《绝热级联非线性频率转化和光学超晶格的结构设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《绝热级联非线性频率转化和光学超晶格的结构设计（24页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、绝热级联非线性频率转化和光学超晶格的结构设计人们对光的研究有着长久的历史，到了现代随着技术的发展，已经不再满足与先前的激光技术，对其提出了更高的要求。其中较为常用和有效的方法是拓宽激光输出波长范围，这也是使用最多的方法。是利用晶体的非线性频率转化技术制作出光学超晶格。非线性光学，在频率转换以及获得新辐射光源领域扮演重要的角色。在波长转化进程中，不同频率的两束光入射到非线性介质材料中,会以倍频(SHG)，混频以及级联的形式产生第三束光。另外, 在超短脉冲光场中，宽带频率转换十分重要，但宽频带光场之间要同时满足相位匹配条件也是十分困难的。绝热演化，是一系列经典和量子系统中非常重要的动力学过程，它可
2、以为系统提供一个强有力的方式使其达到想要的量子态。最近绝热概念被引进了频率变换领域，它不仅可以解决宽频带光场之间的转化问题，还可以同时获得近似完全的转化效率，并且成功的用于超短脉冲转化，获得了近100%超宽带光谱转化效率。利用无衰减泵浦近似下的非线性进程与多能级相干激发量子态系统的类比,获得了新的频率转化思想，即不产生中间光的级联波长转化。本文主要采用理论分析的方法设计验证绝热超晶格的结构。首先对光学晶格场分布的数值模拟方法进行了介绍；后面对于绝热级联非线性频率转化介绍了级联非线性频率转化工程中的波动方程以及绝热频率的变换；在最后又对光学超晶格的结构又进行了详细的分析介绍，主要介绍准周期、非周
3、期以及无周期的光学晶格。文章主要采用理论分析、验证为主的功能结构设计的方法。关键词：光学超晶格，绝热级联频率，非线性光学ABSTRACT The development of modern optical technology, laser put forward newer and higher requirements. To broaden the range of laser output wavelength, the most commonly used and the most effective method of is using the technology of freq
4、uency conversion in a nonlinear crystal, nonlinear optics and in frequency conversion and obtain new radiation light source in the field play an important role. In the wavelength conversion in the process, different frequencies of the two beams of light incident to the nonlinear dielectric materials
5、, with second harmonic generation (SHG) and mixing, as well as the form of cascade produces the third beam. In addition, the ultrashort pulse light field and broadband frequency conversion is very important, but broadband light field to satisfy the phase matching condition is very difficult. Thermal
6、 evolution, it is very important in a series of classical and quantum systems dynamics process, it can be for the system to provide a powerful way to achieve the desired quantum state. Recently adiabatic concept was introduced to the field of frequency transform. It can not only solve the problem of
7、 broad band optical field between the transformation, can also obtain approximate complete conversion efficiency, and successful for ultrashort pulse conversion, nearly 100% ultra wideband spectrum conversion efficiency. The attenuation pump approximation of nonlinear processes and multi level coher
8、ent excitation of analogy to the quantum state of the system were obtained. The new frequency conversion thought that does not produce the intermediate light cascaded wavelength conversion. In this paper, using the theoretical analysis of the design method is verified for adiabatic superlattice stru
9、cture. First of optical lattice field distribution numerical simulation methods are introduced; behind the adiabatic cascade nonlinear frequency conversion the cascade nonlinear frequency conversion project in the wave equation and adiabatic frequency transformation; finally the optical super lattic
10、e structure and detailed analysis is introduced in. It 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; Adiabatic cascade fre
11、quency;nonlinear optics1目 录目 录- 4 -1.绪论- 5 -第2章 计算级联绝热光学超晶格场分布的数值模拟方法- 6 -2.1用于级联绝热光学超晶格的理论模拟方法- 6 -2.2基于中心差分原理的一种数值模拟方法- 7 -2.3几种超晶格的倍频场分布的数值模拟- 9 -3.绝热级联频率转换- 11 -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 -4.光学超晶格结构设计- 14 -4.1 多重准位相匹配技术- 15 -4.1.1准周期结构光学超晶格- 15 -4.1.2 非周期结构光学超晶格- 16 -4.1.3 无周期结构的光学
12、超晶格- 17 -4.2 无周期级联光学超晶格实现光学STIRAP的设计- 17 -5.结论- 21 -参考文献- 22 -致谢- 24 -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，激光器目前所能实现的波段过短已成为学界和应用商共同关注的问题.在这里面利用光学超晶格的特性进行频率转换
13、是突破的途径之一。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。随着非线性光学的发展，原先的在一块晶体上实现一次相位匹配的方法越来越不行了，就这样多重准相位匹配的概念应运而生，多重准相位匹配简单来说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
14、。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。第2章 计算级联绝热光学超晶格场分布的数值模拟方法2.1用于级联绝热光学超晶格的理论模拟方法常用的两种方法有有限吋域差分方法(FDTD)和有限单元法(FEM)。FDTD算法的基本原理主要基于麦克斯韦方程组:通过麦克斯韦旋度方程可以递推出六个耦合方程组:通过对上式中心差分计算,得到电场和磁场的六个差分方程:这样可以得到整个空间每个点的数值分布关系, 在整个空间中的电磁场分布，可根据初始条件和上述方程的递推关系来计算，用FDTD方法解决问题也是按照这样的步骤进行
15、的:首先, 按照一定的规则离散分成细格的整个计算空间;那么偏微分方程和边界条件的区域内的电磁场有差异的离散点，建立差异方案，取得了一系列微分方程;最后，根据由程序产生的代数方程的解。从而进行边值问题的数值计算。FEM方法：把解给定的泊松方程转化为求解泛函的极值。在实际运用中, 可以使用以下计算步骤：（1）第一个被解决分割，离散组有限元，元件（单元）的形状原则是任意的; （2）与分段插值，分割是在该单元中的分割单元的功能和离散网格点值，即建立一个线性内插函数的函数的形状的任何点的未知功能。以上两种方法可以用于线性和非线性计算,同时也可应用于非线性光学领域。但在光学超晶格计算，因为计算域幅度厘米，
16、这两种方法都遇到了困难，通常这两个情况只能计算微米级超晶格结构下的大的计算量。因此，为了获得在数值计算超晶格，基于中央差原理，我们提出了一种更加简便和实用的数值差分方法。2.2基于中心差分原理的一种数值模拟方法这种方法结合一个具体的非线性倍频过程可以更加清晰展示。在一个基波沿着光轴X传播,发生倍频过程产生二次谐波的二维超晶格结构中,使用之前的一维耦合方程将不能满足。H此在缓变振幅近似情况下,我们用傍轴波动方程来描述基波和谐波的耦合关系:把上述傍轴波动方程离散化,写成差分公式,如下:其中x和y是该数值差分方法的空间步长。在实际计算过程中其初始条件可以如下表示:对于该数值计算方法的边界条件可以做下面简单的处理:其中y=0和y=L是整个计算区域在y轴方向上的两
