固体光学-晶体光学4
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总之，利用这两种效应可以扩展相干辐射的覆盖范围； 还可将待测的中远红外传号转换到可见光区域，以便观察与 测量。
三、光学参量放大与振荡
在差频过程中除了产生p-s=i的差频i新光波外，
原入射光波中的非泵浦光(即s光远低于泵浦光p的弱信号 光)在全部差频过程中其强度不但没减小，反而随着差频i
光波—起增大。
(或e光)，具体耦合情况有：
(1)负单轴晶第II类位相匹配eo-e方式 其位相匹配条件
n 2 e m n 1 0 n 1 e m 2
ne(2) no()
负单轴晶第II类位相匹配eo-e方式
倍频极化场为
(2)正单轴晶第II类位相匹配oe-o方式
其位相匹配条件
n 2 on 1 0 n 1 e m2
为了获得较好的倍频和混频效果，除了前面介绍的如何 实现最优匹配等因素外，非线性学材料的质量是一个关键因 素。人们为寻求高质量的非线性光学晶体作了大量的工作， 已发现具有非线性光学效应的晶体有上千种，但是具有实际 应用价值的或有一定应用前景的仅有三十种。其原因主要是 对非线性光学晶体的要求相当苛刻。
no(2) ne()
正单轴晶体折射率表面相位匹配oe-o
二、三波混频效应
两个频率不同的单色光(1和2)同时入射到 非线性光学介质中产生和频或差频效应 (3=1+2)，统称为三波混频。
为了实现混频过程的有效转换，也必须满足光量 子系统的能量守恒及动量守恒定律，从而满足如 下关系：
三波混频的位相匹配条件。它适合于一般的二次非线性过 程的位相匹配条件，如果1=2=，就变成倍频过程的位 相匹配条件，或变为光整流。
光参量放大与振荡示意图 (a)参量降频变换,(b)参量振荡器
四、光学参量振荡器实验系统
实际的光学参量振荡器系统，一般由如下几个部分组成。 (1)非线性晶体——要求它们具有良好的光学透过率．较大的 二次非线性极化系数，折射率随外界工作条件的变化易于控 制，以便实现可调谐高效率的参量振荡。 (2)泵浦光源——为产生光学参量振荡，必须有波长短于振荡 光而功率较强的激光辐射作泵浦光源。 (3)光学谐振腔-----可根据要求和实验条件之不同，而分别采 用平行平面腔、平凹、双凹或凹凸稳定腔等形式；组成谐振 腔的两个反射镜应该在参量振荡频率内有足够高反射率，而 对入射泵浦光则具有适当的透过率。 (4)位相配相和调谐装置------当采用诸如LiNbO3这类晶体作工 作物质时，为实现位相匹配可使泵浦光取非常光方式入射， 而参振光束则为寻常光。
n2emn10
倍频极化场为
ne(2) no()
负单轴晶体折射率表面相位匹配oo-e
可解得位相匹配角m为
(2) 正单轴晶第I类位相匹配ee-o方式。
其匹配条件
n1emn20
倍频极化场为
no(2) ne()
正单轴晶体折射率表面相位匹配ee-o
可解得位相匹配角m为
2、第II类正交式： 指相互作用的两个基颁光分别是o光和e光耦合成倍颇o光
PM方向与光轴夹角m称为位相匹配角。对于单轴晶体以
PM为母线绕z轴转360o可构成圆锥面，该圆锥面上任一条 母线方向都满足位相匹配条件(如图所示)。
1、第I 类平行式：
指相互作用的两个基频光都是e光或都是o光，耦合成 倍频O光或e光。根据单轴晶的正、负光性具体耦合情况有：
(1)负单轴晶第I类位相匹配oo-e方式。
光学参量振荡器装置原理图
(a) 利用激光器输出之二次谐波辐射作泵浦光 而采用温度调谐的装置；图(b)利用激光器本身的
激光输出作泵浦光而采用的角度调谐的装置。
改变振荡频率的调谐方式有；
①温度调谐：泵浦光垂直于晶体光轴方向入射，改变晶 体温度，可以相应地改变振荡颇率。此时s和i两频率 的振荡光束在空间不分离。 ②角度调谐：当晶体温度保持一定时，改变晶体光轴相对 于泵浦光的入射角度，同样可改变振荡频率。此时p、 s和i三种频率的振荡光束在空间上可能出现分离。 ②外场调谐：对非线性晶体施加外加直流电场或磁场，利 用晶体的电光效应或磁光效应使其折射率发生改变，同样 可以达到可调谐振荡的目的。
因此，在讨论s信号光波的变化规律时，可认为差频过
程是对非泵浦入射光的光放大过程。习惯上把这种光放大过 程称为光参量放大。
i 称为空载频率.
光参量放大过程需要满足如下位相匹配条件
在光参量放大过程中，参量转换效率是很低的。为了得 到较强的信号光，可把非线性光学介质置于光学谐振腔内， 使s光波与i光波不断从泵浦光吸收能量而产生增益。当增 益一旦超过腔体损耗(阂值)时便产生了振荡。这就是光学参 量振荡。当增益达到振荡阈值或者说当泵浦光强超过一定阈 值时，才有可能在谐振腔内形成持续的光参量振荡。
五、非线性光学材料简介
作为优质的倍频、混频和光参量放大与振荡的非线性 光学材料应满足如下要求：
(1)有较大的二次非线性光学系数； (2)在工作波长(或波段)有较高的透明度； (3)在工作波长(或波段)能实现位相匹配，最好能实现最优位 相匹配； (4)有较高的光损伤阈值； (5)容易获得大尺寸和光学均匀性好的晶体； (6)硬度大，物理化学性能稳定．不易潮解，便于加工等。
单轴晶体的三波混频位相匹配方式和条件与倍频过程 大致相同。以和颇为例，假设3=1+2， 3 ＞ 2 ＞ 1， 并且1至3的频率范围内折射率具有正常色散、则位相 匹配方式和条件如下表：
单轴晶混频效应的位相匹配角m可由不同的位相匹配方 式及其条件求出。例如，对负单轴晶体的oo-e匹配方式
在和频效应的两入射光中至少有一束是强相干光(激光)。 若1为一束强激光(称为泵浦光)，2是一个微弱的有待检测 的光讯号，1>>2，则将1+2=3过程称为频率上转换。 它可将远红外光向上变频至可见光乃至紫外光波段。同样， 参与差颇过程的1和2均为激光光束， 3为亚毫米波或远 红外光时1-2=3的差频过程称为频率下转换。
一、单轴晶体相位匹配方式
•角度位相匹配 角度位相匹配就是控
制光波在晶体中其一特定 方向(，)上传播，该方 向应满足相位匹配条件。 利用折射率面的色散可以 很方便的找到这个特定方 向。画出了负单轴晶体的 基频光折射率面(实线)和 相倍频光折射率面(虚线)。 其中倍频的e光面与基频 的o光面相交于M点。显 然OM方向就是满足位相 匹配方向.
三、光学参量放大与振荡
在差频过程中除了产生p-s=i的差频i新光波外，
原入射光波中的非泵浦光(即s光远低于泵浦光p的弱信号 光)在全部差频过程中其强度不但没减小，反而随着差频i
光波—起增大。
(或e光)，具体耦合情况有：
(1)负单轴晶第II类位相匹配eo-e方式 其位相匹配条件
n 2 e m n 1 0 n 1 e m 2
ne(2) no()
负单轴晶第II类位相匹配eo-e方式
倍频极化场为
(2)正单轴晶第II类位相匹配oe-o方式
其位相匹配条件
n 2 on 1 0 n 1 e m2
为了获得较好的倍频和混频效果，除了前面介绍的如何 实现最优匹配等因素外，非线性学材料的质量是一个关键因 素。人们为寻求高质量的非线性光学晶体作了大量的工作， 已发现具有非线性光学效应的晶体有上千种，但是具有实际 应用价值的或有一定应用前景的仅有三十种。其原因主要是 对非线性光学晶体的要求相当苛刻。
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正单轴晶体折射率表面相位匹配oe-o
二、三波混频效应
两个频率不同的单色光(1和2)同时入射到 非线性光学介质中产生和频或差频效应 (3=1+2)，统称为三波混频。
为了实现混频过程的有效转换，也必须满足光量 子系统的能量守恒及动量守恒定律，从而满足如 下关系：
三波混频的位相匹配条件。它适合于一般的二次非线性过 程的位相匹配条件，如果1=2=，就变成倍频过程的位 相匹配条件，或变为光整流。
光参量放大与振荡示意图 (a)参量降频变换,(b)参量振荡器
四、光学参量振荡器实验系统
实际的光学参量振荡器系统，一般由如下几个部分组成。 (1)非线性晶体——要求它们具有良好的光学透过率．较大的 二次非线性极化系数，折射率随外界工作条件的变化易于控 制，以便实现可调谐高效率的参量振荡。 (2)泵浦光源——为产生光学参量振荡，必须有波长短于振荡 光而功率较强的激光辐射作泵浦光源。 (3)光学谐振腔-----可根据要求和实验条件之不同，而分别采 用平行平面腔、平凹、双凹或凹凸稳定腔等形式；组成谐振 腔的两个反射镜应该在参量振荡频率内有足够高反射率，而 对入射泵浦光则具有适当的透过率。 (4)位相配相和调谐装置------当采用诸如LiNbO3这类晶体作工 作物质时，为实现位相匹配可使泵浦光取非常光方式入射， 而参振光束则为寻常光。
n2emn10
倍频极化场为
ne(2) no()
负单轴晶体折射率表面相位匹配oo-e
可解得位相匹配角m为
(2) 正单轴晶第I类位相匹配ee-o方式。
其匹配条件
n1emn20
倍频极化场为
no(2) ne()
正单轴晶体折射率表面相位匹配ee-o
可解得位相匹配角m为
2、第II类正交式： 指相互作用的两个基颁光分别是o光和e光耦合成倍颇o光
PM方向与光轴夹角m称为位相匹配角。对于单轴晶体以
PM为母线绕z轴转360o可构成圆锥面，该圆锥面上任一条 母线方向都满足位相匹配条件(如图所示)。
1、第I 类平行式：
指相互作用的两个基频光都是e光或都是o光，耦合成 倍频O光或e光。根据单轴晶的正、负光性具体耦合情况有：
(1)负单轴晶第I类位相匹配oo-e方式。
光学参量振荡器装置原理图
(a) 利用激光器输出之二次谐波辐射作泵浦光 而采用温度调谐的装置；图(b)利用激光器本身的
激光输出作泵浦光而采用的角度调谐的装置。
改变振荡频率的调谐方式有；
①温度调谐：泵浦光垂直于晶体光轴方向入射，改变晶 体温度，可以相应地改变振荡颇率。此时s和i两频率 的振荡光束在空间不分离。 ②角度调谐：当晶体温度保持一定时，改变晶体光轴相对 于泵浦光的入射角度，同样可改变振荡频率。此时p、 s和i三种频率的振荡光束在空间上可能出现分离。 ②外场调谐：对非线性晶体施加外加直流电场或磁场，利 用晶体的电光效应或磁光效应使其折射率发生改变，同样 可以达到可调谐振荡的目的。
因此，在讨论s信号光波的变化规律时，可认为差频过
程是对非泵浦入射光的光放大过程。习惯上把这种光放大过 程称为光参量放大。
i 称为空载频率.
光参量放大过程需要满足如下位相匹配条件
在光参量放大过程中，参量转换效率是很低的。为了得 到较强的信号光，可把非线性光学介质置于光学谐振腔内， 使s光波与i光波不断从泵浦光吸收能量而产生增益。当增 益一旦超过腔体损耗(阂值)时便产生了振荡。这就是光学参 量振荡。当增益达到振荡阈值或者说当泵浦光强超过一定阈 值时，才有可能在谐振腔内形成持续的光参量振荡。
五、非线性光学材料简介
作为优质的倍频、混频和光参量放大与振荡的非线性 光学材料应满足如下要求：
(1)有较大的二次非线性光学系数； (2)在工作波长(或波段)有较高的透明度； (3)在工作波长(或波段)能实现位相匹配，最好能实现最优位 相匹配； (4)有较高的光损伤阈值； (5)容易获得大尺寸和光学均匀性好的晶体； (6)硬度大，物理化学性能稳定．不易潮解，便于加工等。
单轴晶体的三波混频位相匹配方式和条件与倍频过程 大致相同。以和颇为例，假设3=1+2， 3 ＞ 2 ＞ 1， 并且1至3的频率范围内折射率具有正常色散、则位相 匹配方式和条件如下表：
单轴晶混频效应的位相匹配角m可由不同的位相匹配方 式及其条件求出。例如，对负单轴晶体的oo-e匹配方式
在和频效应的两入射光中至少有一束是强相干光(激光)。 若1为一束强激光(称为泵浦光)，2是一个微弱的有待检测 的光讯号，1>>2，则将1+2=3过程称为频率上转换。 它可将远红外光向上变频至可见光乃至紫外光波段。同样， 参与差颇过程的1和2均为激光光束， 3为亚毫米波或远 红外光时1-2=3的差频过程称为频率下转换。
一、单轴晶体相位匹配方式
•角度位相匹配 角度位相匹配就是控
制光波在晶体中其一特定 方向(，)上传播，该方 向应满足相位匹配条件。 利用折射率面的色散可以 很方便的找到这个特定方 向。画出了负单轴晶体的 基频光折射率面(实线)和 相倍频光折射率面(虚线)。 其中倍频的e光面与基频 的o光面相交于M点。显 然OM方向就是满足位相 匹配方向.