绝热级联非线性频率转化和光学超晶格的结构设计

绝热级联非线性频率转化和光学超晶格的结构设计-1-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，非线性光学绝热级联非线性频率转化和光学超晶格的结构设计-2-ABSTRACTThedevelopmentofmodernopticaltechnology,laserputforwardnewerandhigherrequirements.Tobroadentherangeoflaseroutputwavelength,themostcommonlyusedandthemosteffectivemethodofisusingthetechnologyoffrequencyconversioninanonlinearcrystal,nonlinearopticsandinfrequencyconversionandobtainnewradiationlightsourceinthefieldplayanimportantrole.Inthewavelengthconversionintheprocess,differentfrequenciesofthetwobeamsoflightincidenttothenonlineardielectricmaterials,withsecondharmonicgeneration(SHG)andmixing,aswellastheformofcascadeproducesthethirdbeam.Inaddition,theultrashortpulselightfieldandbroadbandfrequencyconversionisveryimportant,butbroadbandlightfieldtosatisfythephasematchingconditionisverydifficult.Thermalevolution,itisveryimportantinaseriesofclassicalandquantumsystemsdynamicsprocess,itcanbeforthesystemtoprovideapowerfulwaytoachievethedesiredquantumstate.Recentlyadiabaticconceptwasintroducedtothefieldoffrequencytransform.Itcannotonlysolvetheproblemofbroadbandopticalfieldbetweenthetransformation,canalsoobtainapproximatecompleteconversionefficiency,andsuccessfulforultrashortpulseconversion,nearly100%ultrawidebandspectrumconversionefficiency.Theattenuationpumpapproximationofnonlinearprocessesandmultilevelcoherentexcitationofanalogytothequantumstateofthesystemwereobtained.Thenewfrequencyconversionthoughtthatdoesnotproducetheintermediatelightcascadedwavelengthconversion.Inthispaper,usingthetheoreticalanalysisofthedesignmethodisverifiedforadiabaticsuperlatticestructure.Firstofopticallatticefielddistributionnumericalsimulationmethodsareintroduced;behindtheadiabaticcascadenonlinearfrequencyconversionthecascadenonlinearfrequencyconversionprojectinthewaveequationandadiabaticfrequencytransformation;finallytheopticalsuperlatticestructureanddetailedanalysisisintroducedin.Itmainlyintroducesthequasiperiodic,nonperiodicandnonperiodicopticallattice.Thisarticlemainlyadoptstheoreticalanalysisandverificationbasedfunctionalstructuredesignmethod.绝热级联非线性频率转化和光学超晶格的结构设计-3-Keywords:OpticalSuperlattice;Adiabaticcascadefrequency;nonlinearoptics绝热级联非线性频率转化和光学超晶格的结构设计-4-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-绝热级联非线性频率转化和光学超晶格的结构设计-5-1.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