實(shí)現(xiàn)中紅外波段激光光源三次級聯(lián)高效頻率轉(zhuǎn)換的非線性耦合方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種激光光源禪合方法，具體是指一種實(shí)現(xiàn)中紅外波段激光光源Ξ次 級聯(lián)高效頻率轉(zhuǎn)換的非線性禪合方法，用來產(chǎn)生一些極具利用價(jià)值的中紅外波段激光光 源。
【背景技術(shù)】
[0002] 2-5皿中紅外光源在多個(gè)方面一直有著重要的應(yīng)用，而目前獲取中紅外光源的主 要方法就是非線性光學(xué)的頻率轉(zhuǎn)換，如ΟΡΟ，差頻轉(zhuǎn)換等。
[0003]非線性光學(xué)在頻率轉(zhuǎn)換W及獲得新福射光源領(lǐng)域扮演重要的角色。在波長轉(zhuǎn)化進(jìn) 程中，不同頻率的兩束光入射到非線性介質(zhì)材料中，會W倍頻(SHG)，混頻W及級聯(lián)的形式 產(chǎn)生第Ξ束光。在非線性晶體射角度、溫度和其他調(diào)諧機(jī)制都十分敏感。因此在現(xiàn)實(shí)中很難 實(shí)現(xiàn)高效的頻率轉(zhuǎn)化，為了實(shí)現(xiàn)高效的頻率轉(zhuǎn)換，需要滿足相位匹配條件，該條件對入射光 頻率、入射角有很高的要求。
[0004] 2008年化imSuchowski教授首次將"絕熱演化"理論從原子物理領(lǐng)域借鑒到非線 性光學(xué)中。他通過類比原子布局中快速絕熱通道(RAP)的方法，提出了一種可在和頻中獲得 高效能量轉(zhuǎn)化W及大的帶寬響應(yīng)的絕熱方案，并且給出了其對應(yīng)的絕熱條件。運(yùn)種方法不 僅可W解決寬頻帶光場之間的轉(zhuǎn)化問題，還能同時(shí)獲得近乎完全的轉(zhuǎn)化。
[0005] 隨后，GilPorat等人基于絕熱理論中的暗態(tài)理論給出了兩個(gè)Ξ波混頻過程同時(shí) 發(fā)生的理論分析，并利用準(zhǔn)相位匹配技術(shù)調(diào)制出晶體在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了激光上轉(zhuǎn)換過程，該 實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了近乎100%的頻率轉(zhuǎn)化。在實(shí)現(xiàn)兩個(gè)級聯(lián)的方法中，非線性晶體的禪合系數(shù)只需 滿足反直觀序列和絕熱條件即可，由于Ξ個(gè)或多個(gè)級聯(lián)過程設(shè)及的禪合系數(shù)較多，其調(diào)制 的序列也與兩個(gè)級聯(lián)的不同。一直W來都沒有人給出Ξ重或多重級聯(lián)的非線性晶體禪合系 數(shù)調(diào)制方法。
[0006]Ξ次級聯(lián)過程為頻率為ω1和頻率為ωP1的累浦光發(fā)生第一次Ξ波混頻產(chǎn)生頻率 為ω2的光，然后頻率為ω2的光與累浦光ωΡ2發(fā)生第二次Ξ波混頻產(chǎn)生頻率為ω3的光，頻率 為ω3的光與累浦光ωΡ3發(fā)生第Ξ次級聯(lián)產(chǎn)生頻率為ω4的輸出光。
[0007]圖1為Ξ個(gè)差頻(DFG)的過程。
[000引在平面波累浦無耗近似的情況下，Ξ次級聯(lián)過程中頻率為ωι，《2,《3,《4光的振 幅滿足下面的方程
[0009]
[0010]運(yùn)里
[0011]
[001^ 其中I林=[所，4山=1，2,3,4)為光振幅，
[001：3] Ki2=[x(2)(c0i,c0pi,c02)wi2/kic2][Re(4pi)+i Ιηι(Φρ?)]，
[0014] K23=[xU)(wi,c0pi，c02)wi^kic2][Re(4pi)+iIm(4pi)]，K34=[xU)(wi,c0pi，c02) wi2/kic2][Re(i])pi)+i Ιηι(Φρ?)]
[001引Kij= (ωAj/ω )Kji*(i，j= 1，2，3，4，i辛j)為每個(gè)過程中的禪合強(qiáng)度，
[0016] Δ ki = ki -kpi -k2, A k2= ki -kp2-k2and Δ k3 = ki -kp3 -k2為每個(gè)過程中的相位 失配山= η^ω^)ω八為波數(shù)。
[0017]在準(zhǔn)相位匹配條件下即Aki=Ak2=Ak3 = 0,當(dāng)禪合強(qiáng)度滿足[001引Ki2=Kiexp(-(z-L/2-s)^wi2)
[0019] Κ23 = Κι
[0020] Κ34 =Koexp(-(z-L/2+s)Vwi^)
[0021] κ〇，κι為禪合常數(shù)，S決定禪合最大值的位置并且決定禪合的順序即反值觀順序，W1 決定且禪合變化率的位置，L為晶體的長度。κ〇<<κι時(shí)，我們就能實(shí)現(xiàn)高效的轉(zhuǎn)化，而多重 準(zhǔn)相位匹配和禪合強(qiáng)度的調(diào)節(jié)可W通過晶體的設(shè)計(jì)而實(shí)現(xiàn)。
[0022] 多重準(zhǔn)相位匹配技術(shù)，是通過設(shè)計(jì)光學(xué)超晶格光柵結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)多重準(zhǔn)相位匹配， 它需要在同一塊晶體上設(shè)計(jì)特定的疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，來同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)準(zhǔn)相位匹配過程。
[0023]無周期光學(xué)超晶格是一種沒有固定周期的超晶格結(jié)構(gòu)，它是小疇寬W-定規(guī)律的 構(gòu)建而成。該結(jié)構(gòu)在同一塊晶體中可W提供多個(gè)倒格矢，W同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)變頻過程。若能提 供適當(dāng)?shù)亩U合系數(shù)，便可使轉(zhuǎn)換效率大大提高。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，每一種結(jié)構(gòu)都與一個(gè)結(jié) 構(gòu)函數(shù)相對應(yīng)，當(dāng)結(jié)構(gòu)函數(shù)確定下來，超晶格的結(jié)構(gòu)也就同時(shí)被確定下來了。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0024]本發(fā)明的目的是提供一種實(shí)現(xiàn)中紅外波段激光光源Ξ次級聯(lián)高效頻率轉(zhuǎn)換的非 線性禪合方法，該方法能夠解決Ξ次級聯(lián)非線性高效頻率轉(zhuǎn)換的禪合強(qiáng)度的設(shè)計(jì)調(diào)制方法 和多重準(zhǔn)相位匹配的問題，并且能夠獲得極具利用價(jià)值的中紅外波段激光光源。
[0025]本發(fā)明的上述目的通過如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種實(shí)現(xiàn)中紅外波段激光光源Ξ 次級聯(lián)高效頻率轉(zhuǎn)換的非線性禪合方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：
[0026] (1)激光光源W及PPLN晶體的選??；
[0027] (2)對PPLN晶體進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)光波在PPLN晶體中傳輸?shù)臏?zhǔn)相位匹配：
[002引（3)設(shè)定PPLN晶體的正反疇寬度，實(shí)現(xiàn)恒量式跨越式禪合強(qiáng)度Κ12，Κ23，Κ34的調(diào)制：
[0029] (4)禪合強(qiáng)度Κ12，Κ23，Κ34高斯形式的調(diào)制；
[0030](5)光波的轉(zhuǎn)換過程，實(shí)現(xiàn)信號光源向中紅外波段波長的轉(zhuǎn)化。
[0031 ]本發(fā)明中，所述步驟(1)的具體過程如下：
[0032] 選取四個(gè)激光光源，它們分別為：
[0033] 信號光源頻率為ωι，波長為605皿，光強(qiáng)為lOOMW/cm2，
[0034] 累浦光源1頻率為ωρ?，波長為1550皿，光強(qiáng)為2GW/cm2，
[0035] 累浦光源2頻率為ωp2，波長為2700皿，光強(qiáng)為20GW/cm2，
[0036] 累浦光源3頻率為ωp3，波長為2900皿，光強(qiáng)為2GW/cm2，
[0037] 選取3.5畑1的？?^^曰日體，
[0038] 所述步驟(2)的具體過程如下：
[0039] 首先Ξ個(gè)相位失配為Aki，Δk2，Ak3，設(shè)定Ξ個(gè)極化周期A1 =h+l2,A2 =li' + b'，八3 = 1"1+1"2,其中，h，h'，h"為正疇寬度，I2，l2'，l2"為反轉(zhuǎn)疇寬度然后在PPLN晶體 設(shè)計(jì)中極化周期長度設(shè)定為Λ1=Δ?α，Λ2=Δk2,Λ3=Δ 個(gè)極化周期連著然后再重 復(fù)直到PPLN晶體達(dá)到3.5cm，則相位匹配就得到滿足，
[0040] 所述步驟(3)的具體過程如下：
[OOW調(diào)制恒量式跨越式禪合強(qiáng)度K12，K23，K34，S設(shè)定為5mm，Wi設(shè)定為9mm模擬的S個(gè)禪 合強(qiáng)度K12，K23，K34分別為：
[0045] κι> >κ〇
[0046] Ki，是與光的κ〇頻率和強(qiáng)度、折射率及非線性系數(shù)相關(guān)的參數(shù)，通過累浦光強(qiáng)來控 制κι> >κ〇,ωpi的光強(qiáng)等于ωρ3，ωρ2的光強(qiáng)控制在ωpi的光強(qiáng)的14到22倍之間，從而滿足Κ1 >>κ日的條件，
[0047] 所述步驟(4)的具體過程如下：
[0048] 采用不同的正疇寬度來控制有效非線性系數(shù)使得滿足禪合強(qiáng)度所需要的條件，定 義A 為占空比，Di，化和化決定著每個(gè)過程有效非線性系數(shù)幅值大小，從而控制著禪合 強(qiáng)度，對于每個(gè)極化周期里面化都是不一樣的，設(shè)定每個(gè)占空比為化由0.5到1緩慢漸變，即 1油八l/^2漸變到八l，
[0049] 〇2-直為1，〇3由0.6到1，再從0.6到0.5緩慢漸變，即h"由3Λ3/5漸變到Λ3再由3 八3作漸變到Λ3，調(diào)制之后Ξ個(gè)禪合強(qiáng)度滿足所需要的禪合強(qiáng)度，
[0050] 所述步驟(5)的具體過程如下：
[0051] Ξ個(gè)累浦光和輸入信號光同時(shí)通過PPLN晶體，累浦光1和輸入信號光在PPLN晶體 中通過禪合強(qiáng)度Κ12發(fā)生差頻產(chǎn)生波長為lOOOnm的光波，然后產(chǎn)生的lOOOnm的光波與累浦光 2通過禪合強(qiáng)度K23第二次發(fā)生差頻產(chǎn)生波長為1640nm的光波，最后由1640nm的光與累浦光3 通過禪合強(qiáng)度K34發(fā)生第Ξ次差頻產(chǎn)生3800nm的光，Ξ個(gè)過程都是同時(shí)發(fā)生的；
[0052] 通過上述步驟實(shí)現(xiàn)從波長607nm到中紅外波長3800nm的Ξ次級聯(lián)轉(zhuǎn)化。
[0053]按照本發(fā)明提出的禪合強(qiáng)度調(diào)制方法，如圖2所示，禪合強(qiáng)度K12和K34滿足反直觀 序列，K23是一個(gè)恒量，并且K23>>K12，K34,我們稱之為恒量式"跨越"禪合調(diào)制。運(yùn)種調(diào)制方 法可W延伸到多個(gè)級聯(lián)過程的禪合系數(shù)調(diào)制中，只需在滿足反直觀序列的情況下，使得中 間的禪合系數(shù)為恒量，并且數(shù)值遠(yuǎn)大于首尾兩個(gè)禪合系數(shù)的峰值。
[0054]我們用無周期光學(xué)超晶格的方法實(shí)現(xiàn)了Ξ重級聯(lián)過程中的相位匹配。在晶體的極