幾種典型紅外非線性晶體倍頻中的熱光耦合特性研究.pdf

1、自20世紀(jì)60年代末非線性光學(xué)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來，人們對(duì)紅外非線性晶體的特性進(jìn)行了廣泛地研究，其中，對(duì)紅外非線性晶體光學(xué)頻率變換的研究備受關(guān)注。本文研究了紅外非線性晶體對(duì)9.6μm CO2激光進(jìn)行倍頻過程中的熱光耦合特性。建立了熱學(xué)各向異性介質(zhì)中的熱光耦合模型，數(shù)值模擬了GaSe、ZnGeP2、AgGaSe2三種晶體倍頻中的熱光耦合特性，研究了倍頻效率、溫度分布的演化過程，具體的研究工作如下:
　　1、建立了晶體倍頻時(shí)熱光耦合模型?？?/p>

2、慮光束走離效應(yīng)和溫度各向異性，建立了新的熱光耦合理論模型，利用半解析法對(duì)熱傳導(dǎo)方程進(jìn)行求解，用數(shù)值傅里葉變換方法對(duì)倍頻耦合方程進(jìn)行了求解，用等效熱源的方法，通過對(duì)模型中各向異性的熱導(dǎo)率進(jìn)行迭代計(jì)算，研究了光場(chǎng)和溫度場(chǎng)的關(guān)系。
　　2、理論研究了熱學(xué)各向異性晶體GaSe倍頻過程中的熱光耦合特性。GaSe晶體具有較大的熱學(xué)各向異性，橫向熱導(dǎo)率較小，在倍頻時(shí)會(huì)產(chǎn)生不可忽略的溫度梯度，而縱向熱導(dǎo)率較大，并且由于縱軸方向熱源均勻，所以溫度分

3、布比較平坦。數(shù)值分析表明，在弱制冷條件下，邊界溫度不斷增加，更多的熱量?jī)?chǔ)存在晶體中。在強(qiáng)制冷條件下，因倍頻而產(chǎn)生的熱量能夠迅速散發(fā)，晶體中的熱量較少，溫度穩(wěn)定時(shí)間比弱制冷條件下大大縮短。但兩種條件下，溫度達(dá)到穩(wěn)定后晶體的溫度分布大致相同。研究表明，由于GaSe晶體對(duì)倍頻光吸收系數(shù)較大，使得溫度升高，折射率改變，相位匹配條件被破壞，相位失配，倍頻光大大減少。在弱制冷條件下，晶體轉(zhuǎn)換效率快速降低，溫度達(dá)到穩(wěn)定分布時(shí)，轉(zhuǎn)換效率幾乎為0，倍頻與

4、倍頻倒轉(zhuǎn)返復(fù)過程明顯。即使在強(qiáng)制冷條件下，想要通過控制溫度來恢復(fù)倍頻轉(zhuǎn)換效率也是困難的。
　　3、理論研究了ZnGeP2晶體倍頻中熱光耦合特性。ZnGeP2晶體熱學(xué)各向異性較弱，熱導(dǎo)率較大，晶體內(nèi)橫向溫度梯度相對(duì)較小，在縱軸熱源均勻的情況下，溫度分布比較平坦。數(shù)值分析表明，弱制冷條件下，溫度達(dá)到穩(wěn)定分布所需要的時(shí)間是強(qiáng)制冷情況下的230倍，最大溫升是強(qiáng)制冷條件下的34倍。兩種條件下，溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，晶體的溫度分布無明顯差異。在強(qiáng)制

5、冷條件下，ZnGeP2晶體溫度場(chǎng)整體迅速達(dá)到穩(wěn)定，相位匹配效果好，轉(zhuǎn)換效率基本不受影響，輸出的諧波光束質(zhì)量較好。在弱制冷條件下，光能量的吸收以基頻光為主，倍頻光大大減少，相位失配明顯，累積的相位失配引起了晶體中倍頻的反轉(zhuǎn)，溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，轉(zhuǎn)換效率幾乎為零。
　　4、理論研究了AgGaSe2晶體倍頻中熱光耦合特性。AgGaSe2晶體的熱導(dǎo)率較小，吸收系數(shù)相對(duì)也較小，熱學(xué)各向異性較弱。數(shù)值分析表明，在弱制冷情況，橫向溫度梯度相對(duì)較小，

6、縱軸溫度分布均勻。在功率不變的情況下，隨著束腰半徑的增加，溫度達(dá)到穩(wěn)定分布的時(shí)間有所延長(zhǎng)，穩(wěn)定后的溫度分布大致相同。在束腰半徑不變的情況下，隨著基頻光功率的增加，相位失配愈加明顯，倍頻光迅速減少。當(dāng)溫度達(dá)到穩(wěn)定分布時(shí)，累積的相位失配引起了晶體中倍頻與倍頻倒轉(zhuǎn)返復(fù)過程，倍頻光轉(zhuǎn)換效率迅速降低，幾乎為0。
　　5、對(duì)GaSe、ZnGeP2、AgGaSe2三種典型紅外非線性晶體倍頻中熱光耦合特性進(jìn)行了對(duì)比分析。在強(qiáng)制冷情況下，ZnGeP