宽谱光源的准相位匹配倍频仿真研究

【摘要】：由于宽谱激光光源,特别是超连续谱激光技术的迅速发展以及在光纤通信与传感、生物医学和光谱分析等领域的广泛应用,宽谱激光的二次谐波转换的研究具有十分重要的理论与实践意义。但由于高效、宽带的谐波转换需要同时满足相位匹配和群速度匹配,这对于传统的倍频方式是无法实现的,因此极大地限制了宽谱激光谐波转换向高功率、大带宽方向的发展。相比传统双折射相位匹配倍频,准相位匹配倍频技术的优势就是可以拓宽非线性晶体的应用范围,为宽谱激光高效谐波转换提供了新思路。目前准相位匹配倍频的研究主要围绕如何提高窄带激光转化效率以及降低温度敏感性等内容,关于宽谱激光的准相位匹配倍频的讨论主要是针对超短脉冲光源,而对于一般宽谱激光的倍频过程却一直未受到科研人员的关注。论文针对宽谱激光的准相位匹配倍频展开了理论分析与仿真研究,探索与分析了高效、宽带二次谐波转换的可行性与实现条件,为下一步研究与设计宽谱激光的高效谐波转换提供了理论依据与数据支撑。论文首先回顾了准相位匹配技术的提出和发展历程以及近二十年所取得一系列研究成果,概括性的介绍了宽谱激光光源的种类、特点与应用范围,并阐明了宽谱激光倍频的科研与实践价值,在此基础上总结了准相位匹配技术应用于宽谱激光倍频的优势。从麦克斯韦方程组出发,引出了三波相互作用的耦合波方程,详细讨论了二次谐波产生过程与相位匹配的实现方法。进一步分析了准相位匹配倍频技术的基本原理,并利用小信号近似讨论影响准相位匹配倍频效率的因素。通过数值仿真手段对单色连续激光的普通倍频以及准相位匹配倍频进行进一步研究。计算结果表明,普通倍频晶体中,当相位失配时,倍频光随有效作用距离增加而周期性振荡,且失配因子较小时的周期和振幅与小信号近似的结论存在明显差异。而对于极化周期34.041?m的PPKTP晶体,倍频光场强度的振荡周期要远大于普通相位匹配倍频,且在局部出现小幅度的波动。针对高斯光束对描述倍频过程的耦合波方程进行了修正,从理论上初步分析了高斯光束与平面波的倍频过程差异。并通过对于极化周期34.041?m的PPKTP晶体的倍频仿真发现,高斯光束发散会导致倍频效率的降低,且相位失配的情况下,高斯光束的发散会对倍频光振荡产生阻尼作用。对1997年GD.Milier等人报道的数据计算倍频效率,改进后的高斯光束计算结果为54.1%,更加接近实验报道的倍频效率为42%。从理论上对准相位匹配倍频的带宽与极化周期容差进行了分析,并通过数值仿真对PPKTP、PPLN和7mol%掺杂PPMgLN晶体中各参数对宽谱激光倍频效率和倍频带宽的影响进行研究,并与已报道的实验数据进行比较验证。分析结果表明,倍频带宽随晶体长度近似呈倒数关系递减,长度较小的晶体拥有更好的带宽性能;极化周期以及材料色散性质的选取严重影响倍频带宽,选取失配因子导数较小的材料和周期能显著提高倍频带宽性能;匹配阶数对倍频带宽几乎没有影响,仅影响倍频总转化效率。
【关键词】：准相位匹配技术 二次谐波转换 宽谱激光 材料色散 极化周期
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：O437