光學(xué)倍頻過程中感應(yīng)衍射及色散的研究.pdf

1、光波的倍頻產(chǎn)生是一種典型的非線性光學(xué)過程，它源自介質(zhì)對光場的二階非線性響應(yīng)或極化。以往，人們大都僅關(guān)注高效倍頻的方式和技術(shù)，以獲得高功率的短波長激光，滿足應(yīng)用的需求。在參量過程三波相互作用位相匹配的基礎(chǔ)上，相應(yīng)地發(fā)展了諸如腔內(nèi)倍頻、外腔共振及準(zhǔn)位相匹配等多種技術(shù)。近年來，隨著對級聯(lián)非線性(位相失配條件下，二個二階非線性的級聯(lián)過程可等效為一個三階非線性)的認(rèn)識深入，倍頻過程的研究獲得了新的重視，新發(fā)現(xiàn)了多種重要的非線性光學(xué)現(xiàn)象如X型電磁波

2、、寬帶錐形光發(fā)射及高維光學(xué)孤子等，逐漸形成了一個新的研究方向。級聯(lián)非線性同時也激發(fā)了多種新的技術(shù)應(yīng)用，如高能量飛秒脈沖壓縮及正常色散狀態(tài)的克爾透鏡鎖模技術(shù)，對二階非線性光學(xué)的應(yīng)用和發(fā)展起到了推動作用。 在這些新的非線性現(xiàn)象和技術(shù)開發(fā)中，位相失配是共同的前提條件，它極大程度地豐富了非線性倍頻過程。因此，有必要系統(tǒng)深入地研究位相失配的倍頻過程。從光束傳輸?shù)慕嵌瓤?，位相失配的倍頻過程涉及到光波的非線性傳輸，也涉及到衍射和色散等線性傳輸

3、行為。本論文著重關(guān)心和研究光波的線性傳輸行為和非線性傳輸行為之間的相互影響，試圖回答非線性過程中光波的衍射和色散的變化規(guī)律。這些問題不僅是新的，也沒有答案，而且對探索和理解新的二階非線性光學(xué)現(xiàn)象是至關(guān)重要的。本文的主要研究工作包括以下幾個方面： 1．位相失配倍頻過程中感應(yīng)色散的理論研究飛秒脈沖在介質(zhì)中色散展寬是典型的線性傳輸特征，其基本的物理過程是群速度色散。群速度色散來源于介質(zhì)材料的本征色散，介質(zhì)的結(jié)構(gòu)或邊界條件也可以導(dǎo)致群速

4、度色散如光纖的模式色散和光柵等衍射引起的角色散，這些色散機制均是線性的，對超快激光的發(fā)展起到了不可替代的作用。非線性過程對色散的影響的研究工作較少，僅在疇反轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)性光學(xué)晶體(PPLN)中研究了群速度色散的產(chǎn)生機制，它本質(zhì)上也來源于材料的特殊結(jié)構(gòu)。通過理論上的解析分析與數(shù)值模擬計算，我們研究了體材料介質(zhì)中的感應(yīng)色散新機制。在位相失配較大時，基波光的色散將被傳遞給倍頻光波，因此倍頻光波遭受到的等效色散來自于材料本身以及基波的群速度色散兩部

5、分，滿足簡單的代數(shù)相加的關(guān)系。論文同時也研究了這種新的感應(yīng)色散的產(chǎn)生條件，并且討論分析了其物理圖像，可以用一階極化率與二階極化率的級聯(lián)過程來解釋[x<'(2)>(2w:w，w)：x<'(1)>(w)==>x<'(1)><,eff>(2w)]。 2．感應(yīng)色散現(xiàn)象的實驗驗證及應(yīng)用實例為確信這種感應(yīng)色散機制的存在，并且證實所起作用是不可忽略的，我們開展了實驗驗證的工作。選擇波長為2.4 um的飛秒激光在BBO晶體中的倍頻作為研究對象，

6、基波光的材料色散較倍頻光的材料色散高一個量級以上，材料本身的倍頻光色散可以被忽略。利用此設(shè)計思路開展的實驗工作中，觀察到了倍頻光脈沖顯著的啁啾展寬，其相應(yīng)的色散量是基波色散一半，因此清楚地驗證了感應(yīng)色散機制。作為一個重要的應(yīng)用實例，我們討論分析了感應(yīng)色散機制對時空光孤子產(chǎn)生的貢獻(xiàn)。高維時空光孤子的產(chǎn)生要求基波和倍頻光色散均為負(fù)值的實驗環(huán)境，我們研究了所有的光學(xué)非線性晶體，在其透明波段內(nèi)均不可能滿足此基本要求。感應(yīng)色散機制可以解決上述困境

7、，倍頻光頻率處材料本身的色散可以為正值，只要遠(yuǎn)小于基波光反常色散的量值，我們就可以創(chuàng)造等效倍頻色散為負(fù)值的實驗環(huán)境。進(jìn)一步的數(shù)值模擬計算，充分證明了該方案的可行性，它己被國外研究小組應(yīng)用來實驗產(chǎn)生了高維時空光孤子。 3．位相失配倍頻過程中感應(yīng)衍射的理論研究光波的色散和衍射在數(shù)學(xué)形式上對易，在物理圖像上可類比。因此，我們可以簡單地猜測位相失配的倍頻過程中也存在感應(yīng)衍射的機制。通過解析討論和數(shù)值計算，我們證實了感應(yīng)衍射效應(yīng)確實存在于

8、位相失配的倍頻過程中。盡管衍射和色散在性質(zhì)上可類比，但在量值上是有所不同的。取決于介質(zhì)材料，倍頻和基波光的色散量值關(guān)系是相對任意的，而倍頻光和基波光的衍射關(guān)系是確定的，倍頻光的衍射程度基本上是基波光的一半。結(jié)合感應(yīng)衍射的作用，倍頻光的等效衍射將顯著強于基波光，出現(xiàn)了一個新奇的現(xiàn)象，倍頻光斑的大小將大于基波光斑。上述這些感應(yīng)衍射的現(xiàn)象和規(guī)律均在數(shù)值計算中得到證明。 4．衍射和色散相關(guān)的非線性光學(xué)現(xiàn)象研究時空不穩(wěn)定性是非線性光學(xué)系統(tǒng)

9、的基本特征，由此產(chǎn)生的多色錐形光發(fā)射(CCE)是其一個主要結(jié)果。我們在實驗上觀察和研究了由時空不穩(wěn)定性導(dǎo)致的錐形光發(fā)射，它和傳統(tǒng)的光參量產(chǎn)生(OPG)在外形上極為相似，在若干已有的研究工作中引發(fā)了混淆。利用二塊非線性晶體，并設(shè)計了長短脈沖及窄帶光束泵浦的實驗環(huán)境，我們可以同時或分別在實驗上產(chǎn)生錐形光發(fā)射和光參量產(chǎn)生，從而清楚地診斷和鑒別了這兩種不同的非線性過程。據(jù)此，我們詳細(xì)研究和討論了衍射和色散的作用，幫助理解了新的錐形光發(fā)射形成的動