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非线性晶体

  • 分类:Technology
  • 发布时间:2019-10-24 00:00:00
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非线性光学晶体
  光在介质中传播的过程就是光与物质相互作用(主要是电场作用)的过程,对于这个动态过程,可以按照介质对光的响应和辐射过程进行描述,如果采用极化(光波中的电场对介质产生极化强度)理论,可以认为光在介质中传播时,将感应极化,所产生的极化强度作为激励源又将产生光辐射,这个光辐射就是在在介质中传播的光波,极化强度P与光电场E的关系为:
  P=ε0Χ•E(ε0是介电常数,Χ为极化率张量) 式1
  如果介质对光的响应呈线性关系,则Χ是常量,与光电场E无关,所产生的光学现象属于线性光学范畴,光在介质中的传播规律遵从独立传播原理和线性叠加原理;
  如果介质对光的响应呈非线性关系,式1变为:
  P=ε0Χ(E)•E 式2
  极化率张量Χ与光电场有关,所产生的光学现象就属于非线性光学范畴,光在介质中的传播会产生新的频率,不同频率的光波之间会产生耦合,独立传播原理和线性叠加原理不再成立,产生非线性响应的晶体即非线性晶体;
  对于非线性晶体,其是否产生非线性响应也与入射光的光强度有关,只有入射光达到一定强度,晶体产生的极化强度足够大时才能产生非线性效果,这种高强度光一般是激光。
  倍频
  式2还可以写为:
  P=ε0Χ(E)•E+Χ(2)(E)•E2+Χ(3)(E)•E3+ ••• 式3
  Χ(2)(E)、Χ(3)(E)分别是二阶非线性介电极化率、三阶非线性介电极化率;
  由式3可以知道,当一束激光入射非线性光学晶体时,会引起非线性响应,产生一系列的响应光;若非线性响应符合相位匹配,即二阶非线性极化最强,得到的响应光的频率是入射光频率的两倍,即光学倍频。
  OPO(光学参量振荡器)
  由于工作物质特征频率的关系,一种激光器只能具有固定波长的激光输出,这就给其应用带来很大的局限性。拓展激光波长覆盖范围一般利用可调谐激光器和非线性光学晶体的非线性效应。在普通激光器中,只能对外输出单色的激光,若在激光器中放入能够产生光学参量放大现象的非线性光学晶体,当泵浦光通过晶体时,产生两束光,后两束光的频率和等于泵浦光,即光学参量振荡,产生的两束光分别为信号光和空闲光;
  在谐振腔内,泵浦光、信号光及空闲光多次往返通过非线性介质,当信号光和空闲光由于参量放大(泵浦光不断形成信号光和空闲光)得到的增益大于它们在共振腔内的损耗时,便在谐振腔内形成激光振荡,这就是光学参量振荡器。
  调谐功能是所有参量振荡器的基本特征,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空闲光的波长,从而得到新的相位匹配条件,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。
  光学参量振荡器(OPO)因其调谐范围宽、结构紧凑、使用方便以及功率高、产生的波长覆盖范围宽(从紫外到远红外)、具有较高的能量转换效率等诸多优点,己被广泛应用于各领域(新材料、生物、化学、共振光谱、测距、雷达等)。常见的用于光学参量振荡器的非线性晶体有KTP、LBO、BBO、LiNbO3等。

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