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走离效应(spatial walk-off)

一束激光在各向同性介质中传播,横向光强分布会用沿梁轴线的介质中的波矢量定义(= kvector)。在各向异性(从而折射)晶体,这是不一定的情况下:可出现的光强分布偏离的波矢量定义的方向,如图1所示,其中灰色线表示波前和显着的光强度的区域的蓝色。这种现象,称为空间走离,双折射走离或坡印廷矢量走离(不要与时域走离混淆),是一些有限的角度ρ相关(所谓的走离角)坡印廷矢量与波矢之间。坡印廷矢量定义了能量传输的方向,而波矢量是垂直于波前。

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图1:空间走离:各向异性晶体中光束的强度分布与波矢稍有不同的方向传播


空间走离只对异常偏振光束发生,在某些角度θ对光轴传播,使折射率ne和相速度变得依赖那个角度。可以从方程中计算出走离角:

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负号表示在折射率下降的方向上会发生偏离。具有普通偏振(折射率不依赖于传播角)的光束不会发生偏离。

图1夸大了走行角的大小。在典型情况下,它是在几毫弧度,弧度数之间的距离。对于接近指数椭球轴之一的传播方向,走离甚至可以变得更小。

一个例子

作为一个例子,考虑一个激光光束在X−Z平面上的铌酸锂(LiNbO3)晶体的方向。这种材料是负单轴,这意味着折射率是沿z轴(这是光轴)最小的极化。以一定角度θ(<90°)梁轴和Z轴之间,折射率随θ增加。因此,走离是为了更大的θ,即远离光轴。图2显示了计算结果。

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图2:在室温下铌酸锂晶体中635 nm激光束的折射率和走离角与z轴的传播角有关


非线性交互作用下的空间走离

空间走离现象与有限角相位匹配带宽直接相关。上面的方程表明,在异常折射率有很强的角度依赖性的情况下,出现了一个大的走离角。在这种情况下,相位匹配条件也强烈地依赖于传播角,当聚焦光束具有较大的光束发散时,相位匹配变得不完整。

利用两个后续的非线性晶体,从而使偏离方向彼此相对,就可以实现一种偏离补偿。然后在这些晶体中仍然走,但其整体效果可以大大减少。即使有一个非线性晶体,例如在频率和频移中的走频的影响,也可以通过稍微改变相反方向的输入光束之一(一个已经离开的)来减小。

空间走离可以通过使用一个非临界相位匹配方案完全避免。然而,这通常要求晶体在不接近室温的温度下操作晶体。



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