倍频效应二次谐波
二次谐波法
二次谐波法二次谐波法是一种常用的测量方法,在多个领域中广泛应用。
本文将介绍二次谐波法的原理、测量步骤和应用范围,以便读者能够更好地了解和运用该方法。
二次谐波法是利用待测物质对入射光产生的二次谐波进行测量的方法。
当入射光通过非线性介质时,会产生二次谐波信号。
该信号的频率为原始频率的两倍,且具有特定的强度与待测物质的浓度相关。
三、测量步骤1. 准备工作:确保实验环境稳定,并校准所使用的光源和检测器。
2. 设置实验条件:根据待测物质和实验需求,选择适当的光源频率和功率,调整入射角度和检测器位置。
3. 放置样品:将待测物质放置在二次谐波发生器中,并调整信号放大器以获得清晰的信号。
4. 开始测量:启动二次谐波发生器,记录并分析得到的二次谐波信号。
5. 数据处理:根据测量结果,进行数据处理和分析,得出所需的待测物质浓度或其他相关信息。
四、应用范围二次谐波法在多个领域中得到广泛应用,包括但不限于以下几个方面:1. 材料科学:通过测量材料的二次谐波信号,可以获得材料的非线性光学参数,从而为材料的设计和应用提供重要参考。
2. 化学分析:通过对待测化合物的二次谐波信号进行测量和分析,可以实现对化合物浓度的准确测定,并用于质量控制等领域。
3. 生物医学:应用二次谐波法可以对生物体内的某些分子或组织进行非侵入性的测量,例如对组织中的胶原纤维浓度进行评估,以及肿瘤标记物的检测等。
4. 光学设备测试:二次谐波法可用于光学元件的测试和校准,例如检测激光器的输出功率稳定性以及光学谐振腔的谐振频率等。
二次谐波法是一种常用的测量方法,可以通过测量样品产生的二次谐波信号来获得相关参数或信息。
本文介绍了该方法的原理、测量步骤和应用范围,并强调了其在材料科学、化学分析、生物医学和光学设备测试等领域中的重要性和应用价值。
读者可以根据实际需求,灵活运用二次谐波法进行相应的测量和分析工作。
二次谐波法
二次谐波法二次谐波法是一种用于研究物质性质的实验方法,通过观察和记录二次谐波信号来分析材料的非线性光学特性。
在这篇文章中,我们将介绍二次谐波法的原理、应用和实验步骤。
二次谐波法基于非线性光学效应,即光的能量在介质中传播时,会与介质分子发生相互作用,导致光的频率发生变化。
二次谐波信号的产生是通过光的二次谐波效应,即将一个光波分裂成两个频率相等的光波。
在实验中,我们首先需要一个激光器作为光源,激光器可以产生单色、相干的光束。
然后,将激光束通过一个透明的非线性晶体或介质样品,这个样品具有二次非线性光学效应。
当激光束通过样品时,部分光子会与样品中的分子相互作用,产生频率为原始光的二倍的光子。
这些二次谐波光子会被收集并进一步分析。
为了观察和记录二次谐波信号,我们通常使用一个光谱仪或者一个二次谐波发生器。
光谱仪可以将光的不同频率分离开来,并通过探测器将其转换为电信号。
二次谐波发生器则可以将二次谐波信号转换为可见光,并通过摄像机或其他成像设备进行观察和记录。
二次谐波法在许多领域都有广泛的应用。
在材料科学中,二次谐波法可以用来研究材料的非线性光学性质,例如材料的非线性折射率、非线性吸收系数等。
这些性质对于光学器件的设计和制造非常重要。
在生命科学中,二次谐波法可以用来研究生物分子的结构和功能,例如蛋白质的二级结构和分子运动等。
在进行二次谐波实验时,需要注意一些实验步骤和注意事项。
首先,要保证实验环境的稳定性,例如温度、湿度等。
其次,要选择合适的样品和光源,以及适当的检测器和分析设备。
在实验过程中,要注意安全,避免直接接触激光束和二次谐波信号。
二次谐波法是一种非常有用的实验方法,可以用于研究材料的非线性光学性质。
通过观察和记录二次谐波信号,我们可以了解材料的非线性响应和光学特性。
这种方法在材料科学和生命科学等领域有广泛的应用,并为相关研究提供了重要的实验手段。
希望通过这篇文章的介绍,读者对二次谐波法有更深入的理解和认识。
二次谐波 电路
二次谐波电路二次谐波电路是一种能够产生二次谐波的电路。
在电路中,二次谐波是指频率是基波频率的二倍的信号。
二次谐波电路通常由非线性元件和线性元件组成。
非线性元件是产生二次谐波的关键,它能够将输入信号的非线性特性转化为输出信号的二次谐波分量。
常见的非线性元件有二极管、晶体管、三极管等。
在二次谐波电路中,线性元件起到传输和放大信号的作用。
它们对输入信号的幅度和相位进行调整,以便产生期望的二次谐波输出。
常见的线性元件有电阻、电容、电感等。
二次谐波电路的工作原理是利用非线性元件的非线性特性。
当输入信号经过非线性元件时,非线性元件会产生新的频率成分,其中包括了频率是输入信号频率的二倍的二次谐波。
为了实现二次谐波的产生,二次谐波电路需要满足一定的条件。
首先,输入信号的频率必须是非线性元件的工作频率。
其次,非线性元件必须具有足够的非线性特性,以便将输入信号转化为二次谐波信号。
最后,线性元件的选择和配置也对二次谐波电路的性能有重要影响。
在实际应用中,二次谐波电路具有广泛的用途。
例如,在无线电通信中,二次谐波电路常用于频率合成器和混频器等电路中。
通过控制输入信号的频率和幅度,可以实现对输出信号频率和幅度的精确控制。
此外,二次谐波电路还可以用于频率调制、频率倍频和信号检测等应用。
需要注意的是,二次谐波电路在设计和应用过程中需要考虑非线性元件的特性、线性元件的选择和配置,以及对输入信号频率和幅度的控制。
此外,非线性元件的温度、电压和功率等因素也会对二次谐波电路的性能产生影响。
因此,在实际应用中,需要进行充分的测试和调整,以确保二次谐波电路的稳定性和可靠性。
二次谐波电路是一种能够产生二次谐波的电路。
通过合理选择和配置非线性元件和线性元件,可以实现对输入信号的频率和幅度的精确控制,从而产生期望的二次谐波输出。
二次谐波电路在无线电通信和其他领域有着广泛的应用,对于提高系统性能和信号处理能力具有重要意义。
光倍频产生的原理
光倍频产生的原理光倍频是一种通过非线性光学效应将输入光的频率提高为倍频的技术。
它是一种重要的实验技术和光学器件,广泛应用于光学通信、激光器、光谱分析和光学传感等领域。
光倍频的原理基于非线性光学效应,其中最主要的是其非线性极化效应。
非线性光学效应是指光在介质中传播时,与介质产生相互作用,使光在介质中的行为不再服从线性的Maxwell方程,出现非线性现象。
具体而言,在非线性介质中,光与介质分子之间的相互作用导致介质分子的极化现象,从而改变了光的传播行为。
介质的极化性质决定了光与介质分子之间的相互作用。
对于线性介质,极化强度与电场强度成正比,其极化率是一个常数。
而对于非线性介质,极化强度与电场强度不再成线性关系,而是成倍数关系,即P=aE+bE^2+cE^3+...(其中P为极化强度,E为电场强度)。
在非线性光学效应中,光与介质分子之间的相互作用导致分子的极化现象,并且极化强度与光强度的高次幂关系有关。
而当输入光的强度较小时,高次幂项可以忽略不计,从而可以得到较低阶的极化强度。
而光倍频就是利用非线性光学效应中的二阶非线性效应,将输入光的频率提高一倍的过程。
在光倍频器件中,输入光经过非线性介质后,会通过二阶非线性的极化作用产生新的频率成分,即倍频的光。
这主要通过二次谐波产生来实现。
二次谐波产生是指将输入光的频率提高为其二倍,即将一个光子转变为两个光子。
在光倍频过程中,需要选择合适的非线性光学材料,常见的非线性光学材料有二氧化硅、二硫化碳、氮化硼等。
这些材料具有较高的非线性极化率,可以有效地产生倍频效应。
光倍频的过程可以通过耦合模理论进行描述。
耦合模理论认为,输入光与介质之间的相互作用可以视为一系列耦合的光波模式之间的相互作用。
在光倍频过程中,输入光首先进入非线性介质,其频率与第二倍频的频率匹配。
介质中的非线性效应导致光子之间的行为发生变化,从而产生第二倍频的光子。
实际上,光倍频并不是一个单独的过程,它还与其他非线性过程相互影响。
倍频效应(二次谐波) (2)
倍频现象的理论解释线性光学效应的特点:出射光强与入射光强成正比;不同频率的光波之间没有相互作用,没有相互作用包括不能交换能量;效应来源于介质中与作用光场成正比的线性极化。
非线性光学效应的特点:出射光强不与入射光强成正比(例如成平方或者三次方的关系);不同频率光波之间存在相互作用,可以交换能量;效应来源于介质中与作用光场不成正比的非线性极化。
倍频效应是非线性的光学效应,当介质在光波电场的作用下时,会产生极化。
设P是光场E在介质中产生的极化强度。
对于线性光学过程:P=对于非线性光学过程:P可以展开为E的幂级数:...…其中:,分别为线性以及2,3,…,n阶非线性极化强度。
为n阶极化率。
正是这些非线性极化项的出现,导致了各种非线性光学效应的产生。
而倍频效应,就是由其中的二阶极化强度所导致产生的:设光场是频率为、波矢为的单色波,即:则中将出现项:该极化项的出现,可以看作介质中存在频率为的振荡电偶极矩,它的辐射便可能产生频率为2的倍频光。
介质产生非线性极化:从微观上看,非线性是由原子、分子非谐性所造成的。
物质受强光作用后,电子发生位移x,具有位能V(x),对于无对称中心晶体,与电子位移+x和-x相对应的位能并不相等,即:V(+X)≠V(-x),因而位能函数V(x)应该包含奇次项:相应的,电子与核之间的恢复力为:当D时,正位移引起的恢复力大于负位移引起的恢复力。
如果作用在电子上的电场力是正的,则会引起一个相对较小的位移;反之,则会引起一个相对较大的位移。
那么,电场正方向产生的极化强度就比电场反方向产生的极化强度小。
这就使得非线性极化的产生。
有了非线性极化,那么,一个给定的强光波电场对应的极化波就是一个正峰值b比负峰值b’小的非线性极化波:而根据傅里叶分析,任何一个非正弦的周期函数,都可以分解成角频率为、2、3、…的正弦波。
所以强光波电场在介质中引起的非线性极化波,可以分解成为角频率为的基频极化波,角频率为的二次谐频极化波,以及常值分量等成分。
倍频效应(二次谐波)
精心整理精心整理倍频现象的理论解释线性光学效应的特点:出射光强与入射光强成正比;不同频率的光波之间没有相互作用,没有相互作用包括不能交换能量;效应来源于介质中与作用光场成正比的线性极化。
非线性光学效应的特点:出射光强不与入射光强成正比(例如成平方或者三次方的关系);不同频率光波之间存在相互作用,可以交换能量;效应来源于介质中与作用光场不成正比的非线性极化。
倍频效应是非线性的光学效应,当介质在光波电场的作用下时,会产生极化。
设P 是光场E 在介质中产生的极化强度。
对于线性光学过程:P=对于非线性光学过程:P 可以展开为E 的幂级数:其中:,…,n 阶非线性极化强度。
为n 阶极化率。
正是这些非线性极化项的出现,度所导致产生的: 设光场是频率为、波矢为的单色波,即:则中将出现项: 该极化项的出现,可以看作介质中存在频率为的振荡电偶极矩,的倍频光。
介质产生非线性极化:从微观上看,非线性是由原子、分子非谐性所造成的。
物质受强光作用后,电子发生位移x ,具有位能V(x)+x 和-x 相对应的位能并不相等,即:V(+X)≠V(-x),因而位能函数V(x)应该包含奇次项:当D 时,正位移引起的恢复力大于负位移引起的恢复力。
如果作用在电子上的电场力是正的,则会引起一个相对较小的位移;反之,则会引起一个相对较大的位移。
那么,电场正方向产生的极化强度就比电场反方向产生的极化强度小。
这就使得非线性极化的产生。
有了非线性极化,那么,一个给定的强光波电场对应的极化波就是一个正峰值b 比负峰值b ’小的非线性极化波:而根据傅里叶分析,任何一个非正弦的周期函数,都可以分解成角频率为、2、3、…的正弦波。
所以强光波电场在介质中引起的非线性极化波,可以分解成为角频率为的基频极化波,角频率为的二次谐频极化波,以及常值分量等成分。
而其中角频率为2的二次谐波,就是倍频光。
倍频转换效率:在发现倍频效应初期,产生二次谐波的效率是非常低的约为数量级。
非线性光学——精选推荐
非线性光学非线性光学是现代光学的重要分支,研究强相干光与物质相互作用时出现的各种新现象的产生机制、过程规律及应用途径. 非线性光学的起源可以追溯到1906年的泡克尔斯效应和1929年克尔效应的发现,但是非线性光学成为今天这样一门重要科学,应该说是从激光发现以后才开始的.非线性光学的发展大体可划分为三个阶段:20世纪60年代初为第一阶段,这一阶段大量非线性光学效应被发现,如光学谐波、光学和频与差频、光学参量振荡与放大、多光子吸收、光学自聚焦以及受激光散射等都是这个时期发现的;第二阶段为60年代后期,这一阶段一方面还在继续发现一些新的非线性光学效应,另一方面则主要致力于对已发现的效应进行更深入的了解,以及发展非线性光学器件;第三阶段是70年代至今,这一阶段非线性光学日趋成熟,已有的研究成果被应用到各个技术领域和渗透到其他有关学科(如凝聚态物理、无线电物理、声学、有机化学和生物物理学)的研究中.非线性光学的研究在激光技术、光纤通信、信息和图像的处理与存储、光计算等方面有着重要的应用,具有重大的应用价值和深远的科学意义.一、 光场与介质相互作用的基本理论1.介质的非线性电极化理论很多典型的光学效应均可采用介质在光场作用下的电极化理论来解释.在入射光场作用下,组成介质的原子、分子或离子的运动状态和电荷分布都要发生一定形式的变化,形成电偶极子,从而引起光场感应的电偶极矩,进而辐射出新的光波.在此过程中,介质的电极化强度矢量P 是一个重要的物理量,它被定义为介质单位体积内感应电偶极矩的矢量和:V p P ii V ∆=∑→∆ lim 0 (1)式中i P是第i 个原子或分子的电偶极矩. 在弱光场的作用下电极化强度P 与入射光矢量E 成简单的线性关系,满足E P 10χε= (2)式中0ε称为真空介电常数,1χ是介质的线性电极化率. 根据这一假设,可以解释介质对入射光波的反射、折射、散射及色散等现象,并可得到单一频率的光入射到不同介质中,其频率不发生变化以及光的独立传播原理等为普通光学实验所证实的结论.然而在激光出现后不到一年时间(1961年),弗兰肯(P.A.Franken )等人利用红宝石激光器输出694.3nm 的强激光束聚焦到石英晶片(也可用染料盒代替)上,在石英的输出光束中发现了另一束波长为347.2nm 的倍频光,这一现象是普通光学中的线性关系所不能解释的.为此,必须假设介质的电极化强度P 与入射光矢量E 成更一般的非线性关系,即)(3210 +++=E E E E E E P χχχε (3)式中1χ、2χ、3χ分别称为介质的一阶(线性)、二阶、三阶(非线性)极化率. 研究表明1χ、2χ、3χ…依次减弱,相邻电极化率的数量级之比近似为11E n n ≈-χχ (4) 其中0E 为原子内的平均电场强度的大小(其数量级约为1011V/m 左右). 可见,在普通弱光入射情况下,0E E <<,二阶以上的电极化强度均可忽略,介质只表现出线性光学性质. 而用单色强激光入射,光场强度E 的数量级可与0E 相比或者接近,因此二阶或三阶电极化强度的贡献不可忽略,这就是许多非线性光学现象的物理根源.2.光与介质非线性作用的波动方程光与介质相互作用的问题在经典理论中可以通过麦克斯韦方程组推导出波动方程求解.对于非磁性绝缘透明光学介质而言,麦克斯韦方程组为tD H ∂∂=⨯∇ (5) tH E ∂∂-=⨯∇ 0μ (6) 0=∙∇B (7)0=∙∇D (8) 式(5)和(8)中的电位移矢量D 为P E D+=0ε,代入式(5)有 tP t E H ∂∂+∂∂=⨯∇ 0ε 两端对时间求导,有 22220tP t E t H ∂∂+∂∂=∂∂⨯∇ ε (9) 对式(6)两端求旋度,有 tH E ∂∂⨯∇-=⨯∇⨯∇ 0)(μ 将矢量公式E E E E 2)()()(-∇=∇∙∇-∙∇∇=⨯∇⨯∇ 代入式(9)有22022002tP t E E ∂∂+∂∂=∇ μεμ (10) 上式表明:当介质的电极化强度P 随时间变化且022≠∂∂tP 时,介质就像一个辐射源,向外辐射新的光波,新光波的光矢量E由方程(10)决定. 3.非线性光学的量子理论解释采用量子力学的基本概念去解释各种非线性光学现象,既能充分反映强激光场的相干波动特性,同时又能反映光场具有能量、动量作用的粒子特点,从而可对许多非线性光学效应的物理实质给出简明的图像描述.该理论将作用光场与组成介质的粒子(原子、分子)看成一个统一的量子力学体系而加以量子化描述,认为粒子体系在其不同本征能级间跃变的同时,必然伴随着作用光场光子在不同量子状态分布的变化,这些变化除了光子的吸收或发射,更多的涉及到两个或两个以上光子状态的改变(如多光子吸收与发射、光散射等),此时对整个物理过程的描述必须引入所谓中间状态....的概念. 在这种中间状态内,光场的光子数目发生了变化,粒子离开原来所处的本征能级而进入激发状态;但此时粒子并不是确定地处于某一个本征能级上,而是以一定的几率分别处于它所可能的其他能级之上(初始能级除外). 为了直观地表示这一状态,人们又引入了虚能级...的图解表示方法. 在用虚能级表示的这种中间状态中,由于介质粒子的能级去向完全不确定,则按照著名的不确定关系原理,粒子在中间状态(虚能级)上停留的时间将趋于无穷短.利用中间状态的概念和虚能级的表示方法,可以给出大部分有关非线性光学效应的物理图像.二、 非线性光学效应1.光学变频效应光学变频效应包括由介质的二阶非线性电极化所引起的光学倍频、光学和频与差频效应以及光学参量放大与振荡效应,还包括由介质的三阶非线性电极化所引起的四波混频效应.需要注意的是,二阶非线性效应只能发生于不具有对称中心的各向异性的介质,而三阶非线性效应则没有该限制.这是因为对于具有对称中心结构的介质,当入射光场E相对于对称中心反向时,介质的电极化强度P 也应相应地反向,这时两者之间只可能成奇函数关系,即)(553310 +++=E E E P χχχε,二阶非线性项不存在.1.1 光学倍频效应光的倍频效应又称二次谐波,是指由于光与非线性介质(一般是晶体)相互作用,使频率为ω的基频光转变为ω2的倍频光的现象。
二次谐波的产生及其解
§2.3 二次谐波的产生及其解二次谐波或倍频是一种很重要二阶非线性光学效应,在实践中有广泛的应用,如Nd:YAG 激光器的基频光(1.064μm)倍频成0.532μm 绿光,或继续将0.532μm 激光倍频到0.266μm 紫外区域。
本节从二阶非线性耦合波方程出发,求解出产生的二次谐波光强小信号解,并解释相位匹配对二次谐波产生的影响。
2.3.1 二次谐波的产生设基频波的频率为1ω,复振幅为1E ;二次谐波的频率为()2212ωωω=,复振幅2E 。
由基频波在介质中极化产生的二阶极化强度()2P ,辐射出的二次谐波场()3E z 所满足的非线性极化耦合波方程()()()222202222ik z d E z i P z e dz k μω-= (2.3.1-1) ()()()()()1222110211;,ik z P z z E z e εχωωω=-:E (2.3.1-2)注意简并度1D =,212ωω=()()()()()()()()()22202110211221112112;,2;,i kzi kzd E z i E z E ze dz k iE z E z e n cμωεχωωωωχωωω∆∆=-:=-: (2.3.1-3)波矢失配量, 122k k k ∆=- (2.3.1-4) 写成单位矢量(光波的偏振方向或电场的振动方向)和标量的乘积形式333E a E =,基频光场可能有两种偏振方向,即'1111,a E a E ,两种偏振方向可以是相互平行也可以是相互垂直,并有331a a ⋅=()()()()'222121121112;,i kz dE z i a a a E z e dz n c ωχωωω∆⎡⎤=⋅-::⎢⎥⎣⎦ (2.3.1-5)基频波与产生的二次谐波耦合产生的极化场强度()21P ,辐射出基频光场满足的非线性极化耦合波方程。
()()()122101112ik z d E z i P z e dz k μω-= (2.3.1-6)()()()()()21*2()12101212;,i k k z P z z E z e εχωωω-=--:E (2.3.1-7)()()()()()'21*1121121211;,::i kz dE z i a a a z E z e dz n c ωχωωω-∆⎡⎤=⋅--E ⎢⎥⎣⎦ (2.3.1-8)如果介质对频率为13,ωω的光波都是无耗的,即13,ωω远离共振区,则()()()()22311131;,,;,χωωωχωωω---都是实数。
光的倍频原理
光的倍频原理光的倍频原理是指通过某种方法将光的频率增加到原来的倍数。
光的频率是指单位时间内光波重复出现的次数,单位是赫兹(Hz)。
光的倍频主要可分为非线性倍频和线性倍频两种。
非线性倍频是指在非线性光学材料中,通过非线性光学效应将光的频率增加到原来的倍数。
非线性光学材料具有非线性响应特性,即光强与电场强度的关系不是线性的,而是非线性的。
其中,最常见的非线性光学材料是二甲基亚砜(Dimethyl Sulfoxide,简称DMSO),它具有良好的非线性效应。
非线性倍频中的主要过程是二次谐波产生,即将输入的基频光波的频率加倍。
例如,将一束红光(波长为632.8nm)射入非线性光学材料中,通过二次谐波产生,可以得到一束波长为316.4nm的绿光。
线性倍频是指通过光学器件中的非线性效应将一束光的频率增加到原来的倍数。
常见的线性倍频器件有倍频晶体、掺铒光纤和光纤拉伸器等。
其中,倍频晶体是线性倍频中最常用的器件。
通过频率加倍效应,倍频晶体可将输入的光源频率扩展到原来的二倍。
倍频晶体一般由非线性晶体(如β-BaB2O4,简称BBO)制成。
当一束入射光穿过倍频晶体时,晶体中的非线性效应会导致光的频率翻倍。
例如,将一束波长为1064nm的红外激光传入BBO晶体,可以得到一束波长为532nm的绿光。
光的倍频原理在实际应用中有很多重要的应用。
例如,在激光技术中,光的倍频可以用于激光器的频率加倍、波长转换和频谱展宽等。
另外,光的倍频也常用于实验室中的光学实验,例如通过倍频晶体可以获得更高频率的光源以满足实验需求。
此外,光的倍频还在光通信、光制造、光学测量和光学信息处理等领域有重要应用。
总而言之,光的倍频原理是通过非线性效应或线性倍频器件将光的频率增加到原来的倍数。
非线性倍频通过非线性光学材料中的二次谐波产生,线性倍频通过倍频晶体等器件实现。
光的倍频在激光技术和光学实验中具有重要应用,对于促进光学科学的发展和应用具有重要意义。
倍频效应(二次谐波)
倍频现象的理论解释线性光学效应的特点:出射光强与入射光强成正比;不同频率的光波之间没有相互作用,没有相互作用包括不能交换能量;效应来源于介质中与作用光场成正比的线性极化。
非线性光学效应的特点:出射光强不与入射光强成正比(例如成平方或者三次方的关系);不同频率光波之间存在相互作用,可以交换能量;效应来源于介质中与作用光场不成正比的非线性极化。
倍频效应是非线性的光学效应,当介质在光波电场的作用下时,会产生极化。
设P是光场E在介质中产生的极化强度。
对于线性光学过程:P=ε0χE对于非线性光学过程:P可以展开为E的幂级数:P=ε0χ(1)E+ε0χ(2)E2+ε0χ(3)E3+... ε0χ(n)E n+…其中:P(1)=ε0χ(1)E,P(2)=ε0χ(2)E2,P(3)=ε0χ(3)E3,…,P(n)=ε0χ(n)E n分别为线性以及2,3,…,n阶非线性极化强度。
χ(n)为n阶极化率。
正是这些非线性极化项的出现,导致了各种非线性光学效应的产生。
而倍频效应,就是由其中的二阶极化强度P(2)所导致产生的:设光场是频率为ω、波矢为k⃗的单色波,即:E=12A−ⅈ[ωt−k⃗ ⋅r ]+c.c.则P(2)=ε0χ(2)E2中将出现项:14ε0χ(2)A2ⅇ−ⅈ[2ωt−2k⃗ ⋅r]+c.c.该极化项的出现,可以看作介质中存在频率为2ω的振荡电偶极矩,它的辐射便可能产生频率为2ω的倍频光。
介质产生非线性极化:从微观上看,非线性是由原子、分子非谐性所造成的。
物质受强光作用后,电子发生位移x,具有位能V(x),对于无对称中心晶体,与电子位移+x和-x相对应的位能并不相等,即:V(+X)≠V(-x),因而位能函数V(x)应该包含奇次项:V(x)=12mω02x2+13mDx3+⋯相应的,电子与核之间的恢复力为:F=−ðV(x)=−(mωo2x+mDx2+⋯)当D>0时,正位移(x>0)引起的恢复力大于负位移(x<0)引起的恢复力。
倍频效应
第1 1节倍频效应倍频效应是非线性光学效应。
当光束通过晶体后,除了原来的激光波长以外,还检测到波长为1/2入射光波长的成分,即从晶体中透出光的频率是入射光频率的两倍。
人们把这种光学现象称作光的倍频效应。
倍频效应是弗兰肯(Franken)等人在1 9 6 1年首先发现的。
他们将红宝石激光器输出的波长为694. 3nm的红光射到石英晶体上。
当这束红光通过石英晶体后,他们发现在透射光中除了波长为6 91.3nn的红光外,还出现了波长为347.1nn的成分。
后者的波长刚好等于红宝石激光波长的一半,即频率加倍。
照相板图l0-91 弗兰肯等人的倍频实验装胃若用其它一些晶体材料来取代石英晶体,如磷酸二氢氨(ADP)、磷酸二氢钾(KDP)、砷酸二氢铷(RDA)、铌酸锂( LiNb03)、碘酸锂(Li103)、铌酸钡钠(BNN)等等,都能产生倍频效应。
不仅在透射光中能够检测到倍频光波,在反射光中也能出现倍频光。
将高功率的激光束投射到表面光滑的金属表面上,例如,金、银、铜、铋做的镜面,或者由碱金属盐类,如氯化钙、氯化钠,氯化钾以及半导体材料做成的镜面,甚至液体(例如水、二硫化碳、苯)和空气的分界面,在反射光中也包含有倍频的光波。
图10-22是用红图J e)22 反射光出现倍频光波宝石激光在砷化镓反射镜上反射,在反射光中产生倍频光波的实验示意图。
如果在装砷化镓反射镜的盒中充入一种液体(比如苯).就可以观察到两束反射光,其中一束是原来的红宝石激光,另一束是由砷化镓晶体产生的倍频光束。
前者遵守反射定律,即反射角等于入射角,01 =02,倍频光不再遵守反射定律。
它的反射角以满足刀1;inplsin秒。
=瓦5式中的n,和l12分别是基波和倍频光波在浸没砷化镓晶体片的液体中的折射率。
根据.L面式子可以计算出反射光中倍频光波与基波之间夹角。
如果盒内不充入引起色散的介质.,倍频光波满足通常的反射定律。
倍频效应是非线性的光学效应,当介质在很强的光波电场作用下,不但产生线性极化,而且产生-次、三次等非线性极化。
什么是二次谐波。
什么是二次谐波。
1.什么是二次谐波?答:谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。
当电流流经负载时,与所加的电压不呈线性关系,就形成非正弦电流,从而产生谐波。
谐波频率是基波频率的整倍数,根据法国数学家傅立叶(M.Fourier)分析原理证明,任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。
谐波是正弦波,每个谐波都具有不同的频率,幅度与相角。
谐波可以I区分为偶次与奇次性,第3、5、7次编号的为奇次谐波,而2、1 4,6、8等为偶次谐波,如基波为50Hz时,2次谐波为lOOHz,3次谐波则是150Hz。
2.谐波是怎样分类的?谐波主要根据频率和相序特性进行分类。
1. 根据频率分类2次谐波(100Hz)、3次谐波(150Hz)。
非工频整数倍的谐波称为间谐波。
2. 根据相序旋转作用分类根据相序旋转作用可负序谐波、零序谐波、正序谐波三种。
分别对应2、3、4次谐波,并依次类推分别对应5、6、7次谐波,8、9、10次谐波……。
其中正序谐波包括基波频率,为正向旋转。
负序谐波为逆向旋转,产生的磁场抵消基波产生的磁场。
零序谐波不旋转,但会叠加到三相四线制系统中的中性线上。
在三相四线制系统中,一些谐波能够相互抵消,另一些却会相互叠加,致使谐波被放大。
理想情况下,电网电压和电流波形为频率为50Hz(有些国家为60Hz)的正弦波。
但是现实情况并非如此,电压和电流波形不是完美的正弦波,这被称为“畸变”。
利用傅立叶分析法,这个畸变的波形可以分解为一系列不同频率的正弦波的叠加,其中序数为1的是我们需要的50Hz(或60Hz)的基波,其余的分量的频率是基波频率的整数倍,这些频率的电能是我们不希望看到的,被称为谐波。
二次谐波就是电网中存在的频率为100Hz(50Hz的2倍)。
一般是由冶炼金属的电弧炉产生的。
二次谐波的治理是比较复杂的。
二次谐波产生的原因分析
二次谐波产生的原因分析1. 引言在电力系统中,非线性负载和设备的广泛应用导致电网中出现谐波问题。
谐波是指频率为基波频率整数倍的电压和电流波形。
其中,二次谐波是指频率为基波频率的两倍的电压和电流波形。
二次谐波的产生会给电力系统带来诸多问题,如影响电力设备的正常运行、降低电力系统的能效、增加电力系统的损耗等。
因此,分析二次谐波产生的原因,对于电力系统的稳定运行和电力质量的提高具有重要意义。
2. 二次谐波产生的原因2.1 非线性负载非线性负载是二次谐波产生的主要原因之一。
非线性负载的特点是其电流与电压之间的关系不是线性的,而是呈现出非线性的特性。
当非线性负载接入电力系统时,会导致电网中的电压和电流波形发生畸变,从而产生谐波。
常见的非线性负载包括:(1)电力电子设备:电力电子设备广泛应用于电力系统中,如变频器、整流器、逆变器等。
这些设备通过电力电子器件(如二极管、晶闸管、绝缘栅双极晶体管等)进行电压和电流的控制,从而实现电能的转换和控制。
然而,这些电力电子器件在工作过程中会产生非线性的电压和电流波形,导致二次谐波的产生。
(2)电弧炉:电弧炉是一种利用电弧加热的设备,广泛应用于金属熔炼、炼钢等领域。
电弧炉在工作过程中,电弧的温度和形状不断变化,导致电弧电流的波形发生畸变,从而产生二次谐波。
(3)电气化铁路:电气化铁路是一种利用电力驱动的铁路系统,其牵引供电系统中的电力机车在运行过程中会产生非线性的电流波形,从而导致二次谐波的产生。
2.2 电力设备的非线性特性除了非线性负载外,电力设备本身也可能具有非线性的特性,从而导致二次谐波的产生。
例如:(1)变压器:变压器是电力系统中常见的设备,用于实现电压的升降和电能的传输。
然而,变压器中的铁芯饱和、漏磁等因素会导致变压器的电流和电压波形发生畸变,从而产生二次谐波。
(2)电缆:电缆是电力系统中用于传输电能的导线,其电感和电容特性会导致电流和电压波形发生畸变,从而产生二次谐波。
倍频效应二次谐波
倍频现象的理论解释线性光学效应的特点:出射光强与入射光强成正比;不同频率的光波之间没有相互作用,没有相互作用包括不能交换能量;效应来源于介质中与作用光场成正比的线性极化。
非线性光学效应的特点:出射光强不与入射光强成正比(例如成平方或者三次方的关系);不同频率光波之间存在相互作用,可以交换能量;效应来源于介质中与作用光场不成正比的非线性极化。
倍频效应是非线性的光学效应,当介质在光波电场的作用下时,会产生极化。
设P是光场E在介质中产生的极化强度。
对于线性光学过程:P=对于非线性光学过程:P可以展开为E的幂级数:...…其中:,分别为线性以及2,3,…,n阶非线性极化强度。
为n阶极化率。
正是这些非线性极化项的出现,导致了各种非线性光学效应的产生。
而倍频效应,就是由其中的二阶极化强度所导致产生的:设光场是频率为、波矢为的单色波,即:则中将出现项:该极化项的出现,可以看作介质中存在频率为的振荡电偶极矩,它的辐射便可能产生频率为2的倍频光。
介质产生非线性极化:从微观上看,非线性是由原子、分子非谐性所造成的。
物质受强光作用后,电子发生位移x,具有位能V(x),对于无对称中心晶体,与电子位移+x和-x相对应的位能并不相等,即:V(+X)≠V(-x),因而位能函数V(x)应该包含奇次项:相应的,电子与核之间的恢复力为:当D时,正位移引起的恢复力大于负位移引起的恢复力。
如果作用在电子上的电场力是正的,则会引起一个相对较小的位移;反之,则会引起一个相对较大的位移。
那么,电场正方向产生的极化强度就比电场反方向产生的极化强度小。
这就使得非线性极化的产生。
有了非线性极化,那么,一个给定的强光波电场对应的极化波就是一个正峰值b比负峰值b’小的非线性极化波:而根据傅里叶分析,任何一个非正弦的周期函数,都可以分解成角频率为、2、3、…的正弦波。
所以强光波电场在介质中引起的非线性极化波,可以分解成为角频率为的基频极化波,角频率为的二次谐频极化波,以及常值分量等成分。
文献综述(二次谐波倍频回旋速调管和谐波倍频变型回旋速调管)
文献综述现代战争是高科技战争,战争双方谁拥有最先进的高科技武器,谁就能掌握战争的主动权,否则只能处于被动挨打的地位。
在现代及未来战争中,成功地干扰敌方雷达、通信和武器系统,使之陷入瘫痪,同时对敌方来袭目标进行远程预警、实行有效地探测识别和精确跟踪,引导我方武器系统,包括高功率微波武器,进行精确打击,保护我方指挥系统免受敌方的干扰,是赢得胜利的重要手段。
高功率毫米波具有波束窄、分辨率高、能量密度高、抗干扰能力强,是定向能武器研究、高功率毫米波预警雷达、毫米波相干雷达及相控阵雷达、强力电子干扰和对抗的理想毫米波源,在军事上具有重要作用。
从高功率毫米波俄美都首先装备在大功率毫米波雷达系统可以看出军事上大功率毫米波及亚毫米波的强大需求,是推动其迅速发展的强大动力。
随着输出功率、效率、带宽的不断提高,大功率毫米波预警雷达,毫米波成像及精确跟踪雷达,毫米波超级干扰机及毫米波定向能武器将会不断研发出来。
高功率毫米波反隐形技术,高能毫米波束对导弹、飞机、武器装备的电子系统的软杀伤和硬杀伤及生物效应的研究正发展成为了新型热门研究方向。
六、七十年代,回旋管的研究工作主要是在前苏联,重点是回旋振荡管,1972年首次报道了用于TM-3 Tocamak加热的回旋振荡管,输出功率约为40kW,脉冲长度为0.5ms[1]。
经过几十年的研究,回旋振荡管不断的向高频率、高功率发展。
德国EU的回旋管已经达到世界领先的水平。
他们已经制造出的回旋管在频率为118GHz,功率300kw,脉冲宽度达110s;在140GHz,功率920kw,脉冲宽度达1800s,效率43%,单脉冲能量1.66MJ;在170GHz,功率1150kw,脉冲宽度1ms,效率20%[2]。
回旋振荡管,在世界各国的专家学者的共同努力下,获得了巨大的成功。
但由于其工作原理为谐振腔模式起振,所以它几乎没有带宽。
对不需要带宽的核聚变研究意义是非重大;但不能满足有一定带宽要求的需要,如高梯度直线加速器,高分辨率毫米波雷达,气象雷达,超远距离空间探测,电子对抗等。
倍频效应二次谐波精编版
倍频效应二次谐波集团企业公司编码:(LL3698-KKI1269-TM2483-LUI12689-ITT289-倍频现象的理论解释线性光学效应的特点:出射光强与入射光强成正比;不同频率的光波之间没有相互作用,没有相互作用包括不能交换能量;效应来源于介质中与作用光场成正比的线性极化。
非线性光学效应的特点:出射光强不与入射光强成正比(例如成平方或者三次方的关系);不同频率光波之间存在相互作用,可以交换能量;效应来源于介质中与作用光场不成正比的非线性极化。
倍频效应是非线性的光学效应,当介质在光波电场的作用下时,会产生极化。
设P是光场E在介质中产生的极化强度。
对于线性光学过程:P=ε0χE对于非线性光学过程:P可以展开为E的幂级数:ε=ε0χ(1)E+ε0χ(2)E2+ε0χ(3)E3+...ε0χ(ε)Eε+…其中:ε(1)=ε0χ(1)E,ε(2)=ε0χ(2)ε2,ε(3)=ε0χ(3)ε3,…,ε(ε)=ε0χ(ε)εε分别为线性以及2,3,…,n阶非线性极化强度。
χ(ε)为n阶极化率。
正是这些非线性极化项的出现,导致了各种非线性光学效应的产生。
而倍频效应,就是由其中的二阶极化强度ε(2)所导致产生的:ε−设光场是频率为ε、波矢为ε⃗⃗⃗⃗ 的单色波,即:ε=12εε−εε+c.c.ε0ε(2)ε2−则ε(2)=ε0χ(2)ε2中将出现项:142εε−2εε+c.c.该极化项的出现,可以看作介质中存在频率为2ε的振荡电偶极矩,它的辐射便可能产生频率为2ε的倍频光。
介质产生非线性极化:从微观上看,非线性是由原子、分子非谐性所造成的。
物质受强光作用后,电子发生位移x,具有位能V(x),对于无对称中心晶体,与电子位移+x和-x相对应的位能并不相等,即:V(+X)≠V(-x),因而位能函数V(x)应该包含奇次项:ε(ε)=12εε02ε2+13εεε3+⋯相应的,电子与核之间的恢复力为:ε=−ε(ε)ε=−(εεε2ε+εεε2+⋯)当D>0时,正位移(ε>0)引起的恢复力大于负位移(ε<0)引起的恢复力。
二次谐波和频率计算
二次谐波和频率计算
二次谐波
二次谐波是指当电流或电压经过非线性元件(如二极管、三极管等)时,产生的频率是输入频率的两倍的谐波。
具体来说,当输入信号的频率为f时,二次谐波的频率为2f。
二次谐波通常会在电子电路中产生干扰,因为它会产生不必要的能量和噪音。
为了避免这种干扰,电路设计师通常会采取一些措施,如使用低失真的元器件、加入滤波电路等。
频率计算
频率是指在单位时间内,信号重复的次数。
通常用赫兹(Hz)表示,1 Hz 意味着每秒发生一次。
计算频率的公式为:
f = 1 / T
其中,f 表示频率,T 表示信号重复的时间间隔。
例如,如果一个信号每隔0.1秒重复一次,那么它的频率为:
f = 1 / 0.1s = 10 Hz
频率计算在电子电路中非常重要,因为不同的元器件和电路都有一定的频率响应范围。
如果输入信号的频率超出了元器件或电路的响应范围,就会导致失真或不稳定的表现。
因此,在设计电路时,需要根据所需的频率范围选择合适的元器件和电路。
二次谐波转换输出效率的影响因素分析
二次谐波转换输出效率的影响因素分析摘要:强度较弱的光场(如普通光源的光场)在与物质进行交换时,物质对光场仅呈现线性响应,即人们所熟悉的线性光学;自本世纪60年代激光出现后,体现出物质对光场的非线性效应,在对它的唯像描述中,将非线性光学介质中感应极化强度P展开为外光场E的幂级数形式,即P=χ(1) E+χ(2)E2+χ(3)E3+……..式中χ(1)为线性电极化率;χ(2)为二次线性电极化率;χ(3)为三次线性电极化率。
本文将主要通过理论计算分析二次谐波转换输出效率的影响因素。
关键词:非线性光学二次谐波转换电极化率耦合波方程光倍频有效非线性系数相位匹配一、引言自从激光问世以来,非线性光学频率变换就一直是这一领域的研究热点之一,因为它不仅具有重要的学术意义,而且具有重要的应用价值,近年来这一领域又不少的重要突破,其主要表现是一批新型优质非线性光学和激光晶体的发明,以及使用这些晶体的非线性光学频率变换的飞速发展。
各种倍频激光器产品化和广泛应用被认为是具有代表性的例子。
倍频在大气污染遥测、光谱研究、光化学和同位素分离等研究中都有重大贡献,因此,对影响倍频输出转换效率的因素进行分析,具有重要的实用意义。
本文主要从理论分析、数学推导等几个角度,对影响倍频转换效率的因素进行了分析。
二、倍频的理论基础2.1非线性光学基础强度较弱的光场(如普通光源的光场)与物质相互作用时,物质对光场仅呈现线性响应,即人们所熟悉的线性光学;用线性极化强度矢量P=()01ε E 描述这种相互作用(()1χ为线性电极化率)。
此时,产生的各种光学现象,如折射、散射、吸收等与光场成线性关系;而表征物质光学性质的许多特征参量,如折射率、吸收系数、散射截面等可看成是与光场强度无关的常量。
描述光波在物质中的传播及光波与物质相互作用的宏观麦克斯韦方程组也是一组线性微分方程组,即只含光场强度矢量的一次方项。
据此推断并为实验证实,单一频率的光波在非吸收的透明介质中传播是频率不变;光的叠加原理及光传播互不干扰性成立。
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倍频现象的理论解释线性光学效应的特点:出射光强与入射光强成正比;不同频率的光波之间没有相互作用,没有相互作用包括不能交换能量;效应来源于介质中与作用光场成正比的线性极化。
非线性光学效应的特点:出射光强不与入射光强成正比(例如成平方或者三次方的关系);不同频率光波之间存在相互作用,可以交换能量;效应来源于介质中与作用光场不成正比的非线性极化。
倍频效应是非线性的光学效应,当介质在光波电场的作用下时,会产生极化。
设P是光场E在介质中产生的极化强度。
对于线性光学过程:P=ε0χE
对于非线性光学过程:P可以展开为E的幂级数:
ε=ε0χ(1)E+ε0χ(2)E2+ε0χ(3)E3+...ε0χ(ε)Eε+…
其中:ε(1)=ε0χ(1)E,ε(2)=ε0χ(2)ε2,ε(3)=ε0χ(3)ε3,…,ε(ε)=
ε0χ(ε)εε分别为线性以及2,3,…,n阶非线性极化强度。
χ(ε)为n阶极化率。
正是这些非线性极化项的出现,导致了各种非线性光学效应的产生。
而倍频效应,就是由其中的二阶极化强度ε(2)所导致产生的:
ε−?[εε−ε⃗⃗⃗⃗ ?ε⃗⃗⃗⃗ ]+c.c.
设光场是频率为ε、波矢为ε⃗⃗⃗⃗ 的单色波,即:ε=1
2
ε0ε(2)ε2?−?[2εε−2ε⃗⃗⃗⃗ ?ε⃗⃗⃗⃗ ]+c.c.
则ε(2)=ε0χ(2)ε2中将出现项:1
4
该极化项的出现,可以看作介质中存在频率为2ε的振荡电偶极矩,它的辐射便可能产生频率为2ε的倍频光。
介质产生非线性极化:从微观上看,非线性是由原子、分子非谐性所造成的。
物质受强光作用后,电子发生位移x,具有位能V(x),对于无对称中心晶体,与电子位移+x和-x 相对应的位能并不相等,即:V(+X)≠V(-x),因而位能函数V(x)应该包含奇次项:
ε(ε)=1
2
εε02ε2+
1
3
εεε3+⋯
相应的,电子与核之间的恢复力为:
ε=−?ε(ε)
?ε
=−(εεε2ε+εεε2+⋯)
当D>0时,正位移(ε>0)引起的恢复力大于负位移(ε<0)引起的恢复力。
如果作用在电子上的电场力是正的,则会引起一个相对较小的位移;反之,则会引起一个相对较大的位移。
那么,电场正方向产生的极化强度就比电场反方向产生的极化强度小。
这就使得非线性极化的产生。
有了非线性极化,那么,一个给定的强光波电场对应的极化波就是一个正峰值b比负峰值b’小的非线性极化波:
而根据傅里叶分析,任何一个非正弦的周期函数,都可以分解成角频率为ε、2ε、3ε、…的正弦波。
所以强光波电场在介质中引起的非线性极化波,可以分解成为角频率为ε的基频极化波,角频率为2ε的二次谐频极化波,以及常值分量等成分。
而其中角频率为2ε的二次谐波,就是倍频光。
倍频转换效率:在发现倍频效应初期,产生二次谐波的效率是非常低的约为10−8数量级。
这么低的转化效率对于倍频效应的应用来说,是一个巨大的障碍!
经过后来的科学工作者的大量工作,得到了二次谐波产生的耦合波方程的一般解。
在这里,我们仅给出一个通过耦合波方程近似解得到的倍频转换效率ε的表达式:
ε=|ε2(ε)|
|ε1(0)|
=
512ε5εεεε
2ε2
ε
1
ε2ε
10
ε
ε1(0)[sin(
εεε
)∕(
εεε
)]2
εεεε:有效非线性极化系数;
ε1(0):基频波光强;
ε10:基频波在真空中传播的波长;
ε:晶体长度;
εε:相位矢配因子,εε=ε2−2ε1=4ε
ε10
(ε2−ε1),k2、k1对应倍频光和基频光的波矢;
通过上面的表达式对倍频转换效率进行一个简单的分析:
倍频波的转换效率ε与εεεε
2和ε1(0)成正比,故:大的有效非线性极化系数和高的基频的光强均可使转换效率增大。
激光的能量密度大,相同照射面积上,激光产生的光强高,这也是为什么弗兰肯等人在1961年用红宝石激光输出器照射石英晶体,可以发现倍频光,而此前没有激光器时没有发现倍频光的原因。
此外,ε与ε2[sin (εεε2)∕(εεε2)]2成正比,当相位匹配条件(εε=0,称为相位匹
配条件)满足时,ε与ε2成正比,即:倍频晶体越长,转换效率越大。
相位匹配:从物理上,相位匹配可以这样理解。
圆频率为ε的基频光波在倍频晶体中传播,逐渐湮灭自己,激起圆频率为2ε的光波,这一过程在晶体的各处都可能发生,如果在各处产生的倍频光波传播到倍频晶体的出射面时具有相同相位,则会互相加强得到最大输出。
要确保各处产生的倍频光在晶体出射面具有相同相位,则基频光波与倍频光波在倍频晶体中应该具有相同的相速度,或者说晶体对ε、2ε光波的折射率是相等的,即:ε(ε)=ε(2ε)。
在一般的正常色散介质中,当基频光和二次谐波是同一种类型光时,即当这两个光都是o 光或者e 光时,就不可能使ε(ε)=ε(2ε)。
为了达到ε(ε)=ε(2ε)的目的,我们可以利用各向异性晶体的双折射。
目前已经付诸实用的相位匹配方法有角度匹配法、温度匹配法等。
再配合在固体激光器中应用了调Q 技术及锁模技术,使脉冲宽度缩窄几个数量级,相应峰值功率大大提高,从而使倍频的效率也大为提高,实验证明可达到70%~80%的功率转换效率。
前面是从波的观点看倍频过程,如果从量子力学的观点来看,就更简单了。
二次谐波的产生过程可以看做是两个ε光子的湮没,同时产生一个2ε的光子。
参考文献:
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