β--硼酸钡晶体中相位匹配对二次谐波和太赫兹产生的影响
非线性光学对光学频率转换和非线性光谱学至关重要，二次谐波和太赫兹的产生都是二阶非线性过程，其物理机制都归因于相同的二阶非线性电极化率张量。有多种高效产生太赫兹的方法，例如从激光产生的空气等离子体中可以获得高强度的太赫兹辐射。空气等离子法产生的太赫兹具有非常宽的频谱，其频谱能够覆盖0.2至30太赫兹。 光整流的实验装置更为简单，所以光整流产生太赫兹成为了一种广泛应用于太赫兹频谱的方法。非线性晶体在窄脉宽的泵浦光作用下产生太赫兹，由光整流产生的太赫兹频谱不仅受泵浦光脉宽、材料的性质及晶体的厚度的影响，还受晶体中泵浦光和所产生太赫兹的相位匹配的调控。由于薄的晶体能满足更宽频谱范围内的太赫兹与泵浦光的相位匹配，因而厚度比较薄的晶体能产生较宽频谱的太赫兹。 硼酸钡晶体自1984年被发现以来，对谐波的产生、倍频、可调谐光学参数振荡器和光学参量放大器的发展产生了深远的影响。硼酸钡晶体具有高透明度、高非线性系数和高损坏阈值的优点，且在0.1-1.1太赫兹频率区域具有巨大的双折射。β-硼酸钡晶体中Ⅰ-型相位匹配被广泛应用于生成二次谐波，此相位匹配要求泵浦光的偏振方位于晶体的慢轴（o光），所产生的二次谐波的偏振方向位于晶体的快轴（e光）。同时，不同波长的泵浦光需要不同的晶体几何切割来满足Ⅰ-型相位匹配的要求。 本论文研究Ⅰ-型β-硼酸钡晶体中相位匹配对产生二次谐波和太赫兹的影响，实验中所使用的Ⅰ-型β-硼酸钡晶体的几何切割是为了满足泵浦光波长为800纳米时的Ⅰ-型相位匹配。该几何切割的晶体在中心波长为800纳米、脉宽为50飞秒的泵浦作用下，可以同时产生二次谐波和太赫兹。虽然产生二次谐波和太赫兹的物理过程都归因于晶体的二阶电极化率张量，但是产生二次谐波和太赫兹的物理机制并不完全相同。二次谐波的产生为倍频过程（和频），而太赫兹的产生为光整流过程（差频）。 论文第一章介绍了非线性光学的研究背景和一些基本概念，非线性晶体的几何切割主要从折射率和有效电极化率张量两方面来影响非线性光学过程中的相位匹配。通常来讲，诸如倍频、光整流、和频以及差频等非线性光学过程需要不同的晶体几何切割来满足不同的相位匹配。即便是同一非线性光学过程，不同的波长也需要不同的晶体几何切割来满足不同的相位匹配，因此晶体几何切割所对应的相位匹配至关重要。论文第二章首先推导出β-硼酸钡晶体在任意晶体几何切割条件下的有效电极化率张量，然后以Ⅰ-型β-硼酸钡晶体为例，计算其在产生二次谐波和太赫兹过程中的相位匹配。论文第三章介绍用于研究Ⅰ-型β-硼酸钡晶体中相位匹配对产生二次谐波和太赫兹影响的实验平台。论文第四章结合第二章得出的理论结果，从实验上来研究Ⅰ-型β-硼酸钡晶体中相位匹配对产生二次谐波和太赫兹的影响，阐述了太赫兹电场强度的峰值和功率随泵浦光偏振方向变化的规律，并且比较了二次谐波和太赫兹功率随泵浦光偏振变化的极坐标图。结果表明，二次谐波功率随泵浦光偏振变化的极坐标图有两瓣，而太赫兹功率随泵浦光偏振变化的极坐标图有四瓣。最后，论文第五章对研究结果进行了总结并提出了展望。
二次谐波;太赫兹;非线性光学;相位匹配;折射率椭球;硼酸钡晶体
广州大学
硕士
凝聚态物理
郭康贤
2023
中文
O437;O441.4
2023-08-22（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）