凹攀或凹栽凸稳矮定腔棋等形旋式；业组成闹谐振登腔的蹄两个筹反射贼镜应汤该在胸参量鲜振荡肝频率骨内有辞足够锐高反斤射率为，而绣对入浮射泵错浦光菠则具韵有适枕当的阳透过款率。(4扩)位相就配相鲜和调阳谐装涂置--庭--慢--当采手用诸礼如Li净Nb像O3这类勺晶体桃作工心作物贤质时息，为泳实现份位相缸匹配问可使年泵浦货光取血非常仇光方芳式入劳射，童而参痰振光们束则缓为寻茄常光坑。光学明参量贯振荡舞器装谷置原董理图(a简)利用乘激光蜓器输持出之驱二次挽谐波斗辐射朗作泵日浦光而采张用温允度调般谐的量装置惭；图(b烤)利用坝激光狱器本却身的激光还输出您作泵渔浦光旁而采躁用的瞎角度庙调谐造的装鸽置。改变限振荡春频率跃的调袍谐方拥式有摸；①温度才调谐饭：泵府浦光比垂直潮于晶庄体光也轴方驰向入妙射，本改变朴晶体研温度狭，可克以相描应地象改变崖振荡区颇率坝。此石时s和i两频猾率的降振荡刘光束怎在空配间不某分离尊。②角度恨调谐温：当优晶体烂温度剖保持医一定法时，民改变嫩晶体坑光轴与相对肉于泵贝浦光受的入冷射角厕度，夕同样此可改设变振王荡频基率。董此时p、长s和i三种秧频率某的振供荡光异束在做空间德上可傻能出饮现分弃离。②外场用调谐藏：对签非线替性晶殿体施极加外界加直慈流电涝场或孩磁场演，利延用晶街体的市电光抽效应算或磁俭光效讽应使虾其折残射率认发生声改变唱，同赛样可谨以达围到可埋调谐扔振荡骨的目颗的。五、叠非线眯性光吃学材浇料简像介作为腊优质布的倍夸频、床混频香和光籍参量僚放大态与振确荡的障非线娇性光验学材姐料应们满足钓如下孟要求粥：(1球)有较生大的夺二次叔非线骡性光课学系煤数；(2详)在工皱作波买长(或波矮段)有较害高的袍透明点度；(3便)在工洋作波舟长(或波谊段)能实滋现位昼相匹浓配，眨最好远能实撤现最建优位择相匹在配；(4输)有较肝高的凡光损影伤阈量值；(5径)容易余获得相大尺欢寸和既光学卸均匀划性好脸的晶涌体；(6通)硬度汪大，月物理洪化学冈性能捉稳定姨．不腰易潮相解，离便于祸加工饼等。为了促获得闯较好片的倍若频和披混频液效果据，除苦了前拒面介幸绍的贞如何傲实现栏最优腾匹配牵等因罗素外盆，非简线性苗学材恢料的玻质量爷是一绞个关哲键因女素。旺人们恳为寻天求高殊质量朋的非目线性富光学议晶体傅作了卫大量喷的工惩作，神已发砌现具挖有非懂线性瞒光学泊效应伶的晶叠体有茶上千丽种，摩但是诵具有值实际宴应用锻价值汪的或蹲有一俊定应苦用前倡景的殃仅有玩三十醒种。北其原袍因主康要是腔对非困线性尿光学累晶体凉的要照求相谁当苛室刻。实际威上全咬面符遭合上碑述要曲求的邻晶体溪几乎周没有愈，因醒此在栽选择简材料价时根婚据需服要，尤权衡淋利弊裳。采茄用适敢当的鸭晶体勤。附卡表I-泰l0列出冶了目丽前应两用比港较广屠泛的伯一些减非线含性晶侦体。有关能非线魔性光龟学效料应几妇方面快比较意成熟嫌的应垫用、开发展蛾前景某及学悼术意抽义：(1料)利用诵倍频建和混蓝频效蝇应、补可调拿谐光统参量果振荡搂以及右受激洞散射挖等效谨应可椅产生嫩强相破干光汪辐射爸，开牲创了纷产生位新的祖激光敞辐射舟光源筒的物离理途怖径。特它在美许多众实际少工程杀技术流中得球到了艳较成扁熟的警应用剩，人纤们正苗在利跪用这堂种途段径来互填补鲁各类青激光贷器件膨发射堂激光形波长揪的空椅白光查谱区厨。例拴如：①在光介通讯勉技术培中的份应用博。由置于激磨光技愚术的通出现恩，通蛇过非务线性旅光学怪效应怨获得旺的相氧干光忆的频趣带极乐其宽仁广，松使其跪在通岸讯技描术中红由原黑来的眠微波序电缆立同时舒传送纹几十首万路默，到针现在属利用阶激光雅通讯甩的光哑缆可脆同时席传送它数百指万路幅电话尼或几吊千万时套电泽视节座目，欠解决姓了无虎线电难通讯夏的容跃量小狸、频幸带过咽分拥匪挤的卡难题所。②频率离上转防换效甘应在卫红外宁外差炕式探卫测器简上的引应用他。红巾外接这收是颜不可筝见的导低频砌信号(s)和另犯一束解可见忘的强益激光(p)通过组在晶悄体中说混频巾，使晕红外循信号圆频率统上转灭到可贯见光甜频率体，再絮经过菌光放换大等茎过程茂实现摸了对摩红外备信号祥的观捐察和咱探测言。目议前用牢此效鞋应的趴红外状探测谈器已筑得到筒普遍走的应烘用。(2般)非线欣性光羽学的菜研究余成果瞒为光底信息氧处理振提供醒了新夺的方域法和顺新的秤技术锋。例如烂，一施些染惕料在暗高功地率激奏光束源通过侮时发贪生自愉感透冒明效遮应已白被用鬼来设框计时士间很巩短的洪“光急开关彼”。械使用鄙这种Q开关拍的激浪光器之的输乳出功急率可乱提高2—触3个数筑量级凤。又佣如，键光学授双稳出态效迎应的讨激光娱感应麦折射小率变妙化用免于信爽息存笼贮以值及制陵成双贞稳态粮元件(双稳刘态光仍学开泳关、拢光学层“三宝极管化”放婆大元怕件、房诚光学胸记亿既元件围等)；光集学相弃位共猴扼效欣应用石于波惩面畸欠变补耻偿等旷等。垦目前串有些谁成果概已得垂到实蓝际应蜂用。盘对非雾线性们光学嗽的深诞入研特究，卵为集痰成光吹学、惩纤维段光学园、光茄学逻租辑回赵路与晒光学成计算拜机技脆术的苦发展订提供死了有叹关光驳信息弄处理凶与控贺制的段新方乓法和修新技昆术。(3斯)非线棵性光第学研督究的扛学术环价值粱及其钱深远樱的理谜论意押义。通过地强光役与物他质相貌互作留用的匀研究希，可烂以获域得有秤关物罚质的滤组成门、结扭构、善状态赶、能绣量耦机合及律转移膨、各阀种内蜻部变太化动慨力学箱过程逗的重词要信每息。笛这些供信息盛可在丢不同事程度批上分留别反为映出动物质搜的光撒学、满电学浇、磁逼学、腥声学度、力塞学、苗热学搂、化余学、脑生物校学等本方面贱特性困。利怀用强孝激光她的作连用，别可以颜研究父相变宿、超凡导、筐元激纷发、墙液晶直、表给面物蛛理、翅高温联等离荒子体福等方问面的唉问题挥；还廊可以瓦使物勉质按辣人们狼所希策望的互方式般发生在各种际变化折，如群加热勾、致颤冷、绍压缩筛、冲碑击、黑熔化溪、汽吊化、施膨胀蹄、同恶性素贼分离损、光堤聚合醒、可能控化塌学反匠应等自。强光港光学(即非码线性倾光学)本身想就是膊物理粉学基哑础理算论的似发展洲。到唱目前限为止摇虽然朽强光盏光学叛的发厦展尚侍未导缠致与杨近代滥物理横学两佳大支泛柱(相对萄论和练量子酸力学)不相模符合击或抵绳触之程处，淋但并议不排炊除这浴门学巡寿科在侵今后没进一英步的售发展肢中会誉对已净有的板理论汗基础染产生贴新的法冲击泄的可柏能性诊。例气如，炉目前突在处猴理光校与物痕质作两用的铃量子训力学针或量绘子电限动力待学理街论中桐，仍桃然是历基于余入射你光对软原子耕的作方用是少弱微暮扰这励样一烛种前扩提，任而采钓用数会学上晴的微狠扰近钱似加鸦以处搂理。刺如果班说这挽种近本似处尝理对坐弱光球作用报是基点本适脾合的蚂话，酱那么将它对晕强光鞋和超柱强光至作用吓是否司仍然减适用?这显狸然是似一个法问题乔。又飘例如摆，在弱强脉氧冲激勾光的违自聚甩焦效枕应和姻自感拒透明叹效应编中曾突发现置运动届的焦死点的卷超光积速运别动和坟增益痒介质闷中自概透明押脉冲码的超洒光速们运动祥。对缘瑞这些话新问途题进记行深娱入研纷究，民有助旧于加抛深对愤狭义科相对顷论已壳有结婶论的奔认识管和理孕解。恋目前件，关曾于利套用激枝光检峡测横叉向多L勒效红应，篮探测棋引力控波、码加速苗粒子作，研订究真覆空中吃光子预散射纤、天盛体黑减洞，顾验证甘广义吧相对垫论效孙应等就可能半的讨门论性略和探江索性改工作拴正在略进行日之中铜。作业府题：1、说胳明非堂线性老光学袭效应酷和传持统光筑学效冬应的敢主要肤区别掠。2、什妈么是牺二次寒极化踩波?什么奇是二伶次谐睬波?二次村谐波泽是怎贫样产变生的?3、什嫩么叫葵位相勒匹配乓？从遵原理性出发厚说明证不满详足位啦相匹飘配条叨件、园非线强性极迈化的峰光学烛效应饿就不塞可能康在晶躁体中主稳定茎地产拿生?4、单卸轴晶质的位江相匹息配方踩式有籍哪几墙种?写出歌第1类匹甲配方梅式和剑倍频颠极化羡场的男矢量屡式及还匹配忽条件刺，并丘用折限射率忍面画许出第I类匹壮配正组、负给单轴周晶的皮匹配耽方式壮。5、一伴参量灶振荡坐器1＝1u变m，2＝1u逼m，3＝o．5F讯m。如华果其邪中有萍两个e光和膝一个o光，铺那么但在信武号、背空闲敞和泵衔浦光测中你牢将怎万样选贯择?试分笑析位副相匹淋配条协件。晶体灿光学(四)第二模部分需：光葬学混仆频和嘉参量提振荡1、三翠波混强频效瞒应；2、光谣学参赏量放誓大和倘振荡嚼；3、光脸学参法量振毫荡器请实验牌系统循；4、非狐线性戒光学箩材料泄简介一、帆有效苗倍频娱系数单轴垮晶体欺的位终相匹琴配方宣向虽拔然只量由m决定治，与径方位敌角无关屿，但仍可俗影响驳倍频艳光的万极化巴强度络。称为磁有效鸡倍频备系数假设游基频拍光的社波法钻线方繁向(k病//巷PM耐)与光裤轴x3夹角玻为，方袜位角邀为，则基蛮濒o光的烧电矢祖量Eo()在x1x2平面脖内，津且垂软直于x3和PM决定洋的平企面方荣向振膀动；怜而基犁频e光的抽电矢柜量Ee()在x3和PM所在童的平筋面内责垂直望于PM方向视振动孤。由搞图知狱，基吸频光误的光攻波电受场分须量为:由于净倍频展光的歼波法既线方译向仍坦为PM方向汪，因乒此倍垃频o光平滔行基向频o光，坛倍频e光平格行基茂频e光)。各仆基频腥光电热场分艇量将隔以不应同的淡匹配晃方式渡耦合寨成倍槽频极狡化场桑。1、对良于负意单轴汗晶的坛第I类位心相匹腹配oo嫁-e方式2、对脖于正坛单轴宽晶的土第I类位每相匹攀配ee洋-o方式3、对承于负摩单轴网晶的间第II类位坦相匹宗配eo劣-e方式4、对欲于正灭单轴冲晶的剩第II类位眠相匹悄配oe绣-o方式考虑坝到倍惜频极临化强百度P(缸2)是其首相应藏各分仪量合弱成结供果:因为aibjbk和biajbk矩阵鼻形式甚相同嗓记为秋：因为biajak和aiajbk矩阵辽形式沃相同拒记为5、负淋单轴时晶体KD私P(42m愚)晶类oo她-e时F2的计积算：F2由最沉大值秆。6、负筑单轴剂晶体KD外P(42m恨)晶类狠第二挡类相传位匹彼配时F1的计坏算：根据城表可测得出遗许多欧有意愤义的何结果切。例赛如，62含2晶类贿和42蝇2晶类睛的F函数笋全部旨为零钓，说娇明这脸两种到晶类祥不会痰产生板倍频轻效应收；晶吹类5m缸m，6，4m弄m仅有F20，说芹明该脚晶类蔽的负歇光性婆晶体形只能适实现针第1类位尼相匹桨配，拼而正横光性李晶体筋只能融实现厨第II类位污相匹冬配。二、糠影响珠相位透匹配别的因鸟素和芬最优申匹配峰；1、倍侮频作增用长仙度在小爸信号钱系统事允许抖忽略菌基频莲光强帝因SH轰G(二次庄谐波)而衰咽减的情冒况下液。倍哨频光热强与k的关醋系为:基频翻光在劲介质推中不恳同小匀区域伏内诱叠发的破倍颇凑极化障场而沙辐射首的倍纹频光烘强度I(具2)将是城沿l方向虽呈周弟期性风变化貌。式中o为真泳空中工的波灵长。lc的物疯理意壮义为箭：当冻基颇抓光射置入晶太体后葱，每裹经过lc的距醉离时愈，倍猴频光板强就唉会出唤现一按次最糠大值饶。即在判位相龟匹配习条件焰满足塑时，堪如果截入射般基频娃光强统度和权有效累倍颇妇系数满一定顿．则宴倍频漆光强踩度与议基频劫光在伟晶体哥中的撒穿透智深度l2成正渐比。果因此lSH聋G大