相位匹配理论

相位匹配理论一、传统激光器件的优势及不足之处二、非线性光学相位匹配理论三、非线性光频转换应用列举四、非线性光频转换实验录像演示五、思考问题一、传统激光器件的优势及不足之处

优势1、相干性极好（时间相干性好（

～10-8埃），相干长度可达几十公里。）2、空间相干性好（有的激光波面上各个点都是相干光源。）3、方向性极好（发散角～10-4弧度）4、脉冲瞬时功率大（可达～1014瓦）5、亮度极高不足：波长无法进行连续调谐类型名称工作物质波长(μm)激励方式特征气体激光器原子He-NeHe-Ne0.6328气体放电广泛分子CO2CO210.6气体放电高功率输出N2N20.3371气体放电无谐振腔离子Ar+Ar+0.4880气体放电常用作泵浦源He-CdHe-Cd0.4416气体放电固体激光器红宝石Cr3+－Al2O30.6943光泵浦应用广泛，可得到高功率输出Nd3+－YAGNd3+－YAG1.06光泵浦钕玻璃Nd3+1.06光泵浦液体激光器染料染料0.32激光泵浦波长可调半导体激光器GaAs/GaAlAsGaAs0.85电流注入短波长通信InP/InGaAsPInP1.30电流注入长波长通信二、非线性光学相位匹配理论1、非线性倍频转换效率表达式：其中：ΔK为波矢失配相位失配：由于，通常，利用双折射，选择

与基波及倍频波的偏振方向有关，选择2、相位匹配原理两类匹配方式I类匹配，两个低频波取同偏振（

o光或

e光）II类匹配，两个低频波取正交偏振（一个o光，一个e光）以负单轴晶体为例（

）KDP(KH2PO4)磷酸二氢钾LN(LiNbO3)铌酸锂波矢面的特点：又称折射率曲面，k方向上k

或n

的大小。

与无关，球面；

与无关，旋转椭球无论或，正常色散

折射率椭球：偏振方向上折射率大小zyI类匹配，基波取同偏振o光k(I)

与的交点决定k(I)和；满足的所有方向都满足相位匹配，是一个圆。由解出：zy考虑色散曲线

随频率（波长）变化，以曲线A为代表；也随频率（波长）变化，同时随变化；时，与曲线A重合；时，下移到曲线B。对于负单轴晶体I类匹配，要求，从作水平线，找到；曲线A、B之间为匹配区，只要，总可以找到匹配点。

曲线A:o光折射率

曲线B:e光主折射率II类匹配，基波取正交偏振的两个波（仍以负晶体为例）相同的

等效于基频双折射减少zy

k(II)对于正晶体（）I类：II类：思考：对于负单轴晶体，倍频光能不能是o光？同样，对于正晶体，倍频光能不能是e光？3、相位匹配角宽度以上讨论仅限于理想平面波，实际中由于光路调整偏离；（即使是理想平面波）坡印廷矢量偏离；（和偏离）高斯光束发散；偏离波矢匹配条件使倍频效率降低，问题：偏离角允许多大？判据：求出允许的的范围将在附近展开：判据相位匹配理论内容小结

选择选择两类匹配方式I类匹配，两个低频波取同偏振（o光或e光）II类匹配，两个低频波取正交偏振（一个o光，一个e光）偏离最佳匹配角三、非线性光频转换应用列举鉴于全固态蓝色激光光源的广泛应用领域，使得该波段激光器的研制成为目前国际激光波段扩展的一个重要方向。1、实现全固态蓝色激光光源的途径：(1)直接发射蓝光的激光二极管；直接发射蓝光的半导体激光器，具有结构简单、使用方便、电-光转换效率高等优点。能够直接发射蓝色激光的LD一直受到人们的关注。但由于半导体材料本身的缺陷难于克服，使得蓝色激光二极管的发展相对缓慢，与实用化之间还有一段距离。

(2)LD直接倍频蓝光激光器通过二次谐波(SHG)将LD的红外输出直接倍频而得到蓝色激光的方案，能够实现高的光-光转换效率。它要求LD不仅能够输出较高的激光功率，而且还必须实现单管、单频运转。因此，采用电学边带压缩或光学反馈压缩等技术，通过外腔加强的办法，改善LD光束质量、压缩其发射线宽，相干公司正利用此项成果开发用于光存储的商品。

（3）LD泵浦非线性转换蓝光激光器利用了LD发射谱线能够很好地与Nd3+、Cr3+等激活离子的吸收带相匹配，并通过倍频、和频等方法来得到高转换效率的蓝色激光输出。

2、蓝色激光器的应用简介(1)彩色激光显示

高亮度的蓝色激光系统完全可以和发展相对成熟的红色LD、内腔倍频的全固化绿激光器一起，作为彩色显示的全固体标准三基色光源。这种新型的低功耗、长寿命、高光束质量的激光光源，不仅效率高(与荧光光源相比)，而且更加忠实于自然光，能够消除白炽光源产生的黄影和荧光光源产生的绿影，实现三基色的平衡。

(2)高密度光存储

与目前常用作光源的780nmLD相比较，蓝色激光的优点是波长短，光点面积小，若再利用存储介质对短波长激光更加敏感的特点，采用新的编码技术，则可以提高存储密度近1个量级。按目前的蓝光光盘计划，可以在一张12cm的光盘上实现27GB的存储量，它是现有技术的六倍，可以实现所有数字信息的存储（包括音频、视频、电视、照片等应用）。(3)数字视频技术

全固体蓝激光器最令人鼓舞的应用是用作数字视频领域中CD－ROM、CD及DVD等的光源。据东芝公司多媒体实验室的Akito

Iwamoto宣称，预计于2005年推出以蓝激光为光源的只读数字视盘(DVD－ROM)，在适当改善光学系统数值孔径和数字处理电路的性能后，其容量能够达到目前以635nm红光LD为光源的CD－ROM的7倍以上。(4)海洋水色和海洋资源探测

400～450nm之间的蓝色激光光源是感知系海洋水色的有力武器，可用于探测海洋渔业资源。

5)激光制冷

蓝色激光可用于捕获和阻尼铯原子的热振动，消除因热振动而引起的多普勒加宽，为光谱线的精确计量提供保证。

此外，全固态蓝色激光光源还有望在数－模转换器件、激光和刷术、激光医学、生化技术、材料科学和光通信等许多领域得到广泛的应用。

四、非线性实验