群速度失配

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群速度失配(group velocity mismatch)

简称:GVM

定义:由于介质中的群速度的不同导致脉冲分裂并走离

当具有不同频率或不同偏振方向的光脉冲在透明介质中传播时,它们的群速度通常是不同的。而这种群速度失配的结果是,两个一开始重叠传播的脉冲在传播一段距离之后不再重叠的传播。

这种现象也被称为时域走离,通常与超短脉冲非线性频率转换过程相关。在这种情况下,群速度失配将会限制传播的有效长度。

定量的来说,群速度失配被定义为群速度倒数的差:

Qsdsp01.png

其单位为s/m。

在频域,群速度失配相位匹配满足时的光谱范围的宽度,也称为相位匹配带宽。这两个本质上是一样的,只是在频域和时域中的关注角度不一样。

非线性晶体中对于红外光(如1064nm)和可见光(如532nm)来说,群速度失配值通常在0.1~1ps/mm的量级。这表明,对于一个10毫米的非线性晶体,群速度失配将对10ps脉冲的频率转换过程产生显著影响,而对于飞秒脉冲,影响则尤其剧烈。出于这个原因,对于短脉冲而言需要使用较短的晶体,那么如果要维持高的转换效率就需要更高的光强。而光强的最大值又被诸如光学损伤等效应限制,那么群速度失配将会限制短脉冲非线性频率转换的最高效率。

对于光纤中短脉冲的拉曼放大器而言,群速度失配也很重要。例如,使用1064nm的皮秒光泵浦放大1110nm的脉冲时,由于大模场面积光纤的群速度失配值与石英晶体类似,因此对于以上波长,群速度失配将达1.1ps/m。这意味着,对于1ps的脉冲来说,在光纤内传播1m后将会发生时域走离,因此,有效的拉曼增益将会减小。

也有很多的情况下的群速度失配也是非常有用的。在某些情况下,它可以增加非线性频率转换的效率。而在光学参量振荡器中,它有时被用来实现波长的调谐和使脉冲宽度变窄。它也可以用于光信号的处理。


参阅:群速度色散相位匹配带宽脉冲