第四章三次谐波与四波混频ppt课件.ppt
第四章 三次谐波与四波混频,三次谐波,四波混频,三阶非线性效应,非线性光学中的三大类效应,1、基于非线性极化率 和耦合波方程描述的效应。 2、光折变效应-介质对光场的非局域响应，其物理模型是光诱 导下的载流子再分布引起的折射率改变。3、光学瞬态相干效应-光与介质相互作用时间远小于介质驰豫 时间，是指完全相干的强激光场与忽略 随机自发驰 豫行为的共振吸收介质间的相干相互作用。,三阶非线性光学效应概述,主要特点：1、基于 及耦合波方程描述。 2、无论介质有何种对称性，总存在一些非零的 张量元，原则上三阶非线性光学效应可 在所有介质中观察到。 3、比二阶效应弱几个数量级( )，更难 于观察。 4、三阶效应中参与相互作用的有四个光电场， 现象更加丰富。,1、参量过程-光与介质相互作用后，介质仍回到 初态，能量只在光场与光场之间转移。 一些重要的三阶非线性光学效应： 三倍频(THG)。 光感应折射率改变及其相关效应（自聚焦、光 Kerr效应等）。 四波混频(FWM)。 相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)。,分类：,受激拉曼散射(SRS)、受激布里渊散射(SBS)。 双光子吸收(TPA)。 饱和吸收(SA)。,2、非参量过程- 介质在与光场相互作用后的终态与初态不同了，发生了光场与介 质间的能量转移。,分类：,4.1 三次谐波,图3-9 四波混频过程的显子跃迁图解 (a)三次谐波， (b)四波和频， (c)和(d)光子参量作用,物理过程,4.1 三次谐波,无论是中心对称或各向同性介质，均可能存在 的三次谐波，来源于 的三阶极化。 设入射光场为沿Z轴传播，频率为 的单色平面 波： 三次谐波场强为： 对耦合波方程作慢变振幅近似 ,耦合波方程求解：,则耦合波方程可简化为：将 （ 为 方向的单位矢量）代入(6.1-1a)得,将 写成 ，则令 得为简便起见，做小信号近似 (即 波损耗很小)得,三次谐波,三次谐波,当 时：,直接用三阶非线性效应得到,相位匹配条件：,三次谐波,先通过二倍频再通过混频，得到三倍频。,三次谐波,先通过二倍频再通过混频，得到三倍频。,三次谐波,先通过二倍频再通过混频，得到三倍频。,三次谐波,I. 晶体： （1）晶体中的激光损伤强度阈值较低，无法使用高强度的入射激光。 （2）晶体中的双折射特性难以实现三次谐波所要求的位相匹配。 所以，一般难以在晶体中直接实现三次谐波(THG)，方解石直接实现THG相位匹配的晶体。 目前实验结果：在4mm长方解石晶体中以 的转换效率得到了三次谐波输出。 （3） 对紫外光吸收较强,三次谐波,实现三次谐波的介质,实现三次谐波的困难,II. 气体、原子蒸汽（惰性气体He, Xe, Kr 等；碱金属、碱土金属蒸汽Na, Rb, Cs, Ti, Ca, Hg等） （1）尖锐的吸收线-共振增强效应显著。 （2）激光损伤强度阈值比晶体中高几个数量级， 可以采用高强度的入射激光场。 （3）气体大多有很宽的透明范围（20nm可见、红外区） 所以，在高强度激光作用下，气体中的三阶极化强度可以和晶体中的二阶极化强度相比拟，特别适合用来产生XUV(20nm100nm)和VUV(100nm200nm)波段的相干辐射。,三次谐波,实验结果： （1）30ps、300MW、1064nm基频光；长度50cm、 Rb(3Torr):Xe(2000Torr)样品；输出354.7nm三次谐波，转换效率10%（2） 532nm基频光，样品为Cd:Ar混合气体，产生177.3nm三次谐波输出。 (3) 354nm基频光，样品为Xe:Ar混合气体，产生118.2nm三次谐波输出，转换效率最大为0.3%,三次谐波,3、 的表示式及其共振增强 设气体原子浓度为N，由非线性极化率的微观表达式及费曼图形技术可计算得：,三次谐波,其中,上式是在忽略了衰减常数 (反映 间能级跃迁的线宽的阻尼因子）后简化得到的，式(6.1-3)中：,三次谐波,讨论： （1）调谐 ，对应的项分母 变得很小，于是该项变得很大，远大于其他项， 这种致使 增大的效应称作共振增强效应。 （2） 两能级间必须是允许跃迁的，而且要注 意符合跃迁选择定则，否则会因为相应的跃迁 几率为零（分子为零）而导致相应项也为零。 例如，对于Na原子 （3）在三次谐波的共振增强中，最好是利用双光子 共振，这样不会使入射的 场和产生的 信 号场有严重的吸收，又能大大增强 值。,三次谐波,双光子共振增强实验结果： 入射 场均为600nm波长激光， 与 共振； 在Na原子蒸汽中填充Xe气体，实现 相位匹配； 当输入激光功率为100mW，脉冲宽度为12ps时， 得到200nm处的THG输出，效率接近千分之一。 （4）共振增强后的 大小估算： 入射 场：1.06um， 与 相差约几百 近共振。 Na蒸汽浓度： 入射光强：,三次谐波,Fig 6.1a 钠原子能级结构图,三次谐波,Fig 6.1b 钠的三阶非线性极化率 对基波波长的关系曲线。,三次谐波,而在KDP晶体的倍频效应中 相比之下，Na蒸汽中的三次谐波也并不难观察到。4、三次谐波的相位匹配 由于气体是各向同性的，不能利用双折射来实现上面的相位匹配条件。而需要利用金属蒸汽的反常色散频段，充以适当比例的具有正常色散的缓冲气体（例如Xe)，从而实现：,三次谐波,Fig 6.2 (a) Rb和Xe的折射率对波长的关系曲线（b）相位匹配的三次谐波产生所要求的Xe原子数对碱金属原子数的比值与基波波长的关系曲线。,三次谐波,用填充缓冲气体的方法进行相位匹配的优点是不存在Walkoff效应，光与介质相互作用区可以保持很长的长度（几十cm），从而大大提高转换效率。,三次谐波,4.2 四波混频及红外、紫外调谐激光的产生,1、四波混频耦合方程求解,1、四波混频耦合方程求解,讨论: （1）四波混频的相位匹配条件 一般也是通 过正、反常色散气体按比例混合而实现的。 （2） 四波混频由于有三个频率 ，所以往 往可以实现双重或者三重共振增强。Fig6.3(b) 中即为实现三重共振增强的方案， 其中：,四波混频,四波混频,（3）四波混频可用于实现可调谐红外激光：,四波混频,四波混频,四波混频,图 四波和频系统实验装置示意图,四波混频,实验装置,
