準(zhǔn)相位匹配技術(shù)及其應(yīng)用研究.pdf

1、準(zhǔn)相位匹配(QPM)技術(shù)是一種通過對光學(xué)晶體非線性極化率進(jìn)行周期性調(diào)制來補(bǔ)償由于折射率色散所造成的光波之間相位失配的技術(shù)，它以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在諸多領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用價(jià)值。本文利用理論和數(shù)值的分析方法，對基于QPM技術(shù)的周期極化鈮酸鋰(PPLN)晶體在光參量放大和光波長轉(zhuǎn)換方面中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。論文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下： 一、闡述了QPM技術(shù)的基本原理和國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀；總結(jié)了形成周期反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的各種方案；介紹周期極化晶體的類

2、型和特性；對基于周期極化晶體的光參量放大和光波長轉(zhuǎn)換的原理和發(fā)展歷程作了介紹。 二、理論和數(shù)值研究了寬帶可調(diào)諧非共線光參量放大過程，首次提出了兩種不同的非共線結(jié)構(gòu)用以實(shí)現(xiàn)基于PPLN晶體的光學(xué)參量放大。針對超短脈沖光波，提出了最大極化周期的概念用以描述非共線相位匹配和群速度匹配同時(shí)滿足時(shí)晶體的極化周期所能達(dá)到的最大值，并給出了用于計(jì)算不同溫度下PPLN晶體的最大極化周期的數(shù)學(xué)公式，進(jìn)而確定了寬帶可調(diào)諧超短脈沖光參量放大過程應(yīng)使用

3、的最佳極化周期和最佳非共線結(jié)構(gòu)。在上述基礎(chǔ)上提出了一個(gè)用于最大化光參量放大過程的信號光調(diào)諧帶寬、確定工作溫度等最佳工作參數(shù)以及簡化實(shí)驗(yàn)操作方法的優(yōu)化方案，并證實(shí)了此方案可以被進(jìn)一步擴(kuò)展到其它周期極化晶體和使用不同泵浦光波長的情況中。針對納秒脈沖光波，同樣給出了在獲得相對最大的信號光調(diào)諧帶寬時(shí)應(yīng)使用的最佳極化周期和最佳非共線結(jié)構(gòu)。 三、利用泰勒級數(shù)展開法和直接計(jì)算法對參量帶寬進(jìn)行了分析，分析過程中綜合考慮到了非共線結(jié)構(gòu)和極化周期所

4、帶來的影響。與原有的單一結(jié)構(gòu)光參量放大相比，通過改變非共線結(jié)構(gòu)可以獲得更大的參量帶寬。對超短脈沖而言，使用合適的非共線結(jié)構(gòu)對參量帶寬的增強(qiáng)效果比調(diào)整極化周期更好：對于納秒脈沖而言，合理的選擇極化周期和非共線角更為重要。此外，還對泰勒級數(shù)展開法和直接計(jì)算法取得的結(jié)果進(jìn)行了對比，指出了這兩種分析方法各自的優(yōu)越性。 四、深入研究了非共線光參量放大過程的增益帶寬和參量增益。利用泰勒級數(shù)展開法得到了群速度匹配條件和相位匹配條件同時(shí)滿足時(shí)增

5、益帶寬的解析表達(dá)式，并分析了非共線結(jié)構(gòu)和極化周期對增益帶寬的影響，同時(shí)討論了增益帶寬與參量帶寬的差異。系統(tǒng)考慮晶體的極化周期、非共線結(jié)構(gòu)、泵浦光強(qiáng)度和晶體長度對參量增益所帶來的影響，給出了獲取高增益的合理方案。 五、提出了不完全非共線光參量放大的概念，并闡明了其與完全非共線光參量放大的區(qū)別，同時(shí)給出了基于PPLN晶體的三種不完全非共線光參量放大形式，隨后對實(shí)際中較常用的兩種不完全非共線光參量放大的信號光調(diào)諧帶寬和參量帶寬進(jìn)行了研

6、究。在對參量帶寬和信號光的調(diào)諧范圍要求不是很高的情況下，采用其中的一種不完全非共線光參量放大形式可以簡化實(shí)驗(yàn)操作，而另一種不完全非共線光參量放大形式在中紅外波段有很好的結(jié)果。 六、研究了分段光柵結(jié)構(gòu)對五種不同波長轉(zhuǎn)換方案：直接差頻效應(yīng)、單通SHG+DFG、單通SFG+DFG、雙通SHG+DFG和雙通SFG+DFG的轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換帶寬的影響，其中對后面四種的研究工作尚屬首次，隨后分別給出了每種方案相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)。在保證可以獲得