固體光學(xué)-晶體光學(xué)4

1、1晶體光學(xué)（四）第一部分：單軸晶體的相位匹配1、單軸晶體角度相位匹配的方式2、有效倍頻系數(shù)；3、影響相位匹配的因素和最優(yōu)匹配；2晶體光學(xué)晶體光學(xué)第八講：光學(xué)混頻和參量振蕩第八講：光學(xué)混頻和參量振蕩1、復(fù)習(xí)：相位匹配；、復(fù)習(xí)：相位匹配；2、三波混頻效應(yīng)；、三波混頻效應(yīng)；3、光學(xué)參量放大和振蕩；、光學(xué)參量放大和振蕩；4、光學(xué)參量振蕩器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；、光學(xué)參量振蕩器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；5、非線性光學(xué)材料簡介、非線性光學(xué)材料簡介3角度位相匹配角度位相匹配 角度位相匹配就是控角度位相匹配就是控制光波在晶體中其一特定制光波在晶體中其一特定方向方向( ， )上傳播，該方上傳播，該方向應(yīng)滿足相位匹配條件。向應(yīng)滿足相位匹配條

2、件。利用折射率面的色散可以利用折射率面的色散可以很方便的找到這個特定方很方便的找到這個特定方向。畫出了負(fù)單軸晶體的向。畫出了負(fù)單軸晶體的基頻光折射率面基頻光折射率面(實(shí)線實(shí)線)和和相倍頻光折射率面相倍頻光折射率面(虛線虛線)。其中倍頻的其中倍頻的e光面與基頻光面與基頻的的o光面相交于光面相交于M點(diǎn)。顯點(diǎn)。顯然然OM方向就是滿足位相方向就是滿足位相匹配方向匹配方向.一、單軸晶體相位匹配方式一、單軸晶體相位匹配方式4PM方向與光軸夾角方向與光軸夾角 m稱為位相匹配角。對于單軸晶體以稱為位相匹配角。對于單軸晶體以PM為母線繞為母線繞z軸轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)360o可構(gòu)成圓錐面，該圓錐面上任一條可構(gòu)成圓錐面，該圓錐

3、面上任一條母線方向都滿足位相匹配條件母線方向都滿足位相匹配條件(如圖所示如圖所示)。5012nnme 1、第、第I 類平行式：類平行式： 指相互作用的兩個基頻光都是指相互作用的兩個基頻光都是e光或都是光或都是o光，耦合成光，耦合成倍頻倍頻O光或光或e光。根據(jù)單軸晶的正、負(fù)光性具體耦合情況有：光。根據(jù)單軸晶的正、負(fù)光性具體耦合情況有： (1)負(fù)單軸晶第負(fù)單軸晶第I類位相匹配類位相匹配oo-e方式。方式。倍頻極化場為倍頻極化場為6負(fù)單軸晶體折射率表面相位匹配負(fù)單軸晶體折射率表面相位匹配oo-eno()ne(2)78可解得位相匹配角可解得位相匹配角 m為為(2) 正單軸晶第正單軸晶第I類位相匹配類位

4、相匹配ee-o方式。方式。其匹配條件其匹配條件倍頻極化場為倍頻極化場為021nnme9正單軸晶體折射率表面相位匹配正單軸晶體折射率表面相位匹配ee-one()no(2)10可解得位相匹配角可解得位相匹配角 m為為 2、第、第II類正交式：類正交式： 指相互作用的兩個基頒光分別是指相互作用的兩個基頒光分別是o光和光和e光耦合成倍頗光耦合成倍頗o光光(或或e光光)，具體耦合情況有：，具體耦合情況有：(1)負(fù)單軸晶第負(fù)單軸晶第II類位相匹配類位相匹配eo-e方式方式 其位相匹配條件其位相匹配條件21012memennn11no()ne(2)負(fù)單軸晶第負(fù)單軸晶第II類位相匹配類位相匹配eo-e方式方式

5、1213倍頻極化場為倍頻極化場為(2)正單軸晶第正單軸晶第II類位相匹配類位相匹配oe-o方式方式 其位相匹配條件其位相匹配條件21012meonnn14正單軸晶體折射率表面相位匹配正單軸晶體折射率表面相位匹配oe-one()no(2)15二、三波混頻效應(yīng)二、三波混頻效應(yīng) 兩個頻率不同的單色光兩個頻率不同的單色光( 1和和 2)同時入射到同時入射到非 線 性 光 學(xué) 介 質(zhì) 中 產(chǎn) 生 和 頻 或 差 頻 效 應(yīng)非 線 性 光 學(xué) 介 質(zhì) 中 產(chǎn) 生 和 頻 或 差 頻 效 應(yīng)( 3= 1+ 2)，統(tǒng)稱為三波混頻。，統(tǒng)稱為三波混頻。 為了實(shí)現(xiàn)混頻過程的有效轉(zhuǎn)換，也必須滿足光量為了實(shí)現(xiàn)混頻過程的

6、有效轉(zhuǎn)換，也必須滿足光量子系統(tǒng)的能量守恒及動量守恒定律，從而滿足如子系統(tǒng)的能量守恒及動量守恒定律，從而滿足如下關(guān)系下關(guān)系：16三波混頻的位相匹配條件。它適合于一般的二次非線性過三波混頻的位相匹配條件。它適合于一般的二次非線性過程的位相匹配條件，如果程的位相匹配條件，如果 1= 2= ，就變成倍頻過程的位，就變成倍頻過程的位相匹配條件，或變?yōu)楣庹?。相匹配條件，或變?yōu)楣庹鳌?單軸晶體的三波混頻位相匹配方式和條件與倍頻過程單軸晶體的三波混頻位相匹配方式和條件與倍頻過程大致相同。以和頗為例，假設(shè)大致相同。以和頗為例，假設(shè) 3= 1+ 2， 3 2 1，并且并且 1至至 3的頻率范圍內(nèi)折射率具有正常

7、色散、則位相的頻率范圍內(nèi)折射率具有正常色散、則位相匹配方式和條件如下表：匹配方式和條件如下表：1718 單軸晶混頻效應(yīng)的位相匹配角單軸晶混頻效應(yīng)的位相匹配角 m可由不同的位相匹配方可由不同的位相匹配方式及其條件求出。例如，對負(fù)單軸晶體的式及其條件求出。例如，對負(fù)單軸晶體的oo-e匹配方式匹配方式 在和頻效應(yīng)的兩入射光中至少有一束是強(qiáng)相干光在和頻效應(yīng)的兩入射光中至少有一束是強(qiáng)相干光(激光激光)。若若 1為一束強(qiáng)激光為一束強(qiáng)激光(稱為泵浦光稱為泵浦光)， 2是一個微弱的有待檢測是一個微弱的有待檢測的光訊號，的光訊號， 1 2，則將則將 1+ 2= 3過程稱為頻率上轉(zhuǎn)換。過程稱為頻率上轉(zhuǎn)換。它可將遠(yuǎn)

8、紅外光向上變頻至可見光乃至紫外光波段。同樣，它可將遠(yuǎn)紅外光向上變頻至可見光乃至紫外光波段。同樣，參與差頗過程的參與差頗過程的 1和和 2均為激光光束，均為激光光束， 3為亞毫米波或遠(yuǎn)為亞毫米波或遠(yuǎn)紅 外 光 時紅 外 光 時 1 - 2 = 3的 差 頻 過 程 稱 為 頻 率 下 轉(zhuǎn) 換 。的 差 頻 過 程 稱 為 頻 率 下 轉(zhuǎn) 換 。 總之，利用這兩種效應(yīng)可以擴(kuò)展相干輻射的覆蓋范圍；總之，利用這兩種效應(yīng)可以擴(kuò)展相干輻射的覆蓋范圍；還可將待測的中遠(yuǎn)紅外傳號轉(zhuǎn)換到可見光區(qū)域，以便觀察與還可將待測的中遠(yuǎn)紅外傳號轉(zhuǎn)換到可見光區(qū)域，以便觀察與測量。測量。19 在差頻過程中除了產(chǎn)生在差頻過程中除了

9、產(chǎn)生 p- s= i的差頻的差頻 i新光波外，原新光波外，原入射光波中的非泵浦光入射光波中的非泵浦光(即即 s光遠(yuǎn)低于泵浦光光遠(yuǎn)低于泵浦光 p的弱信號光的弱信號光)在全部差頻過程中其強(qiáng)度不但沒減小，反而隨著差頻在全部差頻過程中其強(qiáng)度不但沒減小，反而隨著差頻 i光光波波起增大。起增大。 因此，在討論因此，在討論 s信號光波的變化規(guī)律時，可認(rèn)為差頻過信號光波的變化規(guī)律時，可認(rèn)為差頻過程是對非泵浦入射光的光放大過程。習(xí)慣上把這種光放大過程是對非泵浦入射光的光放大過程。習(xí)慣上把這種光放大過程稱為光參量放大。程稱為光參量放大。三、光學(xué)參量放大與振蕩三、光學(xué)參量放大與振蕩 i 稱為空載頻率稱為空載頻率.2

10、0光參量放大過程需要滿足如下位相匹配條件光參量放大過程需要滿足如下位相匹配條件 在光參量放大過程中，參量轉(zhuǎn)換效率是很低的。為了得在光參量放大過程中，參量轉(zhuǎn)換效率是很低的。為了得到較強(qiáng)的信號光，可把非線性光學(xué)介質(zhì)置于光學(xué)諧振腔內(nèi)，到較強(qiáng)的信號光，可把非線性光學(xué)介質(zhì)置于光學(xué)諧振腔內(nèi)，使使 s光波與光波與 i光波不斷從泵浦光吸收能量而產(chǎn)生增益。當(dāng)增光波不斷從泵浦光吸收能量而產(chǎn)生增益。當(dāng)增益一旦超過腔體損耗益一旦超過腔體損耗(閡值閡值)時便產(chǎn)生了振蕩。這就是光學(xué)參時便產(chǎn)生了振蕩。這就是光學(xué)參量振蕩。當(dāng)增益達(dá)到振蕩閾值或者說當(dāng)泵浦光強(qiáng)超過一定閾量振蕩。當(dāng)增益達(dá)到振蕩閾值或者說當(dāng)泵浦光強(qiáng)超過一定閾值時，才

11、有可能在諧振腔內(nèi)形成持續(xù)的光參量振蕩。值時，才有可能在諧振腔內(nèi)形成持續(xù)的光參量振蕩。21 光參量放大與振蕩示意圖光參量放大與振蕩示意圖 (a)參量降頻變換參量降頻變換,(b)參量振蕩器參量振蕩器22四、光學(xué)參量振蕩器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)四、光學(xué)參量振蕩器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 實(shí)際的光學(xué)參量振蕩器系統(tǒng)，一般由如下幾個部分組成。實(shí)際的光學(xué)參量振蕩器系統(tǒng)，一般由如下幾個部分組成。(1)非線性晶體非線性晶體要求它們具有良好的光學(xué)透過率較大的要求它們具有良好的光學(xué)透過率較大的二次非線性極化系數(shù)，折射率隨外界工作條件的變化易于控二次非線性極化系數(shù)，折射率隨外界工作條件的變化易于控制，以便實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧高效率的參量振蕩。制，以便實(shí)現(xiàn)可

12、調(diào)諧高效率的參量振蕩。(2)泵浦光源泵浦光源為產(chǎn)生光學(xué)參量振蕩，必須有波長短于振蕩為產(chǎn)生光學(xué)參量振蕩，必須有波長短于振蕩光而功率較強(qiáng)的激光輻射作泵浦光源。光而功率較強(qiáng)的激光輻射作泵浦光源。(3)光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔-可根據(jù)要求和實(shí)驗(yàn)條件之不同，而分別采可根據(jù)要求和實(shí)驗(yàn)條件之不同，而分別采用平行平面腔、平凹、雙凹或凹凸穩(wěn)定腔等形式；組成諧振用平行平面腔、平凹、雙凹或凹凸穩(wěn)定腔等形式；組成諧振腔的兩個反射鏡應(yīng)該在參量振蕩頻率內(nèi)有足夠高反射率，而腔的兩個反射鏡應(yīng)該在參量振蕩頻率內(nèi)有足夠高反射率，而對入射泵浦光則具有適當(dāng)?shù)耐高^率。對入射泵浦光則具有適當(dāng)?shù)耐高^率。(4)位相配相和調(diào)諧裝置位相配相和調(diào)諧裝

13、置-當(dāng)采用諸如當(dāng)采用諸如LiNbO3這類晶體作工這類晶體作工作物質(zhì)時，為實(shí)現(xiàn)位相匹配可使泵浦光取非常光方式入射，作物質(zhì)時，為實(shí)現(xiàn)位相匹配可使泵浦光取非常光方式入射，而參振光束則為尋常光。而參振光束則為尋常光。23光學(xué)參量振蕩器裝置原理圖光學(xué)參量振蕩器裝置原理圖(a) 利用激光器輸出之二次諧波輻射作泵浦光利用激光器輸出之二次諧波輻射作泵浦光而采用溫度調(diào)諧的裝置；圖而采用溫度調(diào)諧的裝置；圖(b)利用激光器本身的利用激光器本身的激光輸出作泵浦光而采用的角度調(diào)諧的裝置。激光輸出作泵浦光而采用的角度調(diào)諧的裝置。24改變振蕩頻率的調(diào)諧方式有；改變振蕩頻率的調(diào)諧方式有； 溫度調(diào)諧：泵浦光垂直于晶體光軸方向入

14、射，改變晶溫度調(diào)諧：泵浦光垂直于晶體光軸方向入射，改變晶體溫度，可以相應(yīng)地改變振蕩頗率。此時體溫度，可以相應(yīng)地改變振蕩頗率。此時 s和和 i兩頻率的兩頻率的振蕩光束在空間不分離。振蕩光束在空間不分離。角度調(diào)諧：當(dāng)晶體溫度保持一定時，改變晶體光軸相對角度調(diào)諧：當(dāng)晶體溫度保持一定時，改變晶體光軸相對于泵浦光的入射角度，同樣可改變振蕩頻率。此時于泵浦光的入射角度，同樣可改變振蕩頻率。此時 p、 s和和 i三種頻率的振蕩光束在空間上可能出現(xiàn)分離。三種頻率的振蕩光束在空間上可能出現(xiàn)分離。外場調(diào)諧：對非線性晶體施加外加直流電場或磁場，利外場調(diào)諧：對非線性晶體施加外加直流電場或磁場，利用晶體的電光效應(yīng)或磁光

15、效應(yīng)使其折射率發(fā)生改變，同樣用晶體的電光效應(yīng)或磁光效應(yīng)使其折射率發(fā)生改變，同樣可以達(dá)到可調(diào)諧振蕩的目的?？梢赃_(dá)到可調(diào)諧振蕩的目的。25五、非線性光學(xué)材料簡介五、非線性光學(xué)材料簡介 作為優(yōu)質(zhì)的倍頻、混頻和光參量放大與振蕩的非線性作為優(yōu)質(zhì)的倍頻、混頻和光參量放大與振蕩的非線性光學(xué)材料應(yīng)滿足如下要求：光學(xué)材料應(yīng)滿足如下要求：(1)有較大的二次非線性光學(xué)系數(shù)；有較大的二次非線性光學(xué)系數(shù)；(2)在工作波長在工作波長(或波段或波段)有較高的透明度；有較高的透明度；(3)在工作波長在工作波長(或波段或波段)能實(shí)現(xiàn)位相匹配，最好能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)位能實(shí)現(xiàn)位相匹配，最好能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)位相匹配；相匹配；(4)有較高的光損傷閾

16、值；有較高的光損傷閾值；(5)容易獲得大尺寸和光學(xué)均勻性好的晶體；容易獲得大尺寸和光學(xué)均勻性好的晶體；(6)硬度大，物理化學(xué)性能穩(wěn)定不易潮解，便于加工等。硬度大，物理化學(xué)性能穩(wěn)定不易潮解，便于加工等。26 為了獲得較好的倍頻和混頻效果，除了前面介紹的如何為了獲得較好的倍頻和混頻效果，除了前面介紹的如何實(shí)現(xiàn)最優(yōu)匹配等因素外，非線性學(xué)材料的質(zhì)量是一個關(guān)鍵因?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)匹配等因素外，非線性學(xué)材料的質(zhì)量是一個關(guān)鍵因素。人們?yōu)閷で蟾哔|(zhì)量的非線性光學(xué)晶體作了大量的工作，素。人們?yōu)閷で蟾哔|(zhì)量的非線性光學(xué)晶體作了大量的工作，已發(fā)現(xiàn)具有非線性光學(xué)效應(yīng)的晶體有上千種，但是具有實(shí)際已發(fā)現(xiàn)具有非線性光學(xué)效應(yīng)的晶體有上千種

17、，但是具有實(shí)際應(yīng)用價值的或有一定應(yīng)用前景的僅有三十種。其原因主要是應(yīng)用價值的或有一定應(yīng)用前景的僅有三十種。其原因主要是對非線性光學(xué)晶體的要求相當(dāng)苛刻。對非線性光學(xué)晶體的要求相當(dāng)苛刻。 實(shí)際上全面符合上述要求的晶體幾乎沒有，因此在選擇實(shí)際上全面符合上述要求的晶體幾乎沒有，因此在選擇材料時根據(jù)需要，權(quán)衡利弊。采用適當(dāng)?shù)木w。附表材料時根據(jù)需要，權(quán)衡利弊。采用適當(dāng)?shù)木w。附表I-l0列列出了目前應(yīng)用比較廣泛的一些非線性晶體。出了目前應(yīng)用比較廣泛的一些非線性晶體。27282930有關(guān)非線性光學(xué)效應(yīng)幾方面比較成熟的應(yīng)用、發(fā)展前有關(guān)非線性光學(xué)效應(yīng)幾方面比較成熟的應(yīng)用、發(fā)展前景及學(xué)術(shù)意義：景及學(xué)術(shù)意義： (

18、1)利用倍頻和混頻效應(yīng)、可調(diào)諧光參量振蕩以及受激散射等效利用倍頻和混頻效應(yīng)、可調(diào)諧光參量振蕩以及受激散射等效應(yīng)可產(chǎn)生強(qiáng)相干光輻射，開創(chuàng)了產(chǎn)生新的激光輻射光源的物理應(yīng)可產(chǎn)生強(qiáng)相干光輻射，開創(chuàng)了產(chǎn)生新的激光輻射光源的物理途徑。它在許多實(shí)際工程技術(shù)中得到了較成熟的應(yīng)用，人們正途徑。它在許多實(shí)際工程技術(shù)中得到了較成熟的應(yīng)用，人們正在利用這種途徑來填補(bǔ)各類激光器件發(fā)射激光波長的空白光譜在利用這種途徑來填補(bǔ)各類激光器件發(fā)射激光波長的空白光譜區(qū)。例如：區(qū)。例如： 在光通訊技術(shù)中的應(yīng)用。由于激光技術(shù)的出現(xiàn)，通過非在光通訊技術(shù)中的應(yīng)用。由于激光技術(shù)的出現(xiàn)，通過非線性光學(xué)效應(yīng)獲得的相干光的頻帶極其寬廣，使其在通訊

19、技線性光學(xué)效應(yīng)獲得的相干光的頻帶極其寬廣，使其在通訊技術(shù)中由原來的微波電纜同時傳送幾十萬路，到現(xiàn)在利用激光術(shù)中由原來的微波電纜同時傳送幾十萬路，到現(xiàn)在利用激光通訊的光纜可同時傳送數(shù)百萬路電話或幾千萬套電視節(jié)目，通訊的光纜可同時傳送數(shù)百萬路電話或幾千萬套電視節(jié)目，解決了無線電通訊的容量小、頻帶過分擁擠的難題。解決了無線電通訊的容量小、頻帶過分擁擠的難題。31 頻率上轉(zhuǎn)換效應(yīng)在紅外外差式探測器上的應(yīng)用。紅外接收頻率上轉(zhuǎn)換效應(yīng)在紅外外差式探測器上的應(yīng)用。紅外接收是不可見的低頻信號是不可見的低頻信號( s)和另一束可見的強(qiáng)激光和另一束可見的強(qiáng)激光( p)通過在晶通過在晶體中混頻，使紅外信號頻率上轉(zhuǎn)到可

20、見光頻率，再經(jīng)過光放體中混頻，使紅外信號頻率上轉(zhuǎn)到可見光頻率，再經(jīng)過光放大等過程實(shí)現(xiàn)了對紅外信號的觀察和探測。目前用此效應(yīng)的大等過程實(shí)現(xiàn)了對紅外信號的觀察和探測。目前用此效應(yīng)的紅外探測器已得到普遍的應(yīng)用。紅外探測器已得到普遍的應(yīng)用。 (2)非線性光學(xué)的研究成果為光信息處理提供了新的方非線性光學(xué)的研究成果為光信息處理提供了新的方法和新的技術(shù)。法和新的技術(shù)。 例如，一些染料在高功率激光束通過時發(fā)生自感透明效應(yīng)例如，一些染料在高功率激光束通過時發(fā)生自感透明效應(yīng)已被用來設(shè)計時間很短的已被用來設(shè)計時間很短的“光開關(guān)光開關(guān)”。使用這種。使用這種Q開關(guān)的激光開關(guān)的激光器的輸出功率可提高器的輸出功率可提高23

21、個數(shù)量級。又如，光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)的個數(shù)量級。又如，光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)的激光感應(yīng)折射率變化用于信息存貯以及制成雙穩(wěn)態(tài)元件激光感應(yīng)折射率變化用于信息存貯以及制成雙穩(wěn)態(tài)元件(雙穩(wěn)態(tài)雙穩(wěn)態(tài)光學(xué)開關(guān)、光學(xué)光學(xué)開關(guān)、光學(xué)“三極管三極管”放大元件、光學(xué)記億元件等放大元件、光學(xué)記億元件等)；光學(xué)；光學(xué)相位共扼效應(yīng)用于波面畸變補(bǔ)償?shù)鹊取Ｄ壳坝行┏晒训玫綄?shí)相位共扼效應(yīng)用于波面畸變補(bǔ)償?shù)鹊?。目前有些成果已得到?shí)際應(yīng)用。對非線性光學(xué)的深入研究，為集成光學(xué)、纖維光學(xué)、際應(yīng)用。對非線性光學(xué)的深入研究，為集成光學(xué)、纖維光學(xué)、光學(xué)邏輯回路與光學(xué)計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展提供了有關(guān)光信息處理光學(xué)邏輯回路與光學(xué)計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展提供了有關(guān)光信息

22、處理與控制的新方法和新技術(shù)。與控制的新方法和新技術(shù)。32 (3)非線性光學(xué)研究的學(xué)術(shù)價值及其深遠(yuǎn)的理論意義。非線性光學(xué)研究的學(xué)術(shù)價值及其深遠(yuǎn)的理論意義。 通過強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用的研究，可以獲得有關(guān)物質(zhì)的組通過強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用的研究，可以獲得有關(guān)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、能量耦合及轉(zhuǎn)移、各種內(nèi)部變化動力學(xué)過程成、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、能量耦合及轉(zhuǎn)移、各種內(nèi)部變化動力學(xué)過程的重要信息。這些信息可在不同程度上分別反映出物質(zhì)的光學(xué)、的重要信息。這些信息可在不同程度上分別反映出物質(zhì)的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等方面特性。電學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等方面特性。利用強(qiáng)激光的作用，

23、可以研究相變、超導(dǎo)、元激發(fā)、液晶、表利用強(qiáng)激光的作用，可以研究相變、超導(dǎo)、元激發(fā)、液晶、表面物理、高溫等離子體等方面的問題；還可以使物質(zhì)按人們所面物理、高溫等離子體等方面的問題；還可以使物質(zhì)按人們所希望的方式發(fā)生各種變化，如加熱、致冷、壓縮、沖擊、熔化、希望的方式發(fā)生各種變化，如加熱、致冷、壓縮、沖擊、熔化、汽化、膨脹、同性素分離、光聚合、可控化學(xué)反應(yīng)等。汽化、膨脹、同性素分離、光聚合、可控化學(xué)反應(yīng)等。33 強(qiáng)光光學(xué)強(qiáng)光光學(xué)(即非線性光學(xué)即非線性光學(xué))本身就是物理學(xué)基礎(chǔ)理論的發(fā)展。到本身就是物理學(xué)基礎(chǔ)理論的發(fā)展。到目前為止雖然強(qiáng)光光學(xué)的發(fā)展尚未導(dǎo)致與近代物理學(xué)兩大支柱目前為止雖然強(qiáng)光光學(xué)的發(fā)展

24、尚未導(dǎo)致與近代物理學(xué)兩大支柱(相對論和量子力學(xué)相對論和量子力學(xué))不相符合或抵觸之處，但并不排除這門學(xué)不相符合或抵觸之處，但并不排除這門學(xué)科在今后進(jìn)一步的發(fā)展中會對已有的理論基礎(chǔ)產(chǎn)生新的沖擊的科在今后進(jìn)一步的發(fā)展中會對已有的理論基礎(chǔ)產(chǎn)生新的沖擊的可能性。例如，目前在處理光與物質(zhì)作用的量子力學(xué)或量子電可能性。例如，目前在處理光與物質(zhì)作用的量子力學(xué)或量子電動力學(xué)理論中，仍然是基于入射光對原子的作用是弱微擾這樣動力學(xué)理論中，仍然是基于入射光對原子的作用是弱微擾這樣一種前提，而采用數(shù)學(xué)上的微擾近似加以處理。如果說這種近一種前提，而采用數(shù)學(xué)上的微擾近似加以處理。如果說這種近似處理對弱光作用是基本適合的話，

25、那么它對強(qiáng)光和超強(qiáng)光作似處理對弱光作用是基本適合的話，那么它對強(qiáng)光和超強(qiáng)光作用是否仍然適用用是否仍然適用?這顯然是一個問題。又例如，在強(qiáng)脈沖激光這顯然是一個問題。又例如，在強(qiáng)脈沖激光的自聚焦效應(yīng)和自感透明效應(yīng)中曾發(fā)現(xiàn)運(yùn)動的焦點(diǎn)的超光速運(yùn)的自聚焦效應(yīng)和自感透明效應(yīng)中曾發(fā)現(xiàn)運(yùn)動的焦點(diǎn)的超光速運(yùn)動和增益介質(zhì)中自透明脈沖的超光速運(yùn)動。對這些新問題進(jìn)行動和增益介質(zhì)中自透明脈沖的超光速運(yùn)動。對這些新問題進(jìn)行深入研究，有助于加深對狹義相對論已有結(jié)論的認(rèn)識和理解。深入研究，有助于加深對狹義相對論已有結(jié)論的認(rèn)識和理解。目前，關(guān)于利用激光檢測橫向多目前，關(guān)于利用激光檢測橫向多L勒效應(yīng)，探測引力波、加速勒效應(yīng)，探測

26、引力波、加速粒子，研究真空中光子散射、天體黑洞，驗(yàn)證廣義相對論效應(yīng)粒子，研究真空中光子散射、天體黑洞，驗(yàn)證廣義相對論效應(yīng)等可能的討論性和探索性工作正在進(jìn)行之中。等可能的討論性和探索性工作正在進(jìn)行之中。34作業(yè)題：作業(yè)題：1、說明非線性光學(xué)效應(yīng)和傳統(tǒng)光學(xué)效應(yīng)的主要區(qū)別。、說明非線性光學(xué)效應(yīng)和傳統(tǒng)光學(xué)效應(yīng)的主要區(qū)別。2、什么是二次極化波、什么是二次極化波?什么是二次諧波什么是二次諧波?二次諧波是怎樣產(chǎn)二次諧波是怎樣產(chǎn) 生的生的?3、什么叫位相匹配？從原理出發(fā)說明不滿足位相匹配條件、什么叫位相匹配？從原理出發(fā)說明不滿足位相匹配條件、非線性極化的光學(xué)效應(yīng)就不可能在晶體中穩(wěn)定地產(chǎn)生非線性極化的光學(xué)效應(yīng)就

27、不可能在晶體中穩(wěn)定地產(chǎn)生?4、單軸晶的位相匹配方式有哪幾種、單軸晶的位相匹配方式有哪幾種? 寫出第寫出第1類匹配方式和類匹配方式和倍頻極化場的矢量式及匹配條件，并用折射率面畫出第倍頻極化場的矢量式及匹配條件，并用折射率面畫出第I類匹配正、負(fù)單軸晶的匹配方式。類匹配正、負(fù)單軸晶的匹配方式。5、一參量振蕩器、一參量振蕩器 11um， 21um， 3o5Fm。如果。如果其中有兩個其中有兩個e光和一個光和一個o光，那么在信號、空閑和泵浦光中光，那么在信號、空閑和泵浦光中你將怎樣選擇你將怎樣選擇? 試分析位相匹配條件。試分析位相匹配條件。35晶體光學(xué)晶體光學(xué)(四四)第二部分：光學(xué)混頻和參量振蕩第二部分：

28、光學(xué)混頻和參量振蕩1、三波混頻效應(yīng)；、三波混頻效應(yīng)；2、光學(xué)參量放大和振蕩；、光學(xué)參量放大和振蕩；3、光學(xué)參量振蕩器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；、光學(xué)參量振蕩器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；4、非線性光學(xué)材料簡介、非線性光學(xué)材料簡介36一、有效倍頻系數(shù)一、有效倍頻系數(shù) 單軸晶體的位相匹配方向雖然只由單軸晶體的位相匹配方向雖然只由 m決定，與方?jīng)Q定，與方位角位角 無關(guān)，但無關(guān)，但 仍可影響倍頻光的極化強(qiáng)度。仍可影響倍頻光的極化強(qiáng)度。ineffF,稱為有效倍頻系數(shù)稱為有效倍頻系數(shù)假設(shè)基頻光的波法線方向假設(shè)基頻光的波法線方向(k/PM)與光軸與光軸x3夾角為夾角為 ，方位角為，方位角為 ，則基瀕則基瀕o光的電矢量光的電矢量Eo( )在在

29、x1x2平面內(nèi)，且垂直于平面內(nèi)，且垂直于x3和和PM決定的平面方向振動；而基頻決定的平面方向振動；而基頻e光的電矢量光的電矢量Ee( )在在x3和和PM所所在的平面內(nèi)垂直于在的平面內(nèi)垂直于PM方向振動。由圖知，基頻光的光波電場方向振動。由圖知，基頻光的光波電場分量為分量為:3738由于倍頻光的波法線方向仍為由于倍頻光的波法線方向仍為PM方向，因此倍頻方向，因此倍頻o光平行基頻光平行基頻o光，倍頻光，倍頻e光平行基頻光平行基頻e光光)。各基頻光電場分量將以不同的匹配方。各基頻光電場分量將以不同的匹配方式耦合成倍頻極化場。式耦合成倍頻極化場。391、對于負(fù)單軸晶的第、對于負(fù)單軸晶的第I類位相匹配類

30、位相匹配oo-e方式方式402、對于正單軸晶的第、對于正單軸晶的第I類位相匹配類位相匹配ee-o方式方式413、對于負(fù)單軸晶的第、對于負(fù)單軸晶的第II類位相匹配類位相匹配eo-e方式方式424、對于正單軸晶的第、對于正單軸晶的第II類位相匹配類位相匹配oe-o方式方式43考慮到倍頻極化強(qiáng)度考慮到倍頻極化強(qiáng)度P(2 )是其相應(yīng)各分量合成結(jié)果是其相應(yīng)各分量合成結(jié)果:因?yàn)橐驗(yàn)閍ibjbk和和biajbk矩陣形式相同記為：矩陣形式相同記為：inF,1因?yàn)橐驗(yàn)閎iajak和和aiajbk矩陣形式相同記為矩陣形式相同記為inF,2445、負(fù)單軸晶體、負(fù)單軸晶體KDP(42m)晶類晶類oo-e時時F2的計算

31、：的計算：45F2由最大值。由最大值。6、負(fù)單軸晶體、負(fù)單軸晶體KDP(42m)晶類第二類相位匹配時晶類第二類相位匹配時F1的計算：的計算：464748 根據(jù)表可得出許多有意義的結(jié)果。例如，根據(jù)表可得出許多有意義的結(jié)果。例如，622晶類和晶類和422晶類的晶類的F函數(shù)全部為零，說明這兩種晶類函數(shù)全部為零，說明這兩種晶類不會產(chǎn)生倍頻效應(yīng)；晶類不會產(chǎn)生倍頻效應(yīng)；晶類5mm，6，4mm僅有僅有F2 0，說明該晶類的負(fù)光性晶體只能實(shí)現(xiàn)第說明該晶類的負(fù)光性晶體只能實(shí)現(xiàn)第1類位相匹配，類位相匹配，而正光性晶體只能實(shí)現(xiàn)第而正光性晶體只能實(shí)現(xiàn)第II類位相匹配。類位相匹配。49二、影響相位匹配的因素和最優(yōu)匹配；

32、二、影響相位匹配的因素和最優(yōu)匹配；1、倍頻作用長度、倍頻作用長度在小信號系統(tǒng)允許忽略基頻光強(qiáng)因在小信號系統(tǒng)允許忽略基頻光強(qiáng)因SHG(二次諧波二次諧波)而衰減而衰減的情況下。倍頻光強(qiáng)與的情況下。倍頻光強(qiáng)與 k的關(guān)系為的關(guān)系為:50基頻光在介質(zhì)中不同小區(qū)域內(nèi)誘發(fā)的倍頗極化場而輻射的倍基頻光在介質(zhì)中不同小區(qū)域內(nèi)誘發(fā)的倍頗極化場而輻射的倍頻光強(qiáng)度頻光強(qiáng)度I(2 )將是沿將是沿l方向呈周期性變化。方向呈周期性變化。 式中式中 o為真空中的波長。為真空中的波長。lc的物理意義為：當(dāng)基頗光射的物理意義為：當(dāng)基頗光射入晶體后，每經(jīng)過入晶體后，每經(jīng)過lc的距離時，倍頻光強(qiáng)就會出現(xiàn)一次最大的距離時，倍頻光強(qiáng)就會出現(xiàn)一次最大值。值。51 即在位相匹配條件滿足時，如果入射基頻光強(qiáng)度和有即在位相匹配條件滿足時，如果入射基頻光強(qiáng)度和有效倍頗系數(shù)一定則倍頻光強(qiáng)度與基頻光在晶體中的穿透效倍頗系數(shù)一定則倍頻光強(qiáng)度與基頻光在晶體