相位匹配及实现方法.docx

相位匹配及实现方法实验证明,只有具有特定偏振方向的线偏振光,以某一特定角度入射晶体时,才能获得良好的倍频效果,而以其他角度入射时,则倍频效果很差,甚至完全不出倍频光。根据倍频转换效率的定义2wco(15)经理论推导可得2n 。n与L??k/2关系曲线见图1。图中可看出,要获得最大的转换效率,就要使频晶体的通光长度,不等于0,故应?k=0,即卩L??k/2(16)L是倍图1倍频效率与L??k/2k2k1k2—(n1n2图2负单轴晶体折射(17)就是使2nn, (18)no和n20分别为晶体对基频光和倍频光的折射率。也就是只有当基频光和倍频光的折射率相等时,才能产生好的倍频效果,式(18)是提高倍频效率的必要条件,称作相位匹配条件。由于v亠c/n°,V2o=c/n20,vo和V2o分别是基频光和倍频光在晶体中的传播速度。满足(18)式,就是要求基频光和倍频光在晶体中的传播速度相等。从这里我们可以清楚地看出,所谓相位匹配条件的物理实质就是使基频光在晶体中沿途各点激发的倍频光传播到出射面时,都具有相同的相位,这样可相互干涉增强,从而达到好的倍频效果实现相位匹配条件的方法:由于一般介质存在正常色散效果,即高频光的折射率大于低频光的折射率,如n2°—n°大约为10一2数量级。?k工0。但对于各向同性晶体,由于存在双折射,我们则可利用不同偏振光间的折射率关系,寻找到相位匹配条件,实现?k=0。此方法常用于负单轴晶体,下面以负单轴晶体为例说明。图2中画出了晶体中基频光和倍频光的两种不同偏振态折射率面间的关系。图中实线球面为基频光折射率面,虚线球面为倍频光折射率面,球面为o光折射率面,椭球面为e光折射率面,z轴为光轴。折射率面的定义:从球心引出的每一条矢径到达面上某点的长度,表示晶体以此矢径为波法线方向的光波的折射率大小。实现相位匹配条件的方法之一是寻找实面和虚面交点位置,从而得到通过此交点的矢径与光轴的夹角。图中看到,基频光中o光的折射率可以和倍频光中e光的折射率相等,所以当光波沿着与光轴成Bm角方向传播时,即可实现相位匹配,9m叫做相位匹配角,9m可从下式中计算得出si2 (no)2(n0)2Sinm2 2 2 2(n;)2(n2)2, (19)22式中n°,n。,ne都可以查表得到,表1列出几种常用的数值。表1相位匹配角晶体入/口mn。°°30,*°57',相位匹配角是指在晶体中基频光相对于晶体光轴 z方向的夹角,而不是与入射面法线的夹角。为了减少反射损失和便于调节,实验中一般总希望让基频光正入射晶体表面。所以加工倍频晶体时,须按一定方向切割晶体,以使晶体法线方向和光轴方向成9 m,见图3。图3非线性晶体的切以上所述,是入射光以一定角度入射晶体,通过晶体的双折射,由折射率的变化来补偿正常色散而实现相位匹配的,这称为角度相位匹配。角度相位匹配又可分为两类。第一类是入射同一种线偏振光,负单轴晶体将两个e光光子转变为一个倍频的o光光子。第二类是入射光中同时含有o光和e光两种线偏振光,负单轴晶体将两个不同的光子变为倍频的e光光子,正单轴晶体变为一个倍频的o光光子。