tty14光电测试技术十四：光波在非线性介质中的传播.ppt

2.6 光波在非线性介质中的传播 光场与物质的相互作用 线性光学效应 强度较弱的光场与物质相互作用时，物质对光场仅呈现线性响应。 产生的各种光学现象，如折射、散射、吸收等与光场呈线性关系；表征物质光学性质的许多特征参量，如折射率、吸收系数、散射截面等可看成是与光场强度无关的常量。 描述光波在物质中的传播及光波与物质相互作用的宏观麦克斯韦方程组也是一组线性微分方程组，即只含光场强度矢量的一次项。 单一频率的光波在非吸收的透明介质中传播时频率不变； 光的叠加原理及光传播互不干扰性成立。 非线性光学效应 激光出现后，这种强光场足以体现物质对光场的非线性响应。这种与光强有关的光学效应，通常称为非线性光学效应。 －线性电极化率； －二次非线性电极化率； －三次非线性电极化率。 为介质的非线性极化率，描述非线性介质对外光场的响应特性，是非线性光学中最基本、最重要的物理量。 光倍频、光混频（和频、差频）、光参量振荡、受激散射、多光子吸收、自聚焦、相位共轨、光学双稳态、电光效应、磁光效应等都属于非线性光学效应。 2.6.1 非线性电极化率 2.6.2光波在非线性介质中的传播 2.6.3 光混频及光倍频技术 1.光混频及光倍频的转换效率 和频：设频率为ω1和ω2的光波混频产生ω3=ω1+ω2频率的光波。在小信号近似条件下，可以近似认为混频过程中，ω1和ω2的光波场的强度改变量很小，可视为常数。那么三波耦合方程组中只剩下频率为ω3光波的一个方程： 2. 相位匹配条件及原理 相位匹配：Δk=0，相位因子=1 ，可获得高的ηSHG，称为相位匹配条件。 相位失配： Δk≠0，相位因子1。 实现相位匹配的方法： ① 角度相位匹配：利用晶体的双折射性质 ② 温度相位匹配：利用晶体的折射率随温度变化 以负单轴晶体（none）角度相位匹配为例： 如果选两个基频波都为o光，倍频波为e光，称为Ⅰ类匹配，用 o+o e 表示。相位匹配条件为 要使Δk=0，必须选择合适的入射角θ=θI，使 ne2ω（θⅠ）=noω 若选两个基频波分别为o光和e光，倍频波为e光，称为Ⅱ类匹配，用o+e e表示。相位匹配条件为 欲使Δk=0，则要求： ne2ω（θⅡ）=[noω+ neω （θⅡ）]/2 2.7 光波在水中的传播 光波是横波，与纵波相比，在水中传播时，衰减较大，但相对无线电波和微波而言，衰减较小。 尤其是激光出现，使利用光波在水下的测距、准直照明等成为可能。 2.7.1 传播光束的衰减特性 在短距离内，单色平行光束在水中传播的衰减： P=P0e-εl P、P0—传输距离等于0和l时的光功率 ε—衰减系数，包括吸收、散射引起的衰减。 L0—衰减长度，L0=1/ε（m ）。其物理意义是：在一个衰减长度距离上，光束的功率将衰减到初始值的1/ε，显然衰减系数越大，衰减长度就越小。 影响ε的因素：水质、传播光束的波长。 以自来水为例：衰减包括纯水的吸收和微粒散射。 蒸馏水的光谱吸收特性，表明与波长有关。 不同海域的衰减情况，表明与水质有关系 水下窗口：紫外、红外波段的光波在水中的衰减很大，在水下无法使用。在可见光波段，蓝绿光的衰减最小，所以称该波段为“水下窗口”。 0. 4900μm和0.6943μm波长的光波的衰减长度分别为11m和2m。 变换 P=P0e-εl 可得到光脉冲在水下的作用距离方程： P0、P可分别理解为光发射功率和探测器的最小可探测功率，则L就是光脉冲在水下所能传输的最远距离。 如果取 P0=106W，P=10-14W，对于0.4900μm波长的光波，其作用距离可达500m，对于0.6943μm波长光波，其作用距离仅为80m，可见红光很难在水下应用。 水质不同，其衰减特性差异很大。远海区海水清洁，衰减距离较长，近海岸区海水浑浊，衰减长度大为减小。 2.7.2 前向散射 如果增大测量距离，并适当加大接受器的面积，则测量数据将偏离