[发明专利]一种提高准相位匹配倍频转换带宽的方法

说明书

本文发明了一种提高准相位匹配倍频转换带宽的方法，该方法中所使用的晶体具有非周期结构，可同时实现多个波长倍频转换，该晶体在特定波长范围内同时满足准相位匹配和群速度匹配条件。所述晶体的最优结构通过遗传算法得出。该晶体的优选结构为非周期极化铌酸锂晶体，晶体呈长方体形状，上下表面平行且均被抛光，晶体在光波传播方向被均匀分割成相等长度的单元畴，每个单元畴的自发极化方向选择向上或向下，连续几个符号相同的单元畴组成一个正畴或负畴。该方法能在同时满足准相位匹配和群速度匹配条件下，在某一特定波长范围内保持较高且平坦的转换效率，而且还能拓宽倍频转换带宽，具有重要的理论和实际意义。

技术领域

本发明涉及一种提高准相位匹配倍频转换带宽的方法。

背景技术

二阶非线性光学效应如倍频、和频、差频和光参量振荡等一直是非线性光学的研究热点。利用材料的二阶非线性系数，可实现频率转换等二阶非线性过程。然而，由于基波与谐波在材料中的传播速度不一致，会导致位相失配，降低转换效率[叶佩弦，非线性光学，中国科学技术出版社，北京,1999.]。以光学二倍频为例，基波频率为ω，二次谐波频率为2ω，设基波和二次谐波在材料中的折射率分别为n_ω和n_2ω，则对应的波矢分别为在非线性光学晶体中，由于存在色散，一般有n_2ω﹥n_ω，所以存在位相失配其中，λ为基波在真空中的波长。在晶体中，当位相失配时，二次谐波强度沿相互作用距离周期性地增强和衰减。通常在激光技术中常用两种方法来实现相位匹配。一种是Kleinman在1961年提出的双折射相位匹配(BPM)[W.G.Spitzer,and D.A.Kleinman,Phys.Rev.121,001324(1961)]，这种方法主要利用各向异性的晶体的双折射效应和色散效应，通过调节晶体的温度和入射光的角度，使基波的o光(e光)与谐波的e光(o光)的折射率相等以实现相位匹配，但这种方法存在很多难以克服的缺点，极大的限制了晶体的范围和能量转换效率。另一种能使二次谐波的能量在晶体中连续增长的方法是准相位匹配(QPM：Quasi-Phase matching)技术。1962年，J.A.Armstrong和N.Bloembergen[J.A.Armstrong,N.Broembergen,J.Ducuing,andP.S.Pershan.Interactions between light waves in a nonlineardielectric.Phys.Rev.1962,127(6):1918-1939.]提出了准位相匹配的概念，即可以通过改变晶体的自发极化符号来增强非线性频率变换效应，利用超晶格结构提供适当的倒格矢，补偿基波与谐波之间的位相失配，从而满足动量守恒条件。设倒格矢大小为G，波矢匹配条件可表示为即当满足相位匹配时可保持二次谐波在整个晶体中持续增长。

对于宽带激光高效谐波的转换的研究具有重要的理论意义和实用价值，但是，由于在高效、宽带谐波转换过程中需同时满足相位匹配条件和群速度匹配条件，而一般情况下对于大部分各向异性的晶体这两个匹配方向是不重合的，因此无法同时满足两个匹配条件。为此，近年来提出了一些解决方案，一是角度色散补偿技术[Skeldon M D，Craxton RS，Kessler T J，Seka W，Short R W，Skupsky S，Soures J M 1992IEEE J.QuantumElectron.28 1389]、二是啁啾匹配技术[Qian L J 1995Acta Opt.Sin.15 662(inChinese)[钱列加1995光学学报15 662]]、三是多晶体级联技术[Eimerl D，Auerbach J M，Barker C E，Milam D，Milonni P W 1997Opt.Lett.22 1208]、四是折返点匹配技术[Eimerl D，Auerbach J M，Barker C E，Milam D，Milonni P W1997Opt.Lett.22 1208]。但是每一种技术都会有一定的局限性，因此宽带激光高效谐波的转换问题还没有很好的解决。