畢業(yè)論文-aggase2晶體的非線性光學(xué)數(shù)值分析管理資料

各專業(yè)完整優(yōu)秀畢業(yè)論文設(shè)計圖紙AgGaSe2晶體的非線性光學(xué)數(shù)值分析物理與電子信息學(xué)院物理學(xué)（師范）專業(yè)2007級指導(dǎo)老師：摘要：。根據(jù)非線性光學(xué)原理，較完整的對AgGaSe2晶體的光學(xué)震蕩參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值分析，我們可以知道AgGaSe2晶體屬于負(fù)單軸晶體,它是一種多功能晶體，它具有非線性光學(xué)性質(zhì)，其非線性光學(xué)系數(shù)較大，而且能夠?qū)崿F(xiàn)非臨界相位匹配，但由于這種晶體的抗激光損傷閾值較低，從而大大的減小了它的二次諧波發(fā)生的轉(zhuǎn)換效率。然后計算得到在一定的泵浦光波長下，AgGaSe2晶體的角度調(diào)諧曲線和在溫度20℃時AgGaSe2晶體折射率色散關(guān)系圖、允許失配角、有效長度。其結(jié)果會對AgGaSe2光學(xué)參量研究具有一定參考價值。關(guān)鍵字：AgGaSe2晶體；非線性光學(xué)；數(shù)據(jù)分析AgGaSe2nonlinearopticalcrystalofnumericalanalysisLipinsiPhysicalandelectronicinformationcollegephysicsGrade2007Instructor:zengtixianAbstract:Accordingtononlinearoptics,andmorecompletenumericalanalysisontoshockparametersCrystalsofAgGaSe2,surelyinthisessay,AgGaSe2crystalisNegativeuniaxialcrystal.Itisamulti-crystal.Ithasnonlinearopticalproperties,itslargenonlinearopticalcoefficient,andtoachievenon-criticalphasematching,butbecausethecrystalswithlowerresistancetolaserdamagethreshold,andthusgreatlydecreasingtheErCiitharmonicwaveconversionefficiencyoccur.ThencalculatedthepumpmodulationincertainwavelengthsAgGaSe2crystals,theAngleofthetemperaturecurveandattuneAgGaSe2crystalrefractiveindexwhen20℃,allowingdispersionrelationgraphsupporting,effectivelengthlost.

theresultsofopticalparametersofAgGaSe2willhavesomereferencevalue.Keywords:AgGaSe2crystalsNonlinearopticalDataanalysis目錄摘要…………1ABSTRACT……………………1第一章緒論………………3非線性光學(xué)的發(fā)展……………………4AgGaSe2晶體的發(fā)展和應(yīng)用……………4…………………5第二章AgGaSe2結(jié)構(gòu)及物理屬性……5AgGaSe2晶體結(jié)構(gòu)……………………5AgGaSe2物理屬性……………………8常用非線性光學(xué)晶體及其主要特性參數(shù)………8AgGaSe2的基本特性參數(shù)………10第三章AgGaSe2晶體的非線性光學(xué)參數(shù)分析………12非線性光學(xué)基礎(chǔ)………12二階非線性光學(xué)效應(yīng)…………………13非線性極化系數(shù)………14相位匹配及實現(xiàn)方法…………………15相位匹配角……………18…………………21………22最優(yōu)位相匹配…………23參考文獻(xiàn)……………………24致謝…………24緒論非線性光學(xué)是一門介于基礎(chǔ)與應(yīng)用之間的學(xué)科，隨著實驗與理論的深入，它幾乎在所有的科學(xué)領(lǐng)域中都獲得廣泛的應(yīng)用。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，許多高新技術(shù)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用了晶體的多重屬性，尤其在光電子技術(shù)中，晶體的應(yīng)用又開拓出一代全新的光電子產(chǎn)品。晶體光學(xué)作為近代光學(xué)的一個重要分支，越來越顯示出它的重要性和廣闊的應(yīng)用前景。非線性光學(xué)是探討在極強激光光場作用下所發(fā)生的現(xiàn)象，是繼強激光器件發(fā)展之后開拓的最活躍的研究領(lǐng)域之一。非線性光學(xué)是一個非常年輕的物理學(xué)領(lǐng)域，它論述在光強很高的激光束作用下所發(fā)生的現(xiàn)象，它也只是在強激光器發(fā)展起來后才有可能開拓的令人最感興趣的研究領(lǐng)域之一?，F(xiàn)在，非線性光學(xué)領(lǐng)域仍處于迅速發(fā)展階段，隨著激光技術(shù)和非線性光學(xué)的發(fā)展，從事這方面工作的科技人員中愈來愈迫切地希望對晶體中光波的傳播過程有一個全面系統(tǒng)的了解，在研制激光非線性光學(xué)復(fù)合功能晶體材料時，對于作為激光基質(zhì)的晶體來講，應(yīng)具備下列條件：(1)要具有較大的非線性光學(xué)的系數(shù)；(2)激活離子最好是晶體本身組成之一；或以取代方式進(jìn)入基質(zhì)晶體晶格座位，這樣便可以保持晶體的光學(xué)均勻性，同時也可提高摻入的激活離子的濃度；(3)激活離子進(jìn)入晶格后，不改變原有基質(zhì)晶體的結(jié)構(gòu)特點，同時盡可能使激活離子之間的間距增大，以避免發(fā)生濃度淬滅；(4)基質(zhì)晶體的對稱性不應(yīng)太低，以便有利于激光基頻光在相位匹配方向上實現(xiàn)自倍頻效應(yīng)，同時也使晶體易于加工。AgGaSe2晶體的發(fā)展和應(yīng)用AgGaSe2(AGSe)已被證明是CO2激光倍頻最有效的晶體材料，還同時具有三波非線性作用(OPO)的優(yōu)良性能。,。采用目前成熟的激光泵浦，AGSe的OPO呈現(xiàn)寬闊的紅外可調(diào)諧性能。用Ho:;;早在1982年,就已經(jīng)實現(xiàn)了脈沖CO2激光的有效倍頻;上述系統(tǒng)的輸出波段還可以用和頻或差頻混頻的方法(SF/DFM)予以擴充。還可以用來紅外參量振蕩器，：：YLF泵浦激光時，。，脈沖能量超過3Mj,峰值功率接近100kw，轉(zhuǎn)化效率達(dá)18%，，最佳設(shè)計的光參量振蕩器，。AgGaSe2晶體具有足夠大的雙折射率，同時滿足3個頻率的相位匹配，，對3-18μm范圍內(nèi)的混頻信號實現(xiàn)相位匹配。因此這種材料是制作紅外混頻器的極好材料之一AgGaSe2晶體可以用來制作紅外遠(yuǎn)程測距儀，他是一種在激光通訊和軍事技術(shù)等方面有廣泛用途的紅外非線性晶體。根據(jù)非線性光學(xué)原理和雙折射色散關(guān)系，對AgGaSe2晶體參數(shù)進(jìn)行數(shù)值分析，推導(dǎo)出相位匹配角的理論公式，并利用相關(guān)軟件編程得到在一定的泵浦光下，AgGaSe2晶體的角度調(diào)諧曲線。由于晶體中的離散效應(yīng)導(dǎo)致光波存在一定的走離角，導(dǎo)致位相失配，使得光波的互作用長度下降，因而需要計算晶體的有效長度。另外，非平行光束也會引起相位的失配，為此需計算與光束發(fā)散相關(guān)的相位匹配允許角。AgGaSe2結(jié)構(gòu)及物理屬性AgGaSe2晶體結(jié)構(gòu)AgGaSe2晶體是一種Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2族三元化合物半導(dǎo)體，黃銅礦結(jié)構(gòu)，42m點群。AgGaSe2物理屬性常用非線性光學(xué)晶體及其主要特性參數(shù)下表列出了一些比較常用的頻率轉(zhuǎn)換非線性光學(xué)晶體及其主要特性參數(shù)，它們在性質(zhì)上各有千秋。如KDP晶體易于生長，KTP的非線性系數(shù)高，AgGaSe2晶體的透光波段寬，而CLBO具有優(yōu)良的紫外激光倍頻性能等等。一些比較常用的頻率非線性光學(xué)晶體及其主要特性參數(shù)（）所示，一些比較常用的頻率轉(zhuǎn)換非線性光學(xué)晶體及其主要特性參（）所示，相對非線性光學(xué)系數(shù)()（）所示：一些比較常用的頻率非線性光學(xué)晶體及其主要特性參數(shù) 晶體簡稱透光波段（）最大非線性系數(shù)()KDPd36=LId15=LNd15=BBOd11=LBOd32=CLBOd36=KNd33=21d36=33KTPd33=12一些比較常用的頻率轉(zhuǎn)換非線性光學(xué)晶體及其主要特性參數(shù)晶體光損傷閥值潮解情況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對非線性光學(xué)系數(shù)()晶體波長（）折射率Te=1298ADP===10=75=76=173=472AgGaSe2的基本特性參數(shù)我們一般采用熔體溫度振蕩法合成高純單相致密的AgGaSe2晶體，并對傳統(tǒng)的布里奇曼方法進(jìn)行了改進(jìn)，在兩區(qū)域立式爐中用坩堝旋轉(zhuǎn)下降法生長出AgGaSe2單晶體下面列出AgGaSe2晶體的一些基本特性參數(shù)。AgGaSe2基本特性（）所示晶體結(jié)構(gòu)四方42m單元參數(shù)a=c=熔點860oC吸收率＜密度光學(xué)均勻性~16μmAgGaSe2晶體的光學(xué)特性（）所示透明范圍~12μm1064nm的折射率ne=no=ne=no=ne=no=損壞閥值20-30(150ns)非線性光學(xué)系數(shù)Χ=76AgGaSe2晶體體相位匹配角的理論值和實驗值（）所示InteractionWavelengths[]Θpm[deg]Θ3[degSHG,o+oe++AgGaSe2晶體的激光損傷閥值（）所示（）（ns2335353030<20-3050501801803075150第三章AgGaSe2晶體的非線性光學(xué)參數(shù)分析非線性光學(xué)基礎(chǔ)光與物質(zhì)相互作用的全過程，可分為光作用于物質(zhì)，引起物質(zhì)極化形成極化場以極化場作為新的輻射源向外輻射光波的兩個分過程。原子是由原子核和核外電子構(gòu)成。當(dāng)頻率為ω的光入射介質(zhì)后，引起其中原子的極化，即負(fù)電中心相對正電中心發(fā)生位移r，形成電偶極矩（）其中，e是負(fù)電中心的電量。我們定義單位體積內(nèi)原子偶極矩的總和為極化強度矢量P，（）N是單位體積內(nèi)的原子數(shù)。極化強度矢量和入射場的關(guān)系式為（）其中,分別稱線性極化率，二級非線性極化率、三級非線性極化率…，并且在一般情況下，每增加一次極化，值減少七八個數(shù)量級。由于入射光是變化的，其振幅為E＝E0sinωt，所以極化強度也是變化的。根據(jù)電磁理論，變化的極化場可作為輻射源產(chǎn)生電磁波——新的光波。在入射光的電場比較小時（比原子內(nèi)的場強還?。┑葮O小，與成線性關(guān)系為。新的光波與入射光具有相同的頻率，這就是通常的線性光學(xué)現(xiàn)象。但當(dāng)入射光的電場較強時，不僅有線性現(xiàn)象，而且非線性現(xiàn)象也不同程度地表現(xiàn)出來，新的光波中不僅有入射地基波頻率，還有二次諧波、三次諧波等頻率產(chǎn)生，形成能量轉(zhuǎn)移，頻率變換。這就是只有在高強度的激光出現(xiàn)以后，非線性光學(xué)才得到迅速發(fā)展的原因。二階非線性光學(xué)效應(yīng)雖然許多介質(zhì)都可產(chǎn)生非線性效應(yīng)，但具有中心結(jié)構(gòu)的某些晶體和各向同性介質(zhì)（如氣體），由于（）式中的偶級項為零，只含有奇級項（最低為三級），因此要觀測二級非線性效應(yīng)只能在具有非中心對稱的一些晶體中進(jìn)行，如KDP（或KD*P）、AgGaSe2晶體等等?，F(xiàn)從波的耦合，分析二級非線性效應(yīng)的產(chǎn)生原理，設(shè)有下列兩波同時作用于介質(zhì)：()()介質(zhì)產(chǎn)生的極化強度應(yīng)為二列光波的疊加，有()經(jīng)推導(dǎo)得出，二級非線性極化波應(yīng)包含下面幾種不同頻率成分：（）（）（）（）（）從以上看出，二級效應(yīng)中含有基頻波的倍頻分量（2）、（2）、和頻分量（+）、差頻分量（–）和直流分量。故二級效應(yīng)可用于實現(xiàn)倍頻、和頻、差頻及參量振蕩等過程。當(dāng)只有一種頻率為ω的光入射介質(zhì)時（相當(dāng)于上式中＝＝），那么二級非線性效應(yīng)就只有除基頻外的一種頻率（2）的光波產(chǎn)生，稱為二倍頻或二次諧波。在二級非線性效應(yīng)中，二倍頻又是最基本、應(yīng)用最廣泛的一種技術(shù)。第一個非線性效應(yīng)實驗，就是在第一臺紅寶石激光器問世后不久，。，從而滿足了水下通信和探測等工作對波段的要求。當(dāng)≠時，產(chǎn)生＝＋的光波叫和頻。如入射的光波分別為和2，和頻后得到3，3＝＋2（注意，它數(shù)值上等于三倍頻，但不是三倍頻非線性效應(yīng)過程）非線性極化系數(shù)非線性效應(yīng)系數(shù)是決定極化強度大小的一個重要物理量。在線性關(guān)系中對各向同性介質(zhì)是只與外電場大小有關(guān)而與方向無關(guān)的常量；對各向異性介質(zhì)，不僅與電場大小有關(guān)，而且與方向有關(guān)。在三維空間里，是個二階張量，有9個矩陣元dij，每個矩陣元稱為線性極化系數(shù)。在非線性關(guān)系中，是三階張量，在三維直角坐標(biāo)系中有27個分量，鑒于非線性極化系數(shù)的對稱性，矩陣元減為18個分量，在倍頻情況下（）P和E的下角標(biāo)x，y，z表示它們在三個不同方向上的分量。鑒于各種非線性晶體都有特殊的對稱性，就像晶體的電光系數(shù)矩陣一樣，有些dij為零，有些相等，有些相反。因此無對稱中心晶體的dij，獨立的分量數(shù)目僅是有限的幾個。例KDP（或KD*P）晶體，有（）其中d14＝d25，在一定條件下，還可以有d14＝d36。又如鈮酸鋰晶體，有（）其中d31＝d15。查閱有關(guān)資料，可得它們的具體數(shù)值。實際工作中，我們總是希望選取dij值大，性能穩(wěn)定又經(jīng)濟實惠的晶體材料。相位匹配及實現(xiàn)方法極化強度與入射光強和非線性極化系數(shù)有關(guān)，但是否只要入射光足夠強，使用非線性極化系數(shù)盡量大的晶體，就一定能獲得好的倍頻效果呢？不是的。這里還有一個重要因素——相位匹配，它起著舉足輕重的作用。實驗證明，只有具有特定偏振方向的線偏振光，以某一特定角度入射晶體時，才能獲得良好的倍頻效果，而以其他角度入射時，則倍頻效果很差，甚至完全不出倍頻光。根據(jù)倍頻轉(zhuǎn)換效率的定義，倍頻效率與的關(guān)系圖中可看出，要獲得最大的轉(zhuǎn)換效率，就要使L??k/2＝0，L是倍頻晶體的通光長度，不等于0，故應(yīng)?k＝0，即()就是使()和分別為晶體對基頻光和倍頻光的折射率。也就是只有當(dāng)基頻光和倍頻光的折射率相等時，才能產(chǎn)生好的倍頻效果，式（）是提高倍頻效率的必要條件，稱作相位匹配條件。由于，，和分別是基頻光和倍頻光在晶體中的傳播速度。滿足（）式，就是要求基頻光和倍頻光在晶體中的傳播速度相等。從這里我們可以清楚地看出，所謂相位匹配條件的物理實質(zhì)就是使基頻光在晶體中沿途各點激發(fā)的倍頻光傳播到出射面時，都具有相同的相位，這樣可相互干涉增強，從而達(dá)到好的倍頻效果。否則將會相互削弱，甚至抵消。實現(xiàn)相位匹配條件的方法。由于一般介質(zhì)存在正常色散效果，即高頻光的折射率大于低頻光的折射率，如大約為數(shù)量級。。但對于各向同性晶體，由于存在雙折射，我們則可利用不同偏振光間的折射率關(guān)系，尋找到相位匹配條件，實現(xiàn)。此方法常用于負(fù)單軸晶體，下面以負(fù)單軸晶體為例說明。圖2中畫出了晶體中基頻光和倍頻光的兩種不同偏振態(tài)折射率面間的關(guān)系。圖中實線球面為基頻光折射率面，虛線球面為基頻光折射率面，球面為o光折射率面，橢球面為e光折射率面，z軸為光軸。X1PM方向?mn1n，n2n2，O負(fù)單軸晶體折射率球面折射率面的定義：從球心引出的每一條矢徑到達(dá)面上某點的長度，表示晶體以此矢徑為波法線方向的光波的折射率大小。實現(xiàn)相位匹配條件的方法之一是尋找實面和虛面交點位置，從而得到通過此交點的矢徑與光軸的夾角。圖中看到，基頻光中o光的折射率可以和倍頻光中e光的折射率相等，所以當(dāng)光波沿著與光軸成θm角方向傳播時，即可實現(xiàn)相位匹配，θm叫做相位匹配角，θm可從下式中計算得出()相位匹配角是指在晶體中基頻光相對于晶體光軸z方向的夾角，而不是與入射面法線的夾角。為了減少反射損失和便于調(diào)節(jié)，實驗中一般總希望讓基頻光正入射晶體表面。所以加工倍頻晶體時，須按一定方向切割晶體，以使晶體法線方向和光軸方向成θm，。z?基頻光W晶面法線晶體非線性晶體的切割以上所述，是入射光以一定角度入射晶體，通過晶體的雙折射，由折射率的變化來補償正常色散而實現(xiàn)相位匹配的，這稱為角度相位匹配。角度相位匹配又可分為兩類。第一類是入射同一種線偏振光，負(fù)單軸晶體將兩個e光光子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€倍頻的o光光子。第二類是入射光中同時含有o光和e光兩種線偏振光，負(fù)單軸晶體將兩個不同的光子變?yōu)楸额l的e光光子，正單軸晶體變?yōu)橐粋€倍頻的o光光子。單軸晶的相位匹配條件相位匹配正單軸晶負(fù)單軸晶第Ⅰ類匹配方式匹配條件第Ⅱ類匹配方式或或匹配條件或或相位匹配的方法除了前述的角度匹配外，還有溫度匹配，這里不作細(xì)述。在影響倍頻效率的諸因素中，除前述的比較重要的三方面外，還需考慮到晶體的有效長度Ls和模式狀況。圖4為晶體中基頻光和倍頻光振幅隨距離的變化。如果晶體過長，例L>Ls時，會造成倍頻效率飽和；晶體過短。例L<Ls，則轉(zhuǎn)換效率比較低。Ls的大小基本給出了倍頻技術(shù)中應(yīng)該使用的晶體長度。模式的不同夜影響轉(zhuǎn)換效率，如高階橫模，方向性差，偏離光傳播方向的光會偏離相位匹配角。所以在不降低入射光功率的情況下，以選用基橫?；虻碗A橫模為宜。晶體中基頻光和倍頻光振幅隨距離的變化相位匹配角一般說來，只有雙折射比較大的而色散又比較小的晶體，才有可能實現(xiàn)相位匹配，特別是Ⅱ類相位匹配，負(fù)單軸晶體大多能滿足相位匹配條件。AgGaSe2為負(fù)單軸晶體()。根據(jù)非線性光學(xué)理論，實現(xiàn)Ⅰ類相位匹配（o+o→e)的條件為：式中和分別是基頻o光和倍頻o光的折射率；為倍頻e光的折射率。AgGaSe2晶體感應(yīng)折射率橢球方程為：（）在透光波段（），AgGaSe2的折射率色散方程為：()式中，λ為光波波長，A,B,C,D,是晶體Sellmeier系數(shù)。將20℃下的Sellmeier系數(shù)帶入上式，可得：（）（）利用Matlab軟件作圖所得20℃時AgGaSe2折射率光波波長曲線圖（）可得其色散曲線，如圖所示。AgGaSe2晶體折射色散關(guān)系（20℃）折射率與已知，則任意角方向上的e光折射率的表達(dá)式為：（）由負(fù)單軸晶的Ⅰ類相位匹配條件，可得：（）單軸晶相位匹配條件下的晶體取向由于，，能夠預(yù)先測定，由式（）可以計算出角的大小為：（）在三波混頻過程中，對應(yīng)的波矢分別為、、，要想在非線性光學(xué)介質(zhì)的眾多非線性光學(xué)過程中保證和頻或差頻的產(chǎn)生，必須使這些光學(xué)光軸?mk單軸晶相位匹配條件下的晶體取向過程滿足相位匹配條件：。根據(jù)共線條件下的動量守衡公式：（）根據(jù)波矢量的定義（）式中，是頻率為光波折射率，為光波在真空的傳播速度，為光波的單位波矢量。根據(jù)（）和（）兩式的關(guān)系，可求得（）其中n為相互作用的三波折射率,下標(biāo)p為泵浦光，s為信號光，i為閑頻光。三波互作用還應(yīng)滿足能量守衡：（）再根據(jù)折射率關(guān)系（）式，還有負(fù)單軸晶體第一類匹配條件可知，信號光為e光，泵浦光與閑頻光均為o光，則有：（）結(jié)合，可得AgGaSe2光參量振蕩的相位匹配角：得到負(fù)單軸AgGaSe2的Ⅱ類相位匹配角與波長之間的調(diào)諧曲線，如圖（）所示。AgGaSe2的Ⅱ類相位匹配角與波長之間的調(diào)諧曲線在各向異性晶體中，沿波法線方向傳播的光具有兩束不同偏振方向（o光與e光）的光，它們的能量的傳播方向是分離的。只有當(dāng)波法線的方向平行于主軸時，兩束光的能量傳播方向才會一致。在一般情況下，非常光波（e光）的傳播方向會偏離波線方向（矢量不平行于矢量）。在光參量振蕩過程中，總有非常光（e光）參與，由于雙折射效應(yīng)，非常光的傳播方向?qū)⑵x尋常光（o光）的傳播方向，形成一離散角，。雖然光束具有一定的截面，但不能使與在整個路程上完全重疊，故原來共線傳播的泵浦光和參變光經(jīng)過一定的距離就會分離開，因不能相互作用而使參變光的轉(zhuǎn)換效率降低，這種效應(yīng)稱為光孔效應(yīng)。因此,在光參量振蕩過程中,由于光孔效應(yīng)使得抽運光和參變光的互作用長度（即有效長度）小于晶體的縱向通光長度,降低了參變光的轉(zhuǎn)換效率。因此,在實際的應(yīng)用過程中應(yīng)考慮走離角的影響,以保證光波的互作用長度大于或等于晶體的長度。光波走離角示意圖在單軸晶體中,o光的走離角為0°，e光的走離角為：（）當(dāng)實現(xiàn)第Ⅰ類相位匹配角為。結(jié)合式（）計算可得走離角。由以上結(jié)果可以看出，AgGaSe2單晶體在第Ⅰ類位相匹配條件下的走離角是很小的。由（）式可知，在滿足非臨界相位匹配條件（90°）時，。e光的傳播方向與光線方向一致，不存在光孔效應(yīng)，但是這樣的匹配在常溫下很難實現(xiàn)。由走離角可進(jìn)一步計算晶體的有效長度：相位匹配允許角在光參量振蕩調(diào)諧過程中，只有當(dāng)參變光波沿相位匹配角方