毕业论文-aggase2晶体的非线性光学数值分析管理资料

各专业完整优秀毕业论文设计图纸AgGaSe2晶体的非线性光学数值分析物理与电子信息学院物理学（师范）专业2007级指导老师：摘要：。根据非线性光学原理，较完整的对AgGaSe2晶体的光学震荡参数进行了数值分析，我们可以知道AgGaSe2晶体属于负单轴晶体,它是一种多功能晶体，它具有非线性光学性质，其非线性光学系数较大，而且能够实现非临界相位匹配，但由于这种晶体的抗激光损伤阈值较低，从而大大的减小了它的二次谐波发生的转换效率。然后计算得到在一定的泵浦光波长下，AgGaSe2晶体的角度调谐曲线和在温度20℃时AgGaSe2晶体折射率色散关系图、允许失配角、有效长度。其结果会对AgGaSe2光学参量研究具有一定参考价值。关键字：AgGaSe2晶体；非线性光学；数据分析AgGaSe2nonlinearopticalcrystalofnumericalanalysisLipinsiPhysicalandelectronicinformationcollegephysicsGrade2007Instructor:zengtixianAbstract:Accordingtononlinearoptics,andmorecompletenumericalanalysisontoshockparametersCrystalsofAgGaSe2,surelyinthisessay,AgGaSe2crystalisNegativeuniaxialcrystal.Itisamulti-crystal.Ithasnonlinearopticalproperties,itslargenonlinearopticalcoefficient,andtoachievenon-criticalphasematching,butbecausethecrystalswithlowerresistancetolaserdamagethreshold,andthusgreatlydecreasingtheErCiitharmonicwaveconversionefficiencyoccur.ThencalculatedthepumpmodulationincertainwavelengthsAgGaSe2crystals,theAngleofthetemperaturecurveandattuneAgGaSe2crystalrefractiveindexwhen20℃,allowingdispersionrelationgraphsupporting,effectivelengthlost.

theresultsofopticalparametersofAgGaSe2willhavesomereferencevalue.Keywords:AgGaSe2crystalsNonlinearopticalDataanalysis目录摘要…………1ABSTRACT……………………1第一章绪论………………3非线性光学的发展……………………4AgGaSe2晶体的发展和应用……………4…………………5第二章AgGaSe2结构及物理属性……5AgGaSe2晶体结构……………………5AgGaSe2物理属性……………………8常用非线性光学晶体及其主要特性参数………8AgGaSe2的基本特性参数………10第三章AgGaSe2晶体的非线性光学参数分析………12非线性光学基础………12二阶非线性光学效应…………………13非线性极化系数………14相位匹配及实现方法…………………15相位匹配角……………18…………………21………22最优位相匹配…………23参考文献……………………24致谢…………24绪论非线性光学是一门介于基础与应用之间的学科，随着实验与理论的深入，它几乎在所有的科学领域中都获得广泛的应用。近年来，随着科学技术的飞速发展，许多高新技术领域广泛应用了晶体的多重属性，尤其在光电子技术中，晶体的应用又开拓出一代全新的光电子产品。晶体光学作为近代光学的一个重要分支，越来越显示出它的重要性和广阔的应用前景。非线性光学是探讨在极强激光光场作用下所发生的现象，是继强激光器件发展之后开拓的最活跃的研究领域之一。非线性光学是一个非常年轻的物理学领域，它论述在光强很高的激光束作用下所发生的现象，它也只是在强激光器发展起来后才有可能开拓的令人最感兴趣的研究领域之一。现在，非线性光学领域仍处于迅速发展阶段，随着激光技术和非线性光学的发展，从事这方面工作的科技人员中愈来愈迫切地希望对晶体中光波的传播过程有一个全面系统的了解，在研制激光非线性光学复合功能晶体材料时，对于作为激光基质的晶体来讲，应具备下列条件：(1)要具有较大的非线性光学的系数；(2)激活离子最好是晶体本身组成之一；或以取代方式进入基质晶体晶格座位，这样便可以保持晶体的光学均匀性，同时也可提高掺入的激活离子的浓度；(3)激活离子进入晶格后，不改变原有基质晶体的结构特点，同时尽可能使激活离子之间的间距增大，以避免发生浓度淬灭；(4)基质晶体的对称性不应太低，以便有利于激光基频光在相位匹配方向上实现自倍频效应，同时也使晶体易于加工。AgGaSe2晶体的发展和应用AgGaSe2(AGSe)已被证明是CO2激光倍频最有效的晶体材料，还同时具有三波非线性作用(OPO)的优良性能。,。采用目前成熟的激光泵浦，AGSe的OPO呈现宽阔的红外可调谐性能。用Ho:;;早在1982年,就已经实现了脉冲CO2激光的有效倍频;上述系统的输出波段还可以用和频或差频混频的方法(SF/DFM)予以扩充。还可以用来红外参量振荡器，：：YLF泵浦激光时，。，脉冲能量超过3Mj,峰值功率接近100kw，转化效率达18%，，最佳设计的光参量振荡器，。AgGaSe2晶体具有足够大的双折射率，同时满足3个频率的相位匹配，，对3-18μm范围内的混频信号实现相位匹配。因此这种材料是制作红外混频器的极好材料之一AgGaSe2晶体可以用来制作红外远程测距仪，他是一种在激光通讯和军事技术等方面有广泛用途的红外非线性晶体。根据非线性光学原理和双折射色散关系，对AgGaSe2晶体参数进行数值分析，推导出相位匹配角的理论公式，并利用相关软件编程得到在一定的泵浦光下，AgGaSe2晶体的角度调谐曲线。由于晶体中的离散效应导致光波存在一定的走离角，导致位相失配，使得光波的互作用长度下降，因而需要计算晶体的有效长度。另外，非平行光束也会引起相位的失配，为此需计算与光束发散相关的相位匹配允许角。AgGaSe2结构及物理属性AgGaSe2晶体结构AgGaSe2晶体是一种Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2族三元化合物半导体，黄铜矿结构，42m点群。AgGaSe2物理属性常用非线性光学晶体及其主要特性参数下表列出了一些比较常用的频率转换非线性光学晶体及其主要特性参数，它们在性质上各有千秋。如KDP晶体易于生长，KTP的非线性系数高，AgGaSe2晶体的透光波段宽，而CLBO具有优良的紫外激光倍频性能等等。一些比较常用的频率非线性光学晶体及其主要特性参数（）所示，一些比较常用的频率转换非线性光学晶体及其主要特性参（）所示，相对非线性光学系数()（）所示：一些比较常用的频率非线性光学晶体及其主要特性参数 晶体简称透光波段（）最大非线性系数()KDPd36=LId15=LNd15=BBOd11=LBOd32=CLBOd36=KNd33=21d36=33KTPd33=12一些比较常用的频率转换非线性光学晶体及其主要特性参数晶体光损伤阀值潮解情况16潮解2-3潮解不潮解10弱潮解26弱潮解26弱潮解不潮解不潮解不潮解相对非线性光学系数()晶体波长（）折射率Te=1298ADP===10=75=76=173=472AgGaSe2的基本特性参数我们一般采用熔体温度振荡法合成高纯单相致密的AgGaSe2晶体，并对传统的布里奇曼方法进行了改进，在两区域立式炉中用坩埚旋转下降法生长出AgGaSe2单晶体下面列出AgGaSe2晶体的一些基本特性参数。AgGaSe2基本特性（）所示晶体结构四方42m单元参数a=c=熔点860oC吸收率＜密度光学均匀性~16μmAgGaSe2晶体的光学特性（）所示透明范围~12μm1064nm的折射率ne=no=ne=no=ne=no=损坏阀值20-30(150ns)非线性光学系数Χ=76AgGaSe2晶体体相位匹配角的理论值和实验值（）所示InteractionWavelengths[]Θpm[deg]Θ3[degSHG,o+oe++AgGaSe2晶体的激光损伤阀值（）所示（）（ns2335353030<20-3050501801803075150第三章AgGaSe2晶体的非线性光学参数分析非线性光学基础光与物质相互作用的全过程，可分为光作用于物质，引起物质极化形成极化场以极化场作为新的辐射源向外辐射光波的两个分过程。原子是由原子核和核外电子构成。当频率为ω的光入射介质后，引起其中原子的极化，即负电中心相对正电中心发生位移r，形成电偶极矩（）其中，e是负电中心的电量。我们定义单位体积内原子偶极矩的总和为极化强度矢量P，（）N是单位体积内的原子数。极化强度矢量和入射场的关系式为（）其中,分别称线性极化率，二级非线性极化率、三级非线性极化率…，并且在一般情况下，每增加一次极化，值减少七八个数量级。由于入射光是变化的，其振幅为E＝E0sinωt，所以极化强度也是变化的。根据电磁理论，变化的极化场可作为辐射源产生电磁波——新的光波。在入射光的电场比较小时（比原子内的场强还小）等极小，与成线性关系为。新的光波与入射光具有相同的频率，这就是通常的线性光学现象。但当入射光的电场较强时，不仅有线性现象，而且非线性现象也不同程度地表现出来，新的光波中不仅有入射地基波频率，还有二次谐波、三次谐波等频率产生，形成能量转移，频率变换。这就是只有在高强度的激光出现以后，非线性光学才得到迅速发展的原因。二阶非线性光学效应虽然许多介质都可产生非线性效应，但具有中心结构的某些晶体和各向同性介质（如气体），由于（）式中的偶级项为零，只含有奇级项（最低为三级），因此要观测二级非线性效应只能在具有非中心对称的一些晶体中进行，如KDP（或KD*P）、AgGaSe2晶体等等。现从波的耦合，分析二级非线性效应的产生原理，设有下列两波同时作用于介质：()()介质产生的极化强度应为二列光波的叠加，有()经推导得出，二级非线性极化波应包含下面几种不同频率成分：（）（）（）（）（）从以上看出，二级效应中含有基频波的倍频分量（2）、（2）、和频分量（+）、差频分量（–）和直流分量。故二级效应可用于实现倍频、和频、差频及参量振荡等过程。当只有一种频率为ω的光入射介质时（相当于上式中＝＝），那么二级非线性效应就只有除基频外的一种频率（2）的光波产生，称为二倍频或二次谐波。在二级非线性效应中，二倍频又是最基本、应用最广泛的一种技术。第一个非线性效应实验，就是在第一台红宝石激光器问世后不久，。，从而满足了水下通信和探测等工作对波段的要求。当≠时，产生＝＋的光波叫和频。如入射的光波分别为和2，和频后得到3，3＝＋2（注意，它数值上等于三倍频，但不是三倍频非线性效应过程）非线性极化系数非线性效应系数是决定极化强度大小的一个重要物理量。在线性关系中对各向同性介质是只与外电场大小有关而与方向无关的常量；对各向异性介质，不仅与电场大小有关，而且与方向有关。在三维空间里，是个二阶张量，有9个矩阵元dij，每个矩阵元称为线性极化系数。在非线性关系中，是三阶张量，在三维直角坐标系中有27个分量，鉴于非线性极化系数的对称性，矩阵元减为18个分量，在倍频情况下（）P和E的下角标x，y，z表示它们在三个不同方向上的分量。鉴于各种非线性晶体都有特殊的对称性，就像晶体的电光系数矩阵一样，有些dij为零，有些相等，有些相反。因此无对称中心晶体的dij，独立的分量数目仅是有限的几个。例KDP（或KD*P）晶体，有（）其中d14＝d25，在一定条件下，还可以有d14＝d36。又如铌酸锂晶体，有（）其中d31＝d15。查阅有关资料，可得它们的具体数值。实际工作中，我们总是希望选取dij值大，性能稳定又经济实惠的晶体材料。相位匹配及实现方法极化强度与入射光强和非线性极化系数有关，但是否只要入射光足够强，使用非线性极化系数尽量大的晶体，就一定能获得好的倍频效果呢？不是的。这里还有一个重要因素——相位匹配，它起着举足轻重的作用。实验证明，只有具有特定偏振方向的线偏振光，以某一特定角度入射晶体时，才能获得良好的倍频效果，而以其他角度入射时，则倍频效果很差，甚至完全不出倍频光。根据倍频转换效率的定义，倍频效率与的关系图中可看出，要获得最大的转换效率，就要使L∙∆k/2＝0，L是倍频晶体的通光长度，不等于0，故应∆k＝0，即()就是使()和分别为晶体对基频光和倍频光的折射率。也就是只有当基频光和倍频光的折射率相等时，才能产生好的倍频效果，式（）是提高倍频效率的必要条件，称作相位匹配条件。由于，，和分别是基频光和倍频光在晶体中的传播速度。满足（）式，就是要求基频光和倍频光在晶体中的传播速度相等。从这里我们可以清楚地看出，所谓相位匹配条件的物理实质就是使基频光在晶体中沿途各点激发的倍频光传播到出射面时，都具有相同的相位，这样可相互干涉增强，从而达到好的倍频效果。否则将会相互削弱，甚至抵消。实现相位匹配条件的方法。由于一般介质存在正常色散效果，即高频光的折射率大于低频光的折射率，如大约为数量级。。但对于各向同性晶体，由于存在双折射，我们则可利用不同偏振光间的折射率关系，寻找到相位匹配条件，实现。此方法常用于负单轴晶体，下面以负单轴晶体为例说明。图2中画出了晶体中基频光和倍频光的两种不同偏振态折射率面间的关系。图中实线球面为基频光折射率面，虚线球面为基频光折射率面，球面为o光折射率面，椭球面为e光折射率面，z轴为光轴。X1PM方向ʘmn1n，n2n2，O负单轴晶体折射率球面折射率面的定义：从球心引出的每一条矢径到达面上某点的长度，表示晶体以此矢径为波法线方向的光波的折射率大小。实现相位匹配条件的方法之一是寻找实面和虚面交点位置，从而得到通过此交点的矢径与光轴的夹角。图中看到，基频光中o光的折射率可以和倍频光中e光的折射率相等，所以当光波沿着与光轴成θm角方向传播时，即可实现相位匹配，θm叫做相位匹配角，θm可从下式中计算得出()相位匹配角是指在晶体中基频光相对于晶体光轴z方向的夹角，而不是与入射面法线的夹角。为了减少反射损失和便于调节，实验中一般总希望让基频光正入射晶体表面。所以加工倍频晶体时，须按一定方向切割晶体，以使晶体法线方向和光轴方向成θm，。zʘ基频光W晶面法线晶体非线性晶体的切割以上所述，是入射光以一定角度入射晶体，通过晶体的双折射，由折射率的变化来补偿正常色散而实现相位匹配的，这称为角度相位匹配。角度相位匹配又可分为两类。第一类是入射同一种线偏振光，负单轴晶体将两个e光光子转变为一个倍频的o光光子。第二类是入射光中同时含有o光和e光两种线偏振光，负单轴晶体将两个不同的光子变为倍频的e光光子，正单轴晶体变为一个倍频的o光光子。单轴晶的相位匹配条件相位匹配正单轴晶负单轴晶第Ⅰ类匹配方式匹配条件第Ⅱ类匹配方式或或匹配条件或或相位匹配的方法除了前述的角度匹配外，还有温度匹配，这里不作细述。在影响倍频效率的诸因素中，除前述的比较重要的三方面外，还需考虑到晶体的有效长度Ls和模式状况。图4为晶体中基频光和倍频光振幅随距离的变化。如果晶体过长，例L>Ls时，会造成倍频效率饱和；晶体过短。例L<Ls，则转换效率比较低。Ls的大小基本给出了倍频技术中应该使用的晶体长度。模式的不同夜影响转换效率，如高阶横模，方向性差，偏离光传播方向的光会偏离相位匹配角。所以在不降低入射光功率的情况下，以选用基横模或低阶横模为宜。晶体中基频光和倍频光振幅随距离的变化相位匹配角一般说来，只有双折射比较大的而色散又比较小的晶体，才有可能实现相位匹配，特别是Ⅱ类相位匹配，负单轴晶体大多能满足相位匹配条件。AgGaSe2为负单轴晶体()。根据非线性光学理论，实现Ⅰ类相位匹配（o+o→e)的条件为：式中和分别是基频o光和倍频o光的折射率；为倍频e光的折射率。AgGaSe2晶体感应折射率椭球方程为：（）在透光波段（），AgGaSe2的折射率色散方程为：()式中，λ为光波波长，A,B,C,D,是晶体Sellmeier系数。将20℃下的Sellmeier系数带入上式，可得：（）（）利用Matlab软件作图所得20℃时AgGaSe2折射率光波波长曲线图（）可得其色散曲线，如图所示。AgGaSe2晶体折射色散关系（20℃）折射率与已知，则任意角方向上的e光折射率的表达式为：（）由负单轴晶的Ⅰ类相位匹配条件，可得：（）单轴晶相位匹配条件下的晶体取向由于，，能够预先测定，由式（）可以计算出角的大小为：（）在三波混频过程中，对应的波矢分别为、、，要想在非线性光学介质的众多非线性光学过程中保证和频或差频的产生，必须使这些光学光轴ʘmk单轴晶相位匹配条件下的晶体取向过程满足相位匹配条件：。根据共线条件下的动量守衡公式：（）根据波矢量的定义（）式中，是频率为光波折射率，为光波在真空的传播速度，为光波的单位波矢量。根据（）和（）两式的关系，可求得（）其中n为相互作用的三波折射率,下标p为泵浦光，s为信号光，i为闲频光。三波互作用还应满足能量守衡：（）再根据折射率关系（）式，还有负单轴晶体第一类匹配条件可知，信号光为e光，泵浦光与闲频光均为o光，则有：（）结合，可得AgGaSe2光参量振荡的相位匹配角：得到负单轴AgGaSe2的Ⅱ类相位匹配角与波长之间的调谐曲线，如图（）所示。AgGaSe2的Ⅱ类相位匹配角与波长之间的调谐曲线在各向异性晶体中，沿波法线方向传播的光具有两束不同偏振方向（o光与e光）的光，它们的能量的传播方向是分离的。只有当波法线的方向平行于主轴时，两束光的能量传播方向才会一致。在一般情况下，非常光波（e光）的传播方向会偏离波线方向（矢量不平行于矢量）。在光参量振荡过程中，总有非常光（e光）参与，由于双折射效应，非常光的传播方向将偏离寻常光（o光）的传播方向，形成一离散角，。虽然光束具有一定的截面，但不能使与在整个路程上完全重叠，故原来共线传播的泵浦光和参变光经过一定的距离就会分离开，因不能相互作用而使参变光的转换效率降低，这种效应称为光孔效应。因此,在光参量振荡过程中,由于光孔效应使得抽运光和参变光的互作用长度（即有效长度）小于晶体的纵向通光长度,降低了参变光的转换效率。因此,在实际的应用过程中应考虑走离角的影响,以保证光波的互作用长度大于或等于晶体的长度。光波走离角示意图在单轴晶体中,o光的走离角为0°，e光的走离角为：（）当实现第Ⅰ类相位匹配角为。结合式（）计算可得走离角。由以上结果可以看出，AgGaSe2单晶体在第Ⅰ类位相匹配条件下的走离角是很小的。由（）式可知，在满足非临界相位匹配条件（90°）时，。e光的传播方向与光线方向一致，不存在光孔效应，但是这样的匹配在常温下很难实现。由走离角可进一步计算晶体的有效长度：相位匹配允许角在光参量振荡调谐过程中，只有当参变光波沿相位匹配角方