相位匹配理论

又称折射率曲面，k 方向上 k 或 n 的大小。
ne
2
•
•
no与conso22无 关 ，sinn球e22面 ；1
课后思考？
与 无关，旋转椭球
no
ne
y
• 无论 no或 ne ， n 正常色散
折射率椭球： 偏振方向上折射率大小
I类匹配，基波取同偏振 o 光
（3）什么是激光倍频技术？什么是相位匹配角、转换效率？ （4）激光倍频晶体是各向同性还是各向异性的？为什么？
不足：波长无法进行连续调谐
气 类型原子
体
激
分子
光
器
离子
名称 He-Ne CO2
N2 Ar+ He-Cd
工作物质 He-Ne CO2 N2 Ar+ He-Cd
波长(μm ) 0.6328 10.6 0.3371 0.4880 0.4416
激励方式 气体放电 气体放电 气体放电 气体放电 气体放电
固体 激光
器
红宝石 Nd3+－YAG
Cr3+－ Nd3A+－l2OY3AG
0.6943 1.06
光泵浦 光泵浦
钕玻璃
Nd3+
1.06
光泵浦
液体激光器
染料
染料
0.32
激光泵浦
半导体 激光器
GaAs/ GaAlAs
InP/InGaAsP
GaAs InP
0.85
电流注入
1.30
电流注入
特征 广泛 高功率输出 无谐振腔 常用作 泵浦源
(4)海洋水色和海洋资源探测 400～450nm之间的蓝色激光光源是感知系海洋水色的有 力武器，可用于探测海洋渔业资源。
5)激光制冷 蓝色激光可用于捕获和阻尼铯原子的热振动，消除因热振 动而引起的多普勒加宽，为光谱线的精确计量提供保证。
此外，全固态蓝色激光光源还有望在数－模转换器件、 激光和刷术、激光医学、生化技术、材料科学和光通信等 许多领域得到广泛的应用。
偏离最佳匹配角
k

m



L
三、非线性光频转换应用列举
鉴于全固态蓝色激光光源的广泛应用领域，使得该波段 激光器的研制成为目前国际激光波段扩展的一个重要方向。 1、实现全固态蓝色激光光源的途径：
(1)直接发射蓝光的激光二极管； 直接发射蓝光的半导体激光器，具有结构简单、使用
方便、电-光转换效率高等优点。能够直接发射蓝色激光 的LD一直受到人们的关注。但由于半导体材料本身的缺 陷难于克服，使得蓝色激光二极管的发展相对缓慢，与实 用化之间还有一段距离。
曲线B: e 光主折射率 ne2
ne
0 时，与曲线
A重合；
90 时，下移到
曲线 B。
• 对于负单轴晶体 I 类匹配，要求 ne2 no，从 no A 作水
平线，找到 ne2 mI ；
• 曲线 A、B之间为匹配区，只要 ne2 no，总可以找到匹配点。
（3）LD泵浦非线性转换蓝光激光器
利用了LD发射谱线能够很好地与Nd3+、Cr3+等激活 离子的吸收带相匹配，并通过倍频、和频等方法来得到高
转换效率的蓝色激光输出。
2、蓝色激光器的应用简介
(1)彩色激光显示 高亮度的蓝色激光系统完全可以和发展相对成熟的红色 LD、内腔倍频的全固化绿激光器一起，作为彩色显示的 全固体标准三基色光源。这种新型的低功耗、长寿命、高 光束质量的激光光源，不仅效率高(与荧光光源相比)，而 且更加忠实于自然光，能够消除白炽光源产生的黄影和荧 光光源产生的绿影，实现三基色的平衡。
L
求出允许的 的范围
相位匹配理论内容小结
•
k 2 n2 n
C
选择 m
• deff e2 d 2;1,1 : e1e1 选择 m
两类匹配方式 I类匹配，两个低频波取同偏振（o光或e光） II类匹配，两个低频波取正交偏振（一个o光，一个e光）
(2) LD直接倍频蓝光激光器 通过二次谐波(SHG)将LD的红外输出直接倍频而得到
蓝色激光的方案，能够实现高的光-光转换效率。它要求 LD不仅能够输出较高的激光功率，而且还必须实现单管、 单频运转。因此，采用电学边带压缩或光学反馈压缩等技 术，通过外腔加强的办法，改善LD光束质量、压缩其发
射线宽，相干公司正利用此项成果开发用于光存储的商品。
• 坡印廷矢量偏离；（k 和 s 偏离）
• 高斯光束发散；
偏离波矢匹配条件使倍频效率降低，问题：偏离角 允许多大？
判据： kL
22
SHG
~
sin
c 2
kL 2
将k 在 m附近展开：
判据
k
k
m

k

m



II类匹配，基波取正交偏振的两个波（仍以负晶体为例）
o e e2
k k2 k1 k1 0

C
2ne2 no
ne
0
相同的
ne2

II m

1 2
no

ne

II m
等效于基频双折射减少
z
k (II)

II m
y
对于正晶体（ ne no ）
I 类： e e o2 II类： o e o2
思考：对于负单轴晶体，倍频 光能不能是 o 光？
同样，对于正晶体，倍 频光能不能是 e 光？
3、相位匹配角宽度
以上讨论仅限于理想平面波，实际中由于
• 光路调整偏离 m ；（即使是理想平面波）
(3)数字视频技术 全固体蓝激光器最令人鼓舞的应用是用作数字视频领域中 CD－ROM、CD及DVD等的光源。据东芝公司多媒体实 验室的Akito Iwamoto宣称，预计于2005年推出以蓝激光 为光源的只读数字视盘(DVD－ROM)，在适当改善光学系 统数值孔径和数字处理电路的性能后，其容量能够达到目 前以635nm红光LD为光源的CD－ROM的7倍以上。
o o e2
k k2 k1 k1 0 ne2 no
2
C
ne2 no
0
z k(I)

I m
no
y
ne2
•
ne2

与
no
的交点决定
k(I)
和

I m
；
•
满足

I m
的所有

方向都满足相位匹配，是一个圆。
•
四、非线性实验过程演示录像
半导体泵浦非线性晶体(KTP)倍频实验装置图 ：
实验所测得光谱图
实验过程多媒体录像
思考问题
(1)
ne2
cos2

no 2

sin 2
ne 2
1

（2）对于负单轴晶体，倍频光能不能是 o 光？ 同样，对于正晶体，倍频光能不能是 e 光？
应用广泛， 可得到高功
率输出
波长可调 短波长通信
长波长通信
二、非线性光学相位匹配理论
1、非线性倍频转换效率表达式：

P 2 P

8 2d 2 L2 P
cn12n3 A
sin( KL ) 2

2

KL 2

其中：Δ K为波矢失配
相位失配： 由于
，通常
，利用双折射，选择
(2)高密度光存储 与目前常用作光源的780nmLD相比较，蓝色激光的优点 是波长短，光点面积小，若再利用存储介质对短波长激光 更加敏感的特点，采用新的编码技术，则可以提高存储密 度近1个量级。按目前的蓝光光盘计划，可以在一张12cm 的光盘上实现27GB的存储量，它是现有技术的六倍，可 以实现所有数字信息的存储（包括音频、视频、电视、照 片等应用）。
由 ne2

cos2

no2

sin 2
ne2
1
解出：sin
2

I m

no
2

no2
2
ne2 2 no2 2
考虑色散曲线
n
no2 曲线A: o 光折射率
no
• no 随频率（波长）变化，
以曲线 A为代表；
• ne也随频率（波长）变
化，同时随 变化；
相位匹配理论
一、传统激光器件的优势及不足之处 二、非线性光学相位匹配理论 三、非线性光频转换应用列举 四、非线性光频转换实验录像演示 五、思考问题
一、传统激光器件的优势及不足之处
优势
1、相干性极好
（时间相干性好（～10 - 8
埃）， 相干长度可达几十公 里。） 2、空间相干性好 （有的激光波面上各个点都是 相干光源。） 3、方向性极好（发散角～10 -4 弧度） 4、脉冲瞬时功率大（可达～10 14瓦） 5、亮度极高
与基波及倍频波的偏振方向有关，选择
2、相位匹配原理
两类匹配方式
I 类匹配，两个低频波取同偏振（ o 光或 e 光） II 类匹配，两个低频波取正交偏振（一个o光，一个e光）
以负单轴晶体为例（no ne）
波矢面的特点：
KDP (KH2PO4) 磷酸二氢钾 LN (LiNbO3) 铌酸锂
no2 z