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7.4光学和频与差频效应和频(频率上转换)差频(频率下转换)扩大激光器的频谱范围例:可见光或近红外激光紫外波段的激光利用近红外波段激光的泵谱将中红外波段的激光变换成近红外区域或可见光区域的光波.差频:可见光中红外中红外远红外第32页,共49页,2024年2月25日,星期天强信号光(泵谱光)\弱信号光假设三束光波均沿z轴传播的平面波,则和频效应的耦合波振幅方程为:假设在非极化过程中泵谱光的强度基本不变,且满足相位匹配条件,则有效极化率第33页,共49页,2024年2月25日,星期天解方程组可得则利用边界条件得和频光波的振幅第34页,共49页,2024年2月25日,星期天若晶体长度为L,则和频光在出射端的振幅和光强分别为和频光的光强与入射红外信号光的光强成正比光子观点:能量守恒:动量守恒:相位匹配条件:第35页,共49页,2024年2月25日,星期天实验系统包括两种不同频率的入射光波非线性介质实现相位匹配的系统第36页,共49页,2024年2月25日,星期天7.5光学参量振荡与放大
7.5.1光学参量效应的描述光学参量放大效应看作一种特殊的光学差频放大过程第37页,共49页,2024年2月25日,星期天光学参量振荡器
把参量放大器放在光学谐振腔内构成的系统增益大于损耗,产生相干光振荡第38页,共49页,2024年2月25日,星期天在光学参量放大和光学参量振荡过程中,能量守恒和动量守恒假设它们均沿同方向传播,折射率匹配条件第39页,共49页,2024年2月25日,星期天7.5.2光学参量放大效应假设泵浦光、信号光和闲频光均为沿z方向传播的单色平面波,且在非线性相互作用过程中泵浦光的强度不变,即则参量放大过程的耦合波方程为假设信号光和闲频光有如下指数形式的特解:第40页,共49页,2024年2月25日,星期天从而得:由上式解得参量增益因子有效增益因子第41页,共49页,2024年2月25日,星期天将参量增益因子代入得考虑初始条件满足相位匹配条件信号光的光强随传输距离的变化规律为第42页,共49页,2024年2月25日,星期天根据上式得信号光的光强随传输距离的变化规律为当gz1的条件满足时增益因子sinhx=(ex-e-x)/2coshx=(ex+e-x)/2第43页,共49页,2024年2月25日,星期天7.5.3光学参量振荡器将光学参量放大器放置在光学谐振腔中,当泵铺功率达到一定值时,信号光和闲频光就会在腔内形成稳定振荡,构成光学参量振荡器单谐振荡器双谐振荡器1.振荡条件和阈值假定非线性晶体充满光学谐振腔,且只有腔内的输出损耗设光学谐振腔的两反射镜对信号光的反射率为R1,对闲频光的反射率为R2,当信号光和闲频光从Z=0传播到Z=L时,信号光和闲频光为第44页,共49页,2024年2月25日,星期天当信号光和闲频光在光学谐振腔内往返一周又回到开始位置时,信号光和闲频光的振幅为相位匹配条件不满足,无参量增益作用系数行列式等于0第45页,共49页,2024年2月25日,星期天光学参量振荡的阈值条件设则对于双谐振腔阈值泵浦光强对于单谐振腔阈值泵浦光强R1和R2均趋于0R1和R2一个趋于1,一个趋于0第46页,共49页,2024年2月25日,星期天例:非线性晶体LiNO3,长度L=50mm,n1=n2=2.24,n3=2.16,λ1=647nm,λ2=3um,λ3=532nm。双斜振荡器两个反射镜的反射率均为99%,则(1-R1)(1-R2)=0.0001得泵浦光强是7*105W/m2第47页,共49页,2024年2月25日,星期天2.频率调谐通过改变晶体折射率参数可实现可调谐激光输出在频率调谐过程中,必须满足相位匹配条件假设非线性晶体为单轴晶体,泵浦光是非常光(e光)、信号光和闲频光是寻常光(o光),实现角度相位匹配条件为温度匹配能量守恒关系在入射的泵谱光给定的前提下,对具有一定折射率特性的非线性介质,总有一对确定的频率满足,形成振荡.第48页,共49页,2024年2月25日,星期天感谢大家观看第49页,共49页,2024年2月25日,星期天关于激光频率变换技术7.1介质的非线性极化7.2非线性耦合波方程7.3光学倍频7.4
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