一種提高準相位匹配倍頻轉換帶寬的方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及一種提高準相位匹配倍頻轉換帶寬的方法。
【背景技術】
[0002] 二階非線性光學效應如倍頻、和頻、差頻和光參量振蕩等一直是非線性光學的研 究熱點。利用材料的二階非線性系數，可實現頻率轉換等二階非線性過程。然而，由于基波 與諧波在材料中的傳播速度不一致，會導致位相失配，降低轉換效率[葉佩弦，非線性光學， 中國科學技術出版社，北京，1999.]。以光學二倍頻為例，基波頻率為ω，二次諧波頻率為2 ω，設基波和二次諧波在材料中的折射率分別為11"和112"，則對應的波矢分別為
。在非線性光學晶體中，由于存在色散，一般有η2ω>η ω，所以存在位
其中，λ為基波在真空中的波長。在晶 體中，當位相失配時，二次諧波強度沿相互作用距離周期性地增強和衰減。通常在激光技術 中常用兩種方法來實現相位匹配。一種是Kleinman在1961年提出的雙折射相位匹配(ΒΡΜ) [W.G.Spitzer，and D.A.Kleinman，Phys.Rev. 121,001324(1961)]，這種方法主要利用各向 異性的晶體的雙折射效應和色散效應，通過調節晶體的溫度和入射光的角度，使基波的〇光 (e光）與諧波的e光(〇光）的折射率相等以實現相位匹配，但這種方法存在很多難以克服的 缺點，極大的限制了晶體的范圍和能量轉換效率。另一種能使二次諧波的能量在晶體中連 續增長的方法是準相位匹配(QPM:Quasi_Phase matching)技術。1962年，J.A.Armstrong和 N.Bloembergen[J.A.Armstrong,N.Broembergen,J.Ducuing,and P.S.Pershan. Interactions between light waves in a nonlinear dielectric .Phys.Rev .1962,127(6) :1918-1939.]提出了準位相匹配的概念，即可以通過 改變晶體的自發極化符號來增強非線性頻率變換效應，利用超晶格結構提供適當的倒格 矢，補償基波與諧波之間的位相失配，從而滿足動量守恒條件。設倒格矢大小為G，波矢匹配
，即當滿足相位匹配時可保 持二次諧波在整個晶體中持續增長。
[0003] 對于寬帶激光高效諧波的轉換的研究具有重要的理論意義和實用價值，但是，由 于在高效、寬帶諧波轉換過程中需同時滿足相位匹配條件和群速度匹配條件，而一般情況 下對于大部分各向異性的晶體這兩個匹配方向是不重合的，因此無法同時滿足兩個匹配條 件。為此，近年來提出了一些解決方案，一是角度色散補償技術[Skeldon M D，Craxton R S,Kessler T J,Seka ff,Short R ff,Skupsky S,Soures J Μ 1992IEEE J.Quantum Electron.28 1389]、二是啁嗽匹配技術[Qian L J1995Acta 0pt.Sin.15 662(in Chinese)[錢列加1995光學學報15 662]]、三是多晶體級聯技術[Eimerl D，Auerbach J M， Barker C E，Milam D，Milonni P W 19970pt.Lett.22 1208]、四是折返點匹配技術
[Eimerl D，Auerbach J M，Barker C E，Milam D，Milonni P W19970pt.Lett.22 1208]。但 是每一種技術都會有一定的局限性，因此寬帶激光高效諧波的轉換問題還沒有很好的解 決。
[0004] 經過對現有技術文獻的檢索發現，利用周期性極化晶體能得到可調諧準相位匹配 高效寬帶二次諧波轉換，而非周期極化晶體突破了周期極化晶體對于周期性的限制，可以 靈活高效地提供多個倒格矢，同時實現多個準位相匹配過程。
【發明內容】
[0005] 針對現有技術中存在的上述問題，本發明提供一種提高準相位匹配倍頻轉換帶寬 的方法，該方法中所使用的最優的非周期極化晶體結構通過遺傳算法優化得出，可在某一 特定波長范圍內保持較高且平坦的二次諧波轉換效率而且還能提高倍頻轉換帶寬。本發明 從準相位匹配技術和群速度匹配原理出發，利用非周期極化晶體，旨在得到更寬的倍頻二 次諧波轉換帶寬。
[0006] 本發明的技術方案如下：
[0007] -種提高準相位匹配倍頻轉換帶寬的方法，該方法中所使用的晶體具有非周期結 構，可同時實現多個波長倍頻轉換，該晶體在特定波長范圍內同時滿足準相位匹配和群速 度匹配條件，能拓寬倍頻轉換帶寬并保持較高且平坦的倍頻轉換效率。
[0008] 進一步，所述晶體的最優結構通過遺傳算法得出。
[0009] 進一步，所述晶體為非周期極化鈮酸鋰晶體，所述晶體呈長方體形狀，上下表面平 行且均被拋光，與上下表面平行的方向為晶體的極化方向，晶體在光波傳播方向被均勻分 割成相等長度的單元疇，每個單元疇的自發極化方向選擇向上或向下，連續幾個符號相同 的單元疇組成一個正疇或負疇。
[0010] 進一步，使基頻光的電場強度沿晶體的光軸偏振，入射光方向垂直極化方向和每 個電疇界面。
[0011] 進一步，所述晶體由室溫下電場極化技術制備，晶體總長10毫米，每個疇的寬度相 等，為17.69微米，總共565個疇。
[0012] 本發明的有益效果如下：
[0013] 為了得到更寬的可諧調準相位匹配帶寬，本發明從準相位匹配技術和群速度匹配 原理出發，通過遺傳算法得出最優的非周期極化晶體結構，并根據群速度匹配原理得到倍 頻的中心波長2.7微米，通過上述最優的非周期極化晶體來實現多波長的二倍頻過程，得到 了寬度為259納米的可調諧準相位匹配高效二次諧波轉換帶寬，而利用周期極化晶體得到 的帶寬為174納米，因此使用非周期極化晶體結構提高了二次諧波轉換帶寬。
【附圖說明】
[0014] 圖1是周期極化晶體倍頻效率與波長關系曲線圖。
[0015] 圖2是通過遺傳算法得到的最優的非周期極化鈮酸鋰晶體結構部分示意圖。
[0016] 圖3是位相失配量△ k與波長λ關系曲線圖。
[0017]圖4是非周期極化晶體倍頻效率與波長關系曲線圖。
【具體實施方式】
[0018] 以下為對本發明的優選實例進行的說明，應當理解，此處所描述的優選實例僅用 來說明和解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0019] 本發明從準相位匹配技術和群速度匹配原理出發，利用非周期極化晶體，旨在得 到更寬的倍頻二次諧波轉換帶寬。以下以非周期極化鈮酸鋰晶體為最優實施例進行說明。<