的限制, 得不到广泛应用. (2)从可见光到红外波段的频率转换晶体 • 磷酸盐: 磷酸二氢钾(KDP)结构型晶体和磷酸钛氧钾(KTP)型晶体
KDP特点: 具有优良的压电、电光和频率转换性能, 易生长, 得到广泛应用. KTP特点: 频率转换的”全能冠军”材料 • 碘酸盐晶体: -碘酸锂; 碘酸; 碘酸钾等 • 铌酸盐晶体: 铌酸锂; 铌酸钾; 铌酸锶钡等
三、光混频与光参量振荡
1. 光混频 入射两种不同频率的强光
E1 E10 cos1t E2 E20 cos 2t
E E1 E2
P ( E10 cos1t E20 cos 2t )
1 2
E102 ( 1
cos
21t
)
1 2
E 20 2
(
1
cos
2 2t
)
E10 E20[cos(1 2 )t cos(1 2 )t]
(3)紫外波段的频率转换晶体 偏硼酸钡(BBO)晶体: 倍频系数大, 倍频阈值功率高, 能在较宽的波段内实现 相位匹配, 激光损伤阈值高, 物理化学性能稳定. 三硼酸锂(LBO)晶体: 透光波段宽, 非线性光学系数大, 激光损伤阈值最高的 非线性光学晶体材料. LAP晶体: 非线性光学系数大, 紫外三倍频和四倍频转换效率高, 可制多频率 转换器.
0 (2) E10 cos(1t k1z)E20 cos(2t k2 z)
1 2
0
(2) (E120
E120 )
1 2
0
E (2) 2 10
cos[2(1t
k1z)]
1 2
0
E (2) 2 20
cos[2(2t
k2 z)]
0 (2)1020 cos[(1 2 )t (k1 k2 )z] 0 (2)1020 cos[(1 2 )t (k1 k2 )z]
M点: o光基频光与e光倍频光折射率交点 PM方向: 相位匹配方向 M: 相位匹配角
n2e (M ) n1o
两种匹配类型: o+o=e(ooe型)------Ⅰ类相位匹配或平行式匹配 o+e=e(oee型)------Ⅱ类相位匹配或正交式匹配
(2)温度相位匹配
• 对于某些非线性光学晶体, 如铌酸锂、磷酸二氢钾等, 它们的e光折射率 随温度的变化比o光的折射率快得多, 利用这一特性, 在M=90o条件下, 就 有可能通过适当地调节温度来实现相位匹配. • 角度相位匹配存在的问题: • 分类: M=90o------非临界相位匹配; M=90o------临界相位匹配 • 不是所有的非线性光学晶体都有可能实现90o的相位匹配.
通过长为l的晶体后的相位差
2
(ny'
n x
'
)l
2
no3 63Ezl
2
no3 63V
半波电压
V 2 2no3 63
7.3 非线性光学晶体材料
一、概述
1. 激光频率转换(变频晶体) (1)红外波段频率转换晶体 黄铜矿结构型晶体: AgGaS2; AgGaSe2; CdGeAs2 等 特点: 非线性光学系数很大, 但能量转换效率不高, 受晶体光学质量和尺寸大小
入射单色强光电场强度 E E0 cost
P E E 2 E0 cost E02 cos2 t
E0 cost
E02 2
( 1 cos 2t
)
1 2
E02
E0
cos t
1 2
E02
cos
2t
恒定电场 基频成分 倍频成分
二、非线性光学过程的相位匹配
1. 相位匹配条件
P(2) 0 (2)12
2. 电光晶体 磷酸二氘钾; 铌酸锂; 钽酸锂; 氯化亚铜等 特点: 能满足综合性能要求的晶体很少, 有待于进一步探索新型晶体.
3. 光折变晶体 钛酸钡; 铌酸钾; 铌酸锂等 特点: 仍需要寻找具有光折变灵敏度高, 响应速度快, 衍射效率高等特点的新 型光折变晶体材料.
二、非线性光学晶体应具备的性能
在应用的波段区域内实现相位匹配, 而且相位匹 配的角度宽容度和温度宽容度要大, 如果能够实现非临界相位匹配或通过 温度调谐等方法实现非临界相位匹配则更好.
(三)足够高的抗光损伤阈值.
(四)良好的化学稳定性, 不易风化, 不易潮解, 在较宽的温度范围内无相变, 不分解, 以保证能在没有特殊保护的条件下长期使用. 良好的力学性能使晶 体易于切割抛磨, 镀覆各种光学膜层,制作各种实用器件, 也是十分重要的.
和频成分
差频成分
介质除辐射直流、基频和倍频成分，还将辐射频率为和 频与差频的光波，称为光学混频。
2. 参量振荡
当一束频率为的强激光p(称为泵浦光)射入非线性光学晶体时, 若再在 晶体中加入频率远低于p的弱信号光(频率为s), 由于差频效应, 晶体 中将产生频率为p-s=i(称为空载频率)的极化波, 从而辐射出频率为 i的光波, 当此光波在晶体中传播时, 又与泵浦光混频, 便产生频率为 p-i= s的极化波, 进而辐射出频率为s的光波.
非线性光学谐波器件的设计原理
晶体的倍频效应
按相位匹配模式可分为： ➢ 共线相位匹配
① 倍频转换 ② 和频转换
第七章 非线性光学晶体材料
7.2 晶体的非线性光学基础
一、非线性光学现象
线性光学
光与介质相互作用，入射光的电场强度比介质中原子
内的场强小得多。
P 0E E
非线性光学
强光入射介质时
P E E 2 E3
倍频和混频
当激光与非线性介质作用，入射光通过介质后， 其输出频率较入射频率有所变化，会出现倍频光、 和频光与差频光。
例: 和频
极化波
电磁波
频率 传输常数
3 1 2
k1
k2
n(1 )
c
1
n(2 )
c
2
3 1 2
k3
n(3 )
c
3
n(3 )
c
(1
2 )
2. 实现相位匹配的途径
(1)角度相位匹配: 负单轴晶 n2 (2) n1()
球面: o光折射率面 实线: 基频光 虚线: 倍频光
椭球面: e光折射率面 实线: 基频光 虚线: 倍频光
目的: 使信号光波的功率得到放大
四、晶体的电光效应
• 概念: 在外加电场的作用下引起晶体折射率发生变化的效应. • 某些晶体上加电场后, 将改变光在晶体中传播时所表现的各向异性特性.
加电场后的折射率
nx'
no
1 2
no3 63Ez
ny' nx' no3 63Ez
n y'
no
1 2
no3
63 E z