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临界相位匹配(critical phase matching)

定义:通过调节光束传播方向的非线性相互作用过程的相位匹配.

临界相位匹配(也称角相位匹配)是一种在双折射晶体中非线性过程的相位匹配。相互作用的光束沿折射率椭球的某一角度入射。在大多数情况下,有一个或者两个光束的偏正方向沿着折射率椭球的某一个轴(寻常光),而另外的一个或两束光的偏振方向则处于另外两个轴组成的平面上。通过调节光束的传播方向,从而可以调节非寻常光的折射率,而寻常光的折射率保持不变。在某些特殊角度上,可以实现相位匹配。

图 1 LBO晶体中二次谐波产生的临界相位匹配。基频光(红色)和二次谐波光(绿色)的偏振方向相互垂直,并于传播方向垂直。
举一个例子,如图1所示。LBO晶体中I型相位匹配的二次谐波产生过程中的光束传播方向和偏振方向。在这种状态为oo-e的I型相位匹配中,光束在XY平面内传播,基频光为寻常光(o光,偏振方向沿z轴),二次谐波光为非寻常光(e光,与Y轴的夹角为 )。在图2中给出了所需的参数。例如,对于波长为800nm的泵浦光,其相位匹配角的 为31.6°,而其有效非线性为0.72pm/ V。二次谐波的空间走离角(图中未示出)为16.5mrad(毫弧度)。

图2 室温条件下LBO晶体中倍频过程的临界相位匹配的相位匹配角度(红,左轴)和有效非线性(蓝色,右轴),状态为oo-e的I型相位匹配。
“临界”一词源于这种技术对于光束的方向对于角度的敏感性。满足临界相位匹配的入射角只能在一定范围内(接受角,也称为相位匹配带宽)。在上面的例子中,对于1cm长的LBO晶体,该角度范围仅为0.67mrad。这也就意味着必须限制光束发散角,从而使得入射光束具有较大的光束半径。因此高非线性变换效率需要更高的峰值功率。另一个相关的问题是寻常光和非寻常光之间的空间走离,这也就限制了光束之间的有效相互作用距离,同时还可能会破坏光束质量。当光功率足够高时,通过使用较短的非线性晶体或者更大的光束直径可以减小光束走离。
临界相位匹配的一个主要优点是,晶体的温度通常是接近室温的温度,从而不需要的对晶体进行加热。