激光倍频与参量放大

第二章激光谐波技术•2.1非线性光学效应•2.2激光倍频与相位匹配技术•2.3激光参量放大与振荡讨论：△k=0倍频信号最强Dk=k2-(k1+k1)=0（相位匹配条件）sin(d/2)kDπ-π2π-2π-3π3π222sin(/2)[]/2sIdkMkdIdkDD△k≠0，若△kd/2=π时下降到零。定义：dc=π/△k为相干长度。如何实现相位匹配？2/dkDωω2ωω2ω2ωdxLXX3、相位匹配技术即：将基频光以特定的角度θ和偏振态入射到倍频晶体，利用倍频晶体本身的双折射效应抵消色散效应，可实现相位匹配的要求。为此要补偿介质中必然存在的色散效应，发明了角度相位匹配方法。能量守恒：112112hhh动量守恒：112kkk2由波矢与相速度关系k=ω/V，得：在2kω=k2ω时，有Vω=V2ω而Vω=c/nω,V2ω=c/n2ω，则必须满足：nω=n2ω（无色散）表明在倍频晶体中，1）基频光波和倍频光波的等相位面具有相同的速度，保证了相位关系在整个运动过程中始终不变。2）是一种与空间坐标无关，并且相位差恒定的相干过程，倍频光波将得到同步叠加、干涉增强。I型匹配：正单轴晶体负单轴晶体)(1E1()E2(2)Eeeeoooee-o21oennθoo-eθ21eonn221(2)()nn按基频光电场偏振态的配置方式分：平行式（I型）和正交式（II型）。II型匹配：eo-ooe-e2112eoennn正单轴晶体负单轴晶体)(1E)(1E2(2)Eoeeeooθθ2112ooennn2)()()2(2112nnn上述匹配由于其匹配方向对角度很敏感，故称为角度匹配。其实现方式有以下两种：1)腔外倍频：2)腔内倍频：结论：正常色散造成的失配在以上方式所引入的双折射效应中得到补偿，从而达到相位匹配的目的。相位匹配的方法：1)角度匹配：I型、II型2)温度匹配1）角度相位匹配角度相位匹配就是使参与非线性相互作用的光波，在非线性介质的某个特定方向上传播，该方向上基频光和倍频光波的折射率相同。引入倍频离散效应（光孔效应）由于双折射效应，o光和e光的光线在传播方向上不可避免地要产生分离。倍频离散效应将给倍频效应带来负面影响：1）光斑拉长后造成功率密度降低，而导致倍频光的输出特性变差；2）导致倍频转换效率降低。即:在θ=90°时，匹配对角度不敏感，且无双折射，不产生离散。通过温度调节晶体折射率可得：n2e(90°)=n1oθn2en1o22）温度匹配为了克服倍频离散效应，可采取另一种相位匹配的方法—温度相位匹配。这种实现方向上的相位匹配方法，称之为温度匹配，也称为非临界相位匹配，实现90°相位匹配所需的温度，称为相位匹配温度。在非临界相位匹配条件下，倍频离散效应不再存在。d激光22光电倍增管滤色片非线性晶体入射激光和非线性晶体光轴之间的夹角当夹角满足相位匹配时，输出倍频光入射激光基频倍频主要由以下三部分组成:1）产生基频光的激光器；2）倍频晶体；3)相位匹配系统。光学倍频实验系统倍频工作物质的选择：必须满足以下条件:1）宽的透明波段（应对基频光和倍频光透明）;2）具有较大的非线性极化系数；3）适当的双折射（能以一定的方式实现相位匹配）;4）较高的抗光强损伤的能力（一般1MW/cm2）;5）稳定的物理化学性能。光学倍频系统原理光路：2.3激光参量放大与振荡1、基本概念两束不同频率的光（ωp、ωs）入射到非线性晶体上，将产生频率不同的极化行波（ωi）。如果极化行波在晶体中传播的速度与电磁波自由传播的速度相同，将引起累计增长。将这两束入射光称为“泵浦光ωp”和“信号光ωs”，所产生的光定名为“伴生光ωi”。在适当条件下，伴生光（ωi）与泵浦光（ωp）混合在一起，产生具有信号频率的极化行波（ωs），其相位加强了信号光。当信号光和伴生光都得到加强、泵浦光则随着在晶体中传播距离的延长而衰减时，上述过程将持续下去,此过程即为参量放大,当该过程在谐振腔中进行时,即为参量振荡。发展应用状况：1）基于光参量放大与振荡的光参量激光器的调谐范围，已从0.31μm=16μm（如：用AgGaSe2晶体，可在8-13μm内调谐，用GaSe可实现3.5-14μm调谐）。2）通过脉宽压窄技术，在740-930nm、1220-1830nm范围内调谐，参量激光器的脉宽可达fs量级。若用调Q激光泵浦,输出功率则可达109W。用单模、窄线宽、窄脉冲高峰值功率激光泵浦，可获得60%以上的转换效率。2、光学参量振荡效应•光学参量振荡效应是以泵浦光波Ep提供增益，非线性晶体作为能量转移的中介，把能量耦合给信号光波Es使之得到放大，并同时产生一个新的伴生光Ei。这个过程完全是参量互作用的过程，其调谐方式受相位匹配条件的制约。•如果把非线性介质放在光学共振腔内，让泵浦光、信号光及伴生光多次往返通过非线性介质，当信号光波和伴生光波由于参量放大得到的增益大于它们在共振腔内的损耗时，便在共振腔内形成激光振荡。这就是光学参量振荡器。0EDJtDHtBE麦克斯韦方程PEDEJD000非线性波动方程：得：22222(2)NLPDEtt根据电磁波在非线性介质内的传播特性分析2222NLPEDEttt若有则：(1)0E＝分析三波互作用的稳态耦合波方程•从光波与非线性介质相互作用的经典电磁场理论出发，由麦克斯韦方程组和物质方程可以得到电磁场在非磁性、各向同性均匀且无自由电荷(ρ=0)的介质中的波动方程为:(3-1)222000022EEPEuuutttnnntirEtrE)exp()(),(,nnntirPtrP)exp()(),(,假设电场是沿z方向传播的单色平面波，则(3-2)式变为:•其中：σ为介质的电导率，μo、εo分别为介质在真空中的磁导率和介电常数，E为电场强度，P为电极化强度。将E和P用傅立叶分量表示，有:(3-2)nnntirEtrE)exp()(),(,nnntizE)exp(),()exp()exp()(tiikzzEnn)exp(),(),(tirPtrPnnn)exp(),(nntizPn将(3-3)式代入方程(3-1)，并利用缓变振幅近似(波长量级的距离内振幅的变化极小):)exp()exp()(tiikzzPnn====(3-3)对应每一个频率分量来说，相应的波动方程变为:22EEkzz(3.4)222002()2(1)()()EzikiunEzuPzzc(3.5)在非线性过程中，电极化强度可分为线性部分PL和非线性部分PNL，即：NLNLLPEPPP)1(0(3.6)1）方程中每个光波电场E的空间变化都有其他光波电场的介入，说明介质中各光波之间有能量转移与交换，这种能量转移是通过介质的有效非线性系数耦合实现的。上述耦合波方程表明：2）波传播时E随z的增大而增大。3）△k表示相位匹配关系（动量匹配）当△k=0时满足动量匹配即：k3=k1+k2倍频时k3=2k13、光参量放大如b为虚数，双曲正弦函数变成正弦函数，光强在非线性晶体内呈波动形式，不可能得到持续的增长。因此，相位匹配也是进行光参量放大的必要条件。即：0kD•当相位匹配时，解为：()(0)cosh()ssEzEz1/2*()(0)sinh()sisisinnEziEz•可见，信号波Es得到放大，伴生波Ei从无到有，呈近似指数型增长，从泵浦光Ep的消耗中得到净增益。若在非线性晶体两端放置反射镜M1、M2，则光参量放大即变成光参量振荡器。如下图所示。•参量放大的工作条件：•1）阈值泵浦功率条件：在泵浦功率达到一定数值之后，信号光的增益等于或大于它们在腔内的光学损耗。泵浦光强度超过阈值时，泵浦光的能量主要转换成相干的信号光Es或伴生光Ei波输出。•2）能量守恒条件：在参量放大过程中，信号光波（频率ωs）和伴生光波（频率ωi）每增加一个光子，相应地泵浦光波便失去一个光子（频率ωp），故三者应该满足能量守恒条件ωp=ωi+ωs•3）相位匹配条件：k3=k1+k2或者以非线性介质的折射率表述：ω3n3=ω1n1+ω2n2参量放大（差频）总结：强的高频光（泵浦光ωP）差频光(伴生光ωi)+低频光(信号光ωS)射入非线性晶体光学参量放大产生差频光波的过程每湮灭一个高频光子产生两个低频光子。ω2=ω3-ω1ω3=ω1+ω2信号光被放大+弱的低频光（信号光ωS）例：已知：ω3=3ω；ω1=ω；ω2=ω3-ω1=3ω-ω=2ω；I3=50MW/cm2I1=20MW/cm2求：产生的差频2ω的功率密度I2=？以及ω的功率密度I’1=？解：3333333/22100()(3)3INhNhINhh个光子2222100()232233.3/hNhhIMWcm2131003NNNh每湮灭一个高频光子产生一个ω1及一个ω2光子并余下N11112100()32216.7/hNhhIMWcm123NNN2111,0'16.72036.7/IIIMWcm4、光参量振荡光学参量振荡器是在光学参量放大器的基础上加入光学反馈装置。ppsiis光参量振荡器的简单结构psipsihhhpsipsihkhkhkkkk其中：信号光由自发辐射噪声提供，无需注入信号光。转换过程完全应符合光子的能量和动量守恒条件，有：对于共线传播的波，有：0iissppnnn•由于这三种折射率都取决于波长、光在晶体中的传播方向以及光的偏振，所以一般情况下能够对某些晶体利用双折射和色散找到满足上式的条件。•光学参量振荡器的谐振腔可以同时对信号光和伴生光共振，也可以对其中一个频率共振。前者通常称为双共振光学参量振荡器(DRO)，后者通常称为单共振光学参量振荡器(SRO)。ppsiis光参量振荡器的简单结构调谐性：•如果泵浦光以固定波长入射，折射率在接近相位匹配条件附近的微小变化都将改变信号光和伴生光的波长，从而得到新的相位匹配条件。调谐方法：•这种调谐可以利用各向异性晶体双折射与角度的关系，或者改变温度来实现；通过折射率的电光变化，能够实现有限范围内的快速调谐。5、光学参数振荡器的实验系统一般有如下几部份组成：(1)激发光源(2)非线性晶体(3)光学共振腔(4)相位匹配和调谐装置（温度、角度、外场）和频（频率上转换）和频过程与倍频相同，其中ω3=ω1+ω2;ω1≠ω2例1：1kW泵浦光10mW信号光光学参量振荡器（OPO）的发展趋势•是一种极具潜力的宽调谐固体相干辐射源。•重点方向：1）用组合调谐方式进行红外波段的扩展和紫外波段的延伸，2）新型参量振荡晶体的开发，3）光学参量振荡器输出指标提高，4）全固化OPO系统。•特别是利用二极管泵浦固体激光技术，发展全固化宽调谐OPO，它具有高效率、长寿命、结构紧凑、体积小、重量轻、可高重复频率工作的特点，将开辟更多的应用领域，近几年发展十分迅速，是将来多频激光光源的重点发展方向。本章复习题1、写出二阶非线性极化强度，并由此分析非线性介质的二阶非线性光学效应。2、画图描述激光倍频效应及倍频激光器。3、何谓相位匹配技术，方法上如何实现？4、何谓光参量放大？画图阐述光学参量放大的原理。5、何谓光参量振荡？画图阐述光学参量振荡器的调频原理。专题综述论文题目•1、电子束光刻技术（E-BeamLithography）•2、X射线光刻技术（XRL）•3、原子层沉积技术（ALD）•4、分子束外延技术（MBE）•5、液相外延技术（LPE）•6、低压化学气