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1、各专业完整优秀毕业论文设计图纸AgGaSe2晶体的非线性光学数值分析物理与电子信息学院物理学（师范）专业2007级 指导老师： 摘要：。根据非线性光学原理，较完整的对AgGaSe2晶体的光学震荡参数进行了数值分析，我们可以知道AgGaSe2晶体属于负单轴晶体,它是一种多功能晶体，它具有非线性光学性质，其非线性光学系数较大，而且能够实现非临界相位匹配，但由于这种晶体的抗激光损伤阈值较低，从而大大的减小了它的二次谐波发生的转换效率。然后计算得到在一定的泵浦光波长下，AgGaSe2晶体的角度调谐曲线和在温度20时AgGaSe2晶体折射率色散关系图、允许失配角、有效长度。其结果会对AgGaSe2光学参
2、量研究具有一定参考价值。 关键字：AgGaSe2晶体；非线性光学；数据分析AgGaSe2 nonlinear optical crystal of numerical analysisLipinsiPhysical and electronic information college physics Grade 2007 Instructor: zengtixianAbstract: According to nonlinear optics,and more complete numerical analysison to shock parameters Crystals of AgGaS
3、e2 ,surely in this essay, AgGaSe2 crystal is Negative uniaxial crystal. It is a multi-crystal. It has nonlinear optical properties, its large nonlinear optical coefficient, and to achieve non-critical phase matching, but because the crystals with lower resistance to laser damage threshold, and thus
4、greatly decreasing the Er Ci it harmonic wave conversion efficiency occur. Then calculated the pump modulation in certain wavelengths AgGaSe2 crystals, the Angle of the temperature curve and attune AgGaSe2 crystal refractive index when 20 , allowing dispersion relation graph supporting, effective le
5、ngth lost. the results of optical parameters of AgGaSe2 will have some reference value.Key words: AgGaSe2 crystals Nonlinear optical Data analysis目 录摘要1ABSTRACT1第一章 绪 论31.1 非线性光学的发展41.2 AgGaSe2晶体的发展和应用41.3主要研究内容和目的5第二章AgGaSe2结构及物理属性52.1 AgGaSe2晶体结构52.2 AgGaSe2物理属性82.2.1 常用非线性光学晶体及其主要特性参数8 2.2.2 AgGa
6、Se2的基本特性参数10第三章AgGaSe2晶体的非线性光学参数分析123.1 非线性光学基础123.2 二阶非线性光学效应133.3 非线性极化系数143.4 相位匹配及实现方法153.5 相位匹配角183.6孔径效应与有效长度213.7相位匹配允许角223.8 最优位相匹配23参考文献24致谢24第一章 绪论1.1非线性光学的发展 非线性光学是一门介于基础与应用之间的学科，随着实验与理论的深入，它几乎在所有的科学领域中都获得广泛的应用。近年来，随着科学技术的飞速发展，许多高新技术领域广泛应用了晶体的多重属性，尤其在光电子技术中，晶体的应用又开拓出一代全新的光电子产品。晶体光学作为近代光学的
7、一个重要分支，越来越显示出它的重要性和广阔的应用前景。非线性光学是探讨在极强激光光场作用下所发生的现象，是继强激光器件发展之后开拓的最活跃的研究领域之一。非线性光学是一个非常年轻的物理学领域，它论述在光强很高的激光束作用下所发生的现象，它也只是在强激光器发展起来后才有可能开拓的令人最感兴趣的研究领域之一。现在，非线性光学领域仍处于迅速发展阶段，随着激光技术和非线性光学的发展，从事这方面工作的科技人员中愈来愈迫切地希望对晶体中光波的传播过程有一个全面系统的了解，在研制激光非线性光学复合功能晶体材料时，对于作为激光基质的晶体来讲，应具备下列条件：(1)要具有较大的非线性光学的系数；(2)激活离子最
8、好是晶体本身组成之一；或以取代方式进入基质晶体晶格座位，这样便可以保持晶体的光学均匀性，同时也可提高掺入的激活离子的浓度；(3)激活离子进入晶格后，不改变原有基质晶体的结构特点，同时尽可能使激活离子之间的间距增大，以避免发生浓度淬灭；(4)基质晶体的对称性不应太低，以便有利于激光基频光在相位匹配方向上实现自倍频效应，同时也使晶体易于加工。1.2 AgGaSe2晶体的发展和应用AgGaSe2(AGSe)已被证明是CO2激光倍频最有效的晶体材料，还同时具有三波非线性作用(OPO)的优良性能。AGSe透明区域为0.73-18m,其可用波段位于0.9-16m。采用目前成熟的激光泵浦，AGSe的OPO呈
9、现宽阔的红外可调谐性能。用Ho:YLF2.05m泵浦AGSe获得2.5-12mOPO调谐光源;用1.4-1.55um调谐光源泵浦的非临界相位匹配OPO输出1.9-5.5um调谐光源;早在1982年,就已经实现了脉冲CO2激光的有效倍频;上述系统的输出波段还可以用和频或差频混频的方法(SF/DFM)予以扩充。还可以用来红外参量振荡器，用1.34m的ND：YAG泵浦激光和2.05m的HO：YLF泵浦激光时，能在1.6-1.7m。6.7-6.9m和2.65-9.02m范围内连续可调，脉冲能量超过3Mj,峰值功率接近100kw，转化效率达18%，用2.05m泵浦激光时，最佳设计的光参量振荡器，能在2.
10、5-12m范围内连续可调。 AgGaSe2晶体具有足够大的双折射率，同时满足3个频率的相位匹配，可以实现对波长短到1.2m的3个波的混频过程，对3-18m范围内的混频信号实现相位匹配。因此这种材料是制作红外混频器的极好材料之一 AgGaSe2晶体可以用来制作红外远程测距仪，他是一种在激光通讯和军事技术等方面有广泛用途的红外非线性晶体。1.3主要研究内容和目的根据非线性光学原理和双折射色散关系，对AgGaSe2晶体参数进行数值分析，推导出相位匹配角的理论公式，并利用相关软件编程得到在一定的泵浦光下，AgGaSe2晶体的角度调谐曲线。由于晶体中的离散效应导致光波存在一定的走离角，导致位相失配，使得
11、光波的互作用长度下降，因而需要计算晶体的有效长度。另外，非平行光束也会引起相位的失配，为此需计算与光束发散相关的相位匹配允许角。第二章 AgGaSe2结构及物理属性2.1 AgGaSe2晶体结构 AgGaSe2晶体是一种- 2族三元化合物半导体，黄铜矿结构，42m点群。如图2.12.2 AgGaSe2物理属性2.2.1 常用非线性光学晶体及其主要特性参数下表列出了一些比较常用的频率转换非线性光学晶体及其主要特性参数，它们在性质上各有千秋。如KDP晶体易于生长，KTP的非线性系数高，AgGaSe2晶体的透光波段宽，而CLBO具有优良的紫外激光倍频性能等等。一些比较常用的频率非线性光学晶体及其主要
12、特性参数（如表2.2）所示，一些比较常用的频率转换非线性光学晶体及其主要特性参（如表2.3）所示，相对非线性光学系数()（如表2.4）所示：表2.2 一些比较常用的频率非线性光学晶体及其主要特性参数晶体简称透光波段（）最大非线性系数()KDP0.18-1.5d36=0.4LI0.3-5.5d15=5.5LN0.4-5.0d15=5.4BBO0.19-3.0d11=1.88LBO0.16-2.6d32=1.24CLBO0.18-2.75d36=1.01KN0.38-5.2d33=210.7-18d36=33KTP0.35-4.5d33=12 表2.3 一些比较常用的频率转换非线性光学晶体及其主要
13、特性参数晶体光损伤阀值潮解情况16潮解2-3潮解0.1不潮解10弱潮解26弱潮解26弱潮解0.25不潮解0.002不潮解2.2不潮解 表2.4 相对非线性光学系数()晶体波长（）折射率Te5.34.866.3=129810.64.86.25ADP1.061.511.47=1.21=12.51.062.242.16=10=7510.62.592.56=7610.63.073.11=17310.63.503.59=4722.2.2 AgGaSe2的基本特性参数 我们一般采用熔体温度振荡法合成高纯单相致密的AgGaSe2晶体，并对传统的布里奇曼方法进行了改进，在两区域立式炉中用坩埚旋转下降法生长出A
14、gGaSe2单晶体 下面列出AgGaSe2晶体的一些基本特性参数。 AgGaSe2基本特性（如表2.5）所示 晶体结构 四方 42m单元参数a=5.9920 c=10.8863 熔点860oC 吸收率0.6/cm 0.02/cm密度 5.71光学均匀性0.916mAgGaSe2晶体的光学特性（如表2.6）所示 透明范围0.5312m 1064nm的折射率ne=2.6792 no=2.7010ne=2.5808 no=2.6134ne=2.5579 no=2.5912损坏阀值20 - 30(150ns)非线性光学系数=76AgGaSe2晶体体相位匹配角的理论值和实验值（如表2.7）所示Inter
15、actionWavelengths pmdeg3 degSHG,o+oe10.65.355.020.689.64.849.000.715.32.6541.100.694.82.443.630.6810.6+2.652.1243.710.679.6+2.41.96 46.360.66AgGaSe2晶体的激光损伤阀值（表2.8）所示（）（ns1.64230.13-0.4350.3350.112.0300.08330Ls时，会造成倍频效率饱和；晶体过短。例LLs，则转换效率比较低。Ls的大小基本给出了倍频技术中应该使用的晶体长度。模式的不同夜影响转换效率，如高阶横模，方向性差，偏离光传播方向的光会偏
16、离相位匹配角。所以在不降低入射光功率的情况下，以选用基横模或低阶横模为宜。图3.4 晶体中基频光和倍频光振幅随距离的变化3.5 相位匹配角一般说来，只有双折射比较大的而色散又比较小的晶体，才有可能实现相位匹配，特别是类相位匹配，负单轴晶体大多能满足相位匹配条件。AgGaSe2为负单轴晶体()。根据非线性光学理论，实现类相位匹配（o+oe)的条件为：式中和分别是基频o光和倍频o光的折射率；为倍频e光的折射率。AgGaSe2晶体感应折射率椭球方程为： （3.18） 在透光波段（），AgGaSe2的折射率色散方程为： (3.19) 式中 ，为光波波长，A,B,C,D,是晶体Sellmeier系数。将
17、20下的Sellmeier系数带入上式，可得： （3.20） （3.21）利用Matlab软件作图所得20时AgGaSe2折射率光波波长曲线图（见图3.6）可得其色散曲线，如图所示。图3.6 AgGaSe2晶体折射色散关系（20）折射率与已知，则任意角方向上的e光折射率的表达式为： （3.22）由负单轴晶的类相位匹配条件，可得： （3.23）图3.7 单轴晶相位匹配条件下的晶体取向由于，能够预先测定，由式（3.22）可以计算出角的大小为： （3.24）在三波混频过程中，对应的波矢分别为、，要想在非线性光学介质的众多非线性光学过程中保证和频或差频的产生，必须使这些光学光轴 mk 图3.7 单轴晶
18、相位匹配条件下的晶体取向过程满足相位匹配条件：。根据共线条件下的动量守衡公式： （3.25）根据波矢量的定义 （3.26）式中，是频率为光波折射率，为光波在真空的传播速度，为光波的单位波矢量。根据（3.24）和（3.25）两式的关系，可求得 （3.27）其中n 为相互作用的三波折射率,下标p为泵浦光，s为信号光，i 为闲频光。三波互作用还应满足能量守衡： （3.28）再根据折射率关系（1.26）式，还有负单轴晶体第一类匹配条件可知，信号光为e光，泵浦光与闲频光均为o光，则有： （3.29）结合，可得AgGaSe2光参量振荡的相位匹配角：得到负单轴AgGaSe2的类相位匹配角与波长之间的调谐曲线
19、，如图（3.8）所示。图3.8 AgGaSe2的类相位匹配角与波长之间的调谐曲线3.6孔径效应与有效长度在各向异性晶体中，沿波法线方向传播的光具有两束不同偏振方向（o光与e光）的光，它们的能量的传播方向是分离的。只有当波法线的方向平行于主轴时，两束光的能量传播方向才会一致。在一般情况下，非常光波（e光）的传播方向会偏离波线方向（矢量不平行于矢量）。在光参量振荡过程中，总有非常光（e光）参与，由于双折射效应，非常光的传播方向将偏离寻常光（o光）的传播方向，形成一离散角，如图3.9所示。虽然光束具有一定的截面，但不能使与在整个路程上完全重叠，故原来共线传播的泵浦光和参变光经过一定的距离就会分离开，
20、因不能相互作用而使参变光的转换效率降低，这种效应称为光孔效应。因此,在光参量振荡过程中,由于光孔效应使得抽运光和参变光的互作用长度（即有效长度）小于晶体的纵向通光长度,降低了参变光的转换效率。因此,在实际的应用过程中应考虑走离角的影响,以保证光波的互作用长度大于或等于晶体的长度。 图3.9 光波走离角示意图在单轴晶体中, o光的走离角为0，e光的走离角为： （3.31）当实现第类相位匹配角为。结合式（3.30）计算可得走离角。由以上结果可以看出，AgGaSe2单晶体在第类位相匹配条件下的走离角是很小的。由（3.31）式可知，在满足非临界相位匹配条件（90）时，。e光的传播方向与光线方向一致，不
21、存在光孔效应，但是这样的匹配在常温下很难实现。由走离角可进一步计算晶体的有效长度：3.7 相位匹配允许角在光参量振荡调谐过程中，只有当参变光波沿相位匹配角方向入射时，才能满足相位匹配，即实现完全相位匹配。在一定的相位匹配角度的情况下，由于光束的发散，光束不再平行而是存在一定的发散角 ，很难做到完全相位匹配，总存在或大或小的，从而降低了频率变换的效率。通常规定一个允许的相位失配(为晶体长度) ，只要不大于，都能满足相位匹配输出参量光。此时的相位匹配角，即为当调谐角为时晶体的允许角。又因为 （3.33）将相位失配对在附近展成泰勒级数得： （3.34）对于负单轴晶体的第类类相位匹配，其中信号光为光。
22、取一级近似，并与联立得：（3.35）. 将（为晶体长度），代入式（3.35）得： （3.36）式（3.36）可以近似为： （3.37）对于晶体长度为1cm的AgGaSe2晶体，在时，其相位匹配允许角可由式（3.37）计算得：。3.8 最优位相匹配由下式即（3.38） （3.38）可知，当时，此时尽管光束发散而偏离方向，但是对位相匹配影响很小。由式（3.31）知，时，没有光孔效应。当在其他方向上时，光束偏离位相匹配方向的影响必须计入，并且因为，从而使相干长度随发散角的增大而减少，正因为如此，人们将的位相匹配称为最优位相匹配，或称非临界位相匹配，而将的位相匹配称为临界位相匹配。是否实现最优位相匹配
23、首先要看有效非线性光学系数中是否含有因子。如果位相匹配角接近，则可以通过调节晶体温度、改变晶体某些成分、施加直流电场等方法来实现最优位相匹配， 太小则不可能实现最优位相匹配。 结论通过对AgGaSe2晶体的参量数值分析和计算 ， 我们可以得出的结论 ：（1） AgGaSe2晶体属属于负单单轴晶体 ，既可进行类相位匹配，也可以进行类相位匹配。（2） 由于孔径效应，晶体中的非常光存在一定的走离角，经过计算，可以看出AgGaSe2晶体单晶体在第类位相匹配条件下的走离角是很小的（3） 对于长度为1cm的AgGaSe2晶体，在时，其相位匹配允许角可由式（3.36）计算得：参考文献:1, 张克从，王希敏.非线性光学晶体材料科学.北京：科学出版社，1996；2, N.布洛姆伯根著，吴存-恺，沈文达，沃新能译.非线性光学.北京：科学出版社,1987.3金石琦，晶体光学.北京：科学出版社.1995.4,李恭亮，郭继华.晶体光学原理.国防工业出版社，1980.5,陈春荣,赵新乐.晶体物理性质与检测.北京理工大学出版社,1995致 谢在我毕业设计开题、调查、研究和撰写过程中，曾体贤老师给予了我耐心、细致和全面的帮助，曾老师勤勤恳恳，严禁的治学态度是我们学习的楷模，从论文的定题至完成，曾老师给了我很多指导及建议，其中很多优秀学习方法，使我终生受益。对此，对曾体贤老师致意最诚挚的感谢。