二阶非线性参量过程与晶格振动耦合特性的研究

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自从1961年Franken等人利用红宝石激光器在非中心对称的石英晶体中首次实现二次谐波输出以来,二阶非线性光学过程已经吸引了越来越多人的注意。随着研究的深入,二阶非线性过程也从最早的二次谐波产生扩展到混频产生,包括和频产生、三次谐波产生、光整流过程、差频产生、光学参量放大和光学参量振荡等等。另外由于太赫兹科学与技术的发展以及对太赫兹源的需求,二阶非线性过程作为太赫兹的光子学产生方法也越来越受到重视。由于铌酸锂晶体拥有较大的非线性系数,铌酸锂晶体中光学差频产生太赫兹已成为重要的方法之一。  虽然铌酸锂晶体有较大的非线性系数,但铌酸锂晶体在太赫兹波段也具有较强的吸收。由于铌酸锂晶体内的一些振动模式与太赫兹频率较为接近,在太赫兹波段,二阶非线性过程与晶体内部的晶格振动发生强烈耦合,这一耦合导致了新的光学效应产生,这也就是本文所要讨论的重点,论文主要包含以下几个部分:  1.介绍太赫兹的光学性质与常用的太赫兹产生的方法,以及太赫兹与铌酸锂晶体的相互作用所带来的新颖效应。  2.介绍晶体内部的振动模式及其与太赫兹的耦合,提出一种包含晶格振动在内的类四波混频耦合波方程来对这种新颖光学现象进行描述。  3.基于(2)中的耦合波方程提出一种新的二阶非线性系数,并说明此非线性系数与晶格振动的依赖关系。通过计算铌酸锂晶体在ee→e和oo→e过程中非线性系数随电磁波频率的变化,说明电磁波与晶格振动的耦合情况对此非线性系数的影响,并在此基础上对电磁波频率范围进行划分,以更好的说明二阶非线性过程对电磁波频率的依赖关系。  4.计算二阶非线性过程在不同非线性系数下太赫兹的转化效率,从中可以间发现晶格振动与太赫兹间耦合对非线性过程的影响,以及在传统二阶非线性过程得到匹配而晶格振动导致的非线性过程失匹情况下太赫兹波在产生过程中的局域强弱振荡对比。此外我们还提出了提出一种新的微结构设计来进行双重准位相匹配,以实现传统二阶非线性过程和晶格振动耦合导致的非线性过程可以同时得到匹配,而最终达到高效太赫兹输出的目标。
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