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表面反射和透射模型下二次谐波产生的理论研究

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表面反射和透射模型下二次谐波产生的理论研究

作者：邱雅婷华南理工大学

学位级别：硕士

光在介质中的反射、透射和传输问题已被广泛研究,但在以往的研究方法中模型的建立和计算过程较为繁琐。激光技术发明之后,高强度的激光在非线性晶体中能激发出新频率的光波,非线性光学使拓宽激光光谱范围成为可能,但仍存在局限性,譬如... 详细信息

光在介质中的反射、透射和传输问题已被广泛研究,但在以往的研究方法中模型的建立和计算过程较为繁琐。激光技术发明之后,高强度的激光在非线性晶体中能激发出新频率的光波,非线性光学使拓宽激光光谱范围成为可能,但仍存在局限性,譬如利用单块非线性晶体难以实现连续可调谐的二次谐波输出。探究非线性光学问题时,人们为简化计算,往往忽略光在非线性晶体表面的反射和透射情况。因此,缺乏一套完整的理论系统探究考虑表面反射问题的二次谐波产生过程。实际上,通过理论分析和计算,不难发现光在晶体表面的反射损耗对非线性频率转换效率的影响是比较大的。通过调控角度获得可调谐的二次谐波输出是十分值得深究的方向。针对这个问题,在本论文中成功建立了一套充分考虑光在晶体表面反射和透射的二次谐波产生理论模型。利用简易的方法,我们系统而完整地计算了入射光垂直入射和倾斜入射到晶体表面的反射系数、透射系数,并从波动方程出发,推导了耦合波方程组,探究了透射光作为基波激发出非线性晶体中的二次谐波的过程,详细分析了利用调控入射角度实现可调谐窄带激光输出的过程。本文的分析理论和公式可作为实际情况下定量评价铌酸锂晶体中二次谐波的能量转换效率的准确工具,并可应用于处理其他的非线性光学问题。本论文的主要内容如下:利用一套简单的电磁理论,我们建立了一束TE模式的光在一块铌酸锂（LN）晶体中的入射、反射、透射,传输并激发出二次谐波的物理图像,探讨经过晶体表面反射和透射的泵浦光在晶体中的传输特点。考虑入射光正入射到z-切的铌酸锂晶体表面,发生反射和透射,透射到晶体中的光波作为基波在晶体中激发出二阶非线性极化强度,进一步产生二次谐波。借助于色散关系和电磁边界条件,从麦克斯韦方程组出发,本文中计算了泵浦光在铌酸锂晶体表面的电场振幅的反射系数和透射系数、光波能量的反射率和透射率。从波动方程出发,我们还推导了此模型下的非线性耦合波方程组。进一步地,通过求解了耦合波方程组,得到严格的小信号近似解和大信号解。计算发现,在反射和透射模型下,二次谐波的转换效率与透射系数、铌酸锂晶体的长度和泵浦光振幅等因素有关。紧接着,基于正入射的理论模型,进一步分析泵浦光以不同角度（α）入射到铌酸锂晶体表面的情形,构建出斜入射的模型。在这种斜入射模型下,同样计算了光在铌酸锂晶体表面的电场振幅的反射系数和透射系数,以及能量的反射率和透射率。透射的泵浦光（基波）在铌酸锂晶体中同样激发出二次谐波。由于切向方向上（x轴）动量是守恒的,可以认为基波与二次谐波在切向方向相位匹配,仅需要研究其在y方向的相位失配量。斜入射模型下,晶体中的基波与二次谐波之间的相位失配量会随入射角发生变化,推导的耦合方程组也与入射角大小密切相关。借助于一块具有一阶准相位匹配结构的周期性极化铌酸锂晶体,计算得到反射和透射模型下的二次谐波产生的耦合波方程组的小信号近似解和大信号解,得出了受到入射角（α）调制的二次谐波转换效率。在理论计算的基础上,利用实际的例子对理论计算结果进行数值模拟和仿真计算,进而验证理论结果的可行性和可靠性。通过相位失配量Δk的显示表达式,我们发现对于每一个入射角（α）,都能找到一个特定的入射光波长λ与之对应,能够产生同样的相位失配量,还预测了通过调控入射角实现可调谐二次谐波输出的可能性。在一块具有周期性极化结构的铌酸锂晶体中,通过探索不同入射角下的倒格矢与相位失配量曲线,从而验证了猜想。结合理论计算结果,探究了大信号条件下,不同入射角对应的最佳匹配泵浦光波长。因此,本文实现了角度调控的窄带可调谐二次谐波（532～552.8 nm）输出。这对于利用周期极化铌酸锂（PPLN）晶体或其他微结构LN晶体设计可调谐窄带纳秒、皮秒和飞秒脉冲激光器件具有重要意义。

关键词：反射和透射准相位匹配技术窄带可调谐二次谐波产生周期极化铌酸锂

单轴各向异性手征介质平板的反射和透射特性研究

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物理学报 2013年第6期62卷 149-155页

作者：董建峰李杰宁波大学光纤通信与网络技术研究所宁波315211

研究了光轴平行于界面的单轴各向异性手征介质平板对平面电磁波的反射和透射特性,推导出了反射和透射系数(功率)公式;按介电常数的正负分4种情形给出了反射和透射功率曲线;讨论了手征参数对反射和透射特性的影响,特别是给出了伪布儒斯... 详细信息

研究了光轴平行于界面的单轴各向异性手征介质平板对平面电磁波的反射和透射特性,推导出了反射和透射系数(功率)公式;按介电常数的正负分4种情形给出了反射和透射功率曲线;讨论了手征参数对反射和透射特性的影响,特别是给出了伪布儒斯特角与手征参数的变化关系曲线.

关键词：单轴各向异性手征介质手征参数伪布儒斯特角反射和透射

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P波在饱和粗颗粒夹层界面上的反射和透射

西南交通大学学报 2017年第2期52卷 280-287页

作者：刘宝苏谦赵文辉刘亭 PHAM Duc Phong 周珩西南交通大学土木工程学院四川成都610031 西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室四川成都610031 Le Quy Don技术大学特种工程学院越南河内100803

为研究应力波在埋入式桩板路基饱和粗颗粒夹层结构界面的反射和透射效应,以平面P波为例,结合埋入式桩板路基的结构特点,基于Biot饱和多孔介质波动理论和弹性波动理论,建立了考虑饱和粗颗粒夹层反射波叠加影响的弹性介质-饱和粗颗粒夹层... 详细信息

为研究应力波在埋入式桩板路基饱和粗颗粒夹层结构界面的反射和透射效应,以平面P波为例,结合埋入式桩板路基的结构特点,基于Biot饱和多孔介质波动理论和弹性波动理论,建立了考虑饱和粗颗粒夹层反射波叠加影响的弹性介质-饱和粗颗粒夹层-弹性介质界面效应模型;采用引入势函数的方法推导了应力波在饱和粗颗粒夹层交界面上的反射和透射系数;通过数值算例研究了不同因素对反射和透射系数的影响规律.研究结果表明:夹层厚度、孔隙率、剪切模量改变了能量在交界面上的分配关系,且表现出周期性谐振特性,孔隙率由0.2变化到0.4时,反射系数增大了约25%;剪切波的传播引起反射系数在剪切波谐振频率处震荡且受阻尼作用,渗透率及透水条件对粗颗粒夹层的反射系数影响明显.

关键词：埋人式桩板路基饱和粗赚夹层 Biot理论应力波反射和透射

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热弹性波在偶应力固体界面上的反射和透射

数学的实践与认识 2018年第22期48卷 228-236页

作者：李月秋齐齐哈尔大学理学院数学系

基于广义热弹性无能量耗散的G-N理论，研究了两种不同偶应力固体界面上弹性波的反射和透射。首先，建立偶应力弹性固体中的运动方程和边界条件。然后，根据非传统界面条件推导出弹性波反射和透射的振幅比。最后，用法向能量守恒验证了... 详细信息

基于广义热弹性无能量耗散的G-N理论，研究了两种不同偶应力固体界面上弹性波的反射和透射。首先，建立偶应力弹性固体中的运动方程和边界条件。然后，根据非传统界面条件推导出弹性波反射和透射的振幅比。最后，用法向能量守恒验证了数值计算结果，根据数值计算结果，讨论了微结构参数和热力学参数对弹性波反射和透射的影响。结果显示，偶应力热弹性固体界面处存在三种体波和一种表面波；微结构参数对所有波的传播都有影响，而热力学参数只对热波的影响显著。

关键词：偶应力热弹性热波耦合波反射和透射

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板状非线性介质表面耦合波的反射和透射

电波科学学报 1995年第3期10卷 1-7页

作者：阴和俊吕保维宋文淼尹元昭中国科学院电子学研究所

本文详细分析了平面波激励非线性介质后介质的非线性极化、麦克斯韦方程及其解、广义的反射和透射定律；导出了板状非线性介质表面任意阶耦合波的反射场和透射场；对介质满足相位匹配和泵浦波正入射下的场进行了深入的讨论；给出了非线... 详细信息

本文详细分析了平面波激励非线性介质后介质的非线性极化、麦克斯韦方程及其解、广义的反射和透射定律；导出了板状非线性介质表面任意阶耦合波的反射场和透射场；对介质满足相位匹配和泵浦波正入射下的场进行了深入的讨论；给出了非线性介质表面的布儒斯特角。

关键词：非线性介质耦合波反射和透射板状介质

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波在双孔隙与单孔隙介质界面上的反射与透射

力学学报 2006年第3期38卷 330-338页

作者：代智军赵社戌匡震邦上海交通大学工程力学系上海200240

基于Biot理论和双重孔隙介质理论研究了弹性波在双重孔隙介质与流体饱和单一孔隙介质界面的反射和透射问题,在界面上假定裂缝孔隙流体相对于固体骨架的位移为零,推导了反射系数和透射系数的计算公式,数值讨论了反射系数和透射系数随入... 详细信息

基于Biot理论和双重孔隙介质理论研究了弹性波在双重孔隙介质与流体饱和单一孔隙介质界面的反射和透射问题,在界面上假定裂缝孔隙流体相对于固体骨架的位移为零,推导了反射系数和透射系数的计算公式,数值讨论了反射系数和透射系数随入射角和频率的变化关系．同时,讨论了双重孔隙介质中3种压缩波 (P-1,P-2和P-3波)和一种剪切波(S波)的频散和衰减特性．

关键词：双重孔隙介质频散衰减反射和透射

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非线性介质表面任意阶谐波的反射和透射

电子科学学刊 1995年第6期17卷 623-630页

作者：阴和俊吕保维宋文淼尹元昭中国科学院电子学研究所北京100080

本文详细分析了线性介质与非线性介质界面任意阶谐波的反射和折射定律;导出了反射波和透射波的精确表达式;对泵浦波正入射(垂直于界面入射)时,满足相位匹配的场进行了深入的讨论。

关键词：非线性介质谐波反射和透射

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SH_0导波在粘接结构中传播时的相位变化

力学学报 2017年第1期49卷 202-211页

作者：丁俊才吴斌何存富北京工业大学机械工程与应用电子技术学院北京100124

对粘接结构进行超声导波无损检测与评估是一个有挑战性的前沿性课题.针对此问题,研究了SH_0导波在界面为理想连接的三层板状粘接结构中传播时的相位变化情况.首先基于波传播的控制方程,建立了粘接结构中反射和透射SH_0导波相对于入射SH_... 详细信息

对粘接结构进行超声导波无损检测与评估是一个有挑战性的前沿性课题.针对此问题,研究了SH_0导波在界面为理想连接的三层板状粘接结构中传播时的相位变化情况.首先基于波传播的控制方程,建立了粘接结构中反射和透射SH_0导波相对于入射SH_0导波的相位差解析模型.然后利用数值模拟计算了铝/环氧树脂/铝粘接结构中反射和透射SH_0导波的相位差曲线.最后分析了入射角度和频厚积的变化对反射和透射SH_0导波相位差的影响.结果表明,对于具体的粘接结构,反射和透射SH_0导波在其中传播时的相位差变化主要依赖于入射角度、频率等参数.在特定的频厚积下,当声波水平入射时,反射和入射SH_0导波同相位.无论入射角度为多大,随着频厚积的增大,反射SH_0导波的相位差曲线均会产生周期性谐振.对于透射SH_0导波,当声波垂直入射时,其相位差曲线的改变无规律可循;但是随着入射角度逐渐增大,透射SH_0导波的相位差曲线逐渐变规则.所得结果可为实验时研究板状粘接结构中SH_0导波的传播特性以及提取SH_0导波回波中的有用信息和定位提供一定的理论指导.

关键词：粘接结构 SH0导波相位差反射和透射周期性谐振

用滑移界面理论模拟多裂缝体系的偶极横波远探测声场

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地球物理学进展 2020年第3期35卷 955-962页

作者：古希浩唐晓明庄春喜江灿李盛清中国石油大学(华东)地球科学与技术学院青岛266580

偶极横波远探测已成为探测储层裂缝的重要测井技术,裂缝及其充填物质的弹性性质决定了其对远探测声场的响应特征.本文运用滑移界面理论来描述井外地层中裂缝对声场的响应特征,考察了SH横波的反射和透射系数随充填物的变化规律.建立了井... 详细信息

偶极横波远探测已成为探测储层裂缝的重要测井技术,裂缝及其充填物质的弹性性质决定了其对远探测声场的响应特征.本文运用滑移界面理论来描述井外地层中裂缝对声场的响应特征,考察了SH横波的反射和透射系数随充填物的变化规律.建立了井外双裂缝远探测声场的几何模型,以双裂缝为例给出了偶极横波远探测声场的快速模拟方法,并将所得结论应用于现场远探测裂缝的识别和解释.本文的研究结果为偶极横波远探测数据的处理和解释提供了理论依据.

关键词：声波远探测滑移界面多裂缝体系偶极横波反射和透射