[发明专利]一种提高准相位匹配倍频转换带宽的方法

摘要

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。

主权项

1.一种提高准相位匹配倍频转换带宽的方法，其特征是，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，能拓宽倍频转换带宽并保持较高且平坦的倍频转换效率；所述晶体的最优结构通过遗传算法得出；所述方法包括如下步骤：步骤1：计算基波到二次谐波的转换效率：其中：d33为铌酸锂晶体最大的非线性系数、c为光速、ε0为真空电容率、nω和n2ω分别为基波和二次谐波的折射率、λ为基波波长、Iω为基波能量、L为晶体的长度、Δk为位相失配量、d(z)为归一化分布函数，当晶体极化方向朝上时，d(z)＝1；当晶体方向朝下时，d(z)＝‑1；步骤2：设优化函数为optη(x)(x∈R),其中η(x)为目标函数，将目标函数η(x)映射到适应度函数f(x),假设x*为最优解，maxf(x*)＝opt(x*)(x*∈R),f(x)为适应度函数，η(x)是目标函数，当所要优化的问题为最大问题时有：其中tmin为优化效率η(x)中的最小值；步骤3：经过优化后可得到最优的效率，并同时得到近似的最优畴结构；步骤4：对于同时满足准相位匹配和群相位匹配的中心波长通过以下方法求得：步骤4‑1：将位相失配量对λ求导可得：因为群速度为因此可得其中v_ω和v_2ω分别是基波及二次谐波的群速度，要实现二次谐波转，要满足群速度匹配v_ω＝v_2ω，此时步骤4‑2：当位相失配量Δk与基波波长之间的关系曲线上某点的切线与水平轴平行，即该点的斜率为0的时候，所求出的切点所对应的波长即为实现高效平坦的倍频作用的中心波长2.7微米；步骤5：用围绕中心波长的六个波长分别为2.660微米、2.688微米、2.725微米、2.750微米、2.780微米、2.810微米的基波沿晶体极化方向垂直于每个畴的界面入射，得到倍频效率与波长关系，二次谐波保持较高的转换效率与平坦度。