第6讲光学参量振荡器课件

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1、单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,图 1 三波相互作用过程，表示输入频率，表示产生的频率,Parametric generation,3,2,1,光学参量振荡器,(Optical Parametric Oscillator),图 1 三波相互作用过程，表示输入频率，表示产生的频率,1,参量放大器,：频率为,w,1,和,w,3,的光波差频出,w,2,的光波，同时频率为,w,1,的光波得到放大，称为参量放大，功率放大倍数为：,G,0,为相位匹配条件下的增益系数,(1/cm),l,c,为表征参量放大过程的特征长度,光学参量振荡器,（,Op

2、tical Parametric Oscillator,）：在相位匹配条件下，高频泵浦光与两个低频光相互作用，两个低频光都得到放大。如果将非线性介质放在谐振腔内，并使这个谐振腔对这两个低频光共振，在参量放大的增益超过损耗时，两个光波会同时产生振荡。,为方便起见，两个振荡光波分别叫信号波,(Signal),和闲频波,(Idler),。,信号光和闲频光同时在腔内振荡，称为双共振光参量振荡器,(Doubly Resonant Oscillator),；,只有信号光或闲频光在腔内振荡，称为单共振光参量振荡器,(Singly Resonant Oscillator),。,参量增益,E,(,1,),E,(

3、,3,),E,(,2,)=0,参量放大器：频率为w1和w3的光波差频出w2的光波，同时频率,2,光参量振荡器基本结构,乔麦特和米勒,1965,年研制的第一台光学参量振荡器,l,s,l,i,光参量振荡器基本结构乔麦特和米勒1965年研制的第一台光学,3,参量增益：,设,k=0,Single pass gain is,47,%,E,(,1,),E,(,3,),E,(,2,)=0,差频产生和,参量放大,参量增益：设 k=0 Single pass gain,4,图,OPO,三种工作方式,HR,l,s,HT,l,i,HT,l,p,HR,l,s,HR,l,i,HT,l,p,HR,l,s,HR,l,i,H

4、R,l,p,HR,l,s,HR,l,i,HR,l,p,PR,l,s,PR,l,i,HT,l,p,PR,l,s,HT,l,i,HT,l,p,PR,高反；,HT,，高透；,PR,，部分反射,图 OPO三种工作方式HRlsHRlsHRlsHR,5,Phase accumulation,Phase accumulation,Reflection,Reflection,-Similar to amplifier problem but in this case the steady-state condition means,that both the signal and idler beam are

5、 effectively input into,the cavity.Solve problem with these two initial conditions,L,After interacting in forward pass with pump beam inside cavity,(2),Solve equations below for the above boundary conditions,i.e.,计算入射端信号光和闲频光光电场都不为零情况下的参量放大,Phase accumulationPhase accumu,6,参量增益（,Parametric Gain),化为二

6、阶齐次微分方程组：,通解为,频率为,w,3,的泵浦光场不损耗，耦合波方程：,由边界条件：,通解系数：,参量增益（Parametric Gain)化为二阶齐次微分,7,双共振,OPO,产生的两个光电场解：,双共振OPO产生的两个光电场解：,8,信号光和闲频光在腔内往返传输及,自洽条件模型,如果 在谐振腔内往返一周不变，就表示信号光和闲频光处在稳定的振荡条件。,r,1,r,2,r,1,r,2,图为,OPO,基本模型。为简单起见，假定非线性晶体本身作为一个光学谐振腔，其两端对信号光和闲频光的反射率为,R,1,2,=|r,1,2,|,2,r,为对光电场振幅反射系数，,R,为光功率反射系数。腔镜对泵浦光

7、是透明的。,模型中,，,镜面反射矩阵：,信号波和闲频波反向传输矩阵,：,信号光和闲频光在腔内往返传输及自洽条件模型如果,9,谐振腔内光场往返振荡的,自洽条件：,往返一周后的行“矢量”,方程组有解条件为：,b,c,d,e,a,经过非线性晶体的参量增益、相位累加,输出镜镜面反射,反向再次经过非线性晶体无增益、相位累加,输入镜镜面反射,谐振腔内光场往返振荡的自洽条件：往返一周后的行“矢量”方程组,10,双共振,OPO,相位条件,镜面上相位，令,M,矩阵,det(M-I)=0,Signal and idler are both,standing waves in cavity,双共振OPO相位条件镜面

8、上相位，令M矩阵det(M-I)=,11,双共振,OPO,阈值条件,根据泰勒级数展开式,由,满足相位条件的自洽条件重写为：,利用,双共振,OPO,阈值条件,双共振OPO阈值条件 根据泰勒级数展开式由满足相位条件的自洽,12,单共振,OPO,阈值条件,单共振,OPO,阈值条件也可写成,双共振OPO与单共振OPO阈值比较,令,r,2,=0,相位条件,振幅条件,单共振OPO阈值条件 单共振OPO阈值条件也可写成双共振OP,13,用光强,I,表示双共振,OPO,阈值,用光强,I,表示单共振,OPO,阈值,用光强 I 表示双共振OPO阈值 用光强 I 表示单共振OP,14,例，,I,类匹配,LiNbO,

9、3,晶体,，,d,31,=5.95pm/V,L=1cm,c,=0.53m ,1,=,2,=1.06m n,1,n,2,n,3,2.24,R,1,=R,2,=0.98,举例：,相当于平均功率,10W,的,1.06,微米连续波激光聚焦到直径,0.5mm,形成的功率密度,例，I类匹配 LiNbO3晶体，d31=5.95pm/V,15,BBO(,b,-BaB,2,O,4,，偏硼酸钡,),晶体由中科院福建物构所首先生长成功的，特点是损伤阈值高，紫外透明范围宽，非线性系数中等,(,大于,KDP,，小于,LiNbO,3,).,BBO,晶体属于三角晶系，,3(C3),晶类，,负单轴晶体,。微潮解，透明波段,0

10、.193.3,m,m,。,。,BBO,晶体主轴折射率的,Sellmeier,色散公式,:,OPO,应采用,I,类匹配,能量守恒,：,波法线的菲涅尔方程,动量守恒,BBO(b-BaB2O4，偏硼酸钡)晶体由中科院福建物构所首,16,OPO带宽由相位失配量决定：,;近简并点,带宽增大,355nm,紫外激光泵浦的,I,类相位匹配,BBO OPO,调谐曲线,BBO OPO示意图,OPO带宽由相位失配量决定：;近简并点 带,17,化学式：,ZnGeP,2,结构,黄铜矿,晶体对称和类型,42m,熔点,1040,C,密度,4.162/cm,3,显微硬度,980,80kg/mm,2,莫氏硬度,5.5,热导率,

11、180mW/(cm.K),热膨胀系数,=5,10,-6,K,-1,=7.8,10,-6,K,-1,光学对称,正单轴（,n,o,n,e,）,有用透明范围,212,m,m,非线性系数,d,36,=75,8pm/V,有效非线性系数,type I d,eeo,=d,36,sin,2,cos2,type II d,eoo,=d,36,sin,sin2,ZnGeP,2,晶体物理及化学特性,化学式：ZnGeP2结构 黄铜矿晶体对称和类型42m熔点10,18,表,2 ZnGeP,2,晶体主轴折射率,Sellmeier,公式系数,Polarization A B C D F,Ordinary 4.6151125

12、9 5.12797577 0.13623774 2.16936050 900,Extraordinary 4.69874418 5.27924444 0.l4339365 2.09861247 900,ZnGeP2晶体主轴折射率方程：,I,类匹配下，共线动量守恒公式,II,类匹配下，共线动量守恒公式,表2 ZnGeP2晶体主轴折射率Sellmeier公式系数P,19,ZnGeP,2,OPO I,类和,II,类相位匹配角度调谐曲线,ZnGeP2 OPO I类和II类相位匹配角度调谐曲线,20,PPLN,（周期性极化,LiNbO,3,)OPO,调谐波长与极化周期,L,关系,1,阶准相位匹配,ee+e,MgO:PPLN OPO,调谐波长与晶体温度关系,O.Paul,Appl.Phys.B 86,2007:111,PPLN,PPLN（周期性极化LiNbO3)OPO 调谐波长与极化周,21,