绝热级联非线性频率转化和光学超晶格的结构设计

摘要

现代光学技术的发展，对激光提出了更新更高的要求。拓宽激光输出波长范围，最常用、最有效的方法之一是利用非线性晶体的频率变换技术在军事对抗、大气环境检测、医学以及光谱学等领域都有十分重要的应用价值。 In this paper, using the theoretical analysis of the design method is verified for adiabatic superlattice structure. First of optical lattice field distribution numerical simulation methods are introduced; behind, difference frequency generation wavelength conversion for the difference frequency wave equation and adiabatic frequency transformation; in finally the optical super lattice structure and detailed analysis is introduced, mainly introduces the quasi periodic, non periodic and non periodic optical lattice. This article mainly adopts theoretical analysis and verification based functional structure design method.

Key words: Optical Superlattice; Simulation; Cycle

目 录

摘要1

1.绪论4

2.光学超晶格场分布的数值模拟方法5

2.1光学超晶格的理论模拟方法5

2.2.1 中心差分的数学模型6

2.2.2 数值差分方法的基本理论7

2.3 几种超晶格的倍频场分布的数值模拟8

2.3.1 一维周期结构8

2.3.2 二维超晶体结构9

2.4 差分方法与FDTD的对比10

3.1 级联过程耦合波方程12

3.2反直观耦合次序与直观耦合次序13

3.3光学受激拉曼绝热快速通道技术15

4.光学超晶格结构设计17

4.1 多重准位相匹配技术17

4.1.1准周期结构光学超晶格17

4.1.2 非周期结构光学超晶格18

4.1.3 无周期结构的光学超晶格19

4.2 无周期光学超晶格实现光学STIRAP20

5.结论22

参考文献23

1.绪论

人类对光的猜想与探索是相当久远的，从激光器诞生至今我们对于其的探索更近一步。通过过去几十年对激光的研究，使得它在许多领域得到了广泛的应用，如工业、军事和医疗。因为各种激光工作物质所具有的能及结构是不一样的，所以在一般条件下，一种激光器只能对映一个或者几个固定频率的激光。这样一种特性限制了在各个领域的进一步的运用。随着现代科技的发展和人们需求的提升，激光器所覆盖的波段,已成为物理界、光学界、材料 界与技术界共同关注的问题.其中利用光学超晶格来进行频率转换是一条重要的途径。光学超晶格的基本原理是1962年Bloembergen提出的利用非线性极化率在一维空间上周期性调制的机制来实现相位匹配的方法，即准位相匹配 Quasi-Phase-Matching,简写为QPM 。所以国际上把光学超晶格也称为准相位匹配材料。准相位匹配只能在具有调制结构的材料中完成，这种调制的特征长度或周期在微米量级，远大于晶体的晶格常数。随着非线性光学的发展，人们不再满足在一块晶体上实现单一的准相位匹配过程，多重准相位匹配(multiple QPM)的概念被提出，即在一块晶体上设计出特定的畴反转结构，以同时满足多个准相位匹配过程。当晶体的调制周期或者空间畴长达到微米量级，甚至可与光波波长比拟时，将会观察到一系列新颖的非线性光学现象，这在新型光电子器件方面得到了广泛应用。此外，畴反转光学超晶格在短波段相干光源的变频领域也得到了十分广泛的应用，这其中包含了各种一维，二维周期，无周期以及非周期结构的变频研究。

2.光学超晶格场分布的数值模拟方法

本章主要对介绍分析用于研究一维、二维等的光学超晶格得数值模拟方法，并比较各种方法的特点，为后期的研究做好准备。

2.1光学超晶格的理论模拟方法

计算超晶格的数值场分布的方法很多，但是目前最常用、最有效的只有两种方法。分别为有限时域差分方法 FDTD 和有限单元法 FEM

FDTD算法是为了解决电磁场散射计算问题而提出的，基木思想