[发明专利]针对耦合非线性光学过程的光学超晶格最优化结构设置方法

说明书

技术领域

本发明属于非线性光学与超晶格材料技术的交叉领域，具体涉及一种针对级联耦合非线性光学过程的新型光学超晶格结构设置方法。与常规方法相比，该方法可大幅提升耦合非线性光学过程的转换效率。

背景技术

光是一种电磁波。在通常情况下光的传播满足线性叠加原理，两束光可以无阻碍地相互穿透而相互之间不产生任何作用。但是当光强达到一定程度并且有非线性介质参与时，将有可能产生非线性光学效应。此时线性叠加原理不再满足，光的频率将发生变化。上世纪60年代以后，随着激光光源的诞生，各种非线性光学效应不断被人们发现和研究。非线性光学逐渐成为现代光学中的一个重要研究领域[1]。

一个非线性光学过程的有效产生，除了强光源和非线性介质以外还需要满足能量守恒条件和相位匹配条件。相位匹配条件是指非线性介质中的基波和各次谐波之间的相位必须一致，或者说它们的传播速度应该相同。从光子的角度来看，相位匹配条件实际上就是非线性过程中的动量守恒关系。通常由于材料的色散效应，相位匹配关系并不能自动满足，因此需要人为采取一定的措施实现相位匹配。常见的相位匹配方法有双折射相位匹配方法(BPM)和准相位匹配方法(QPM)[2]。其中前者的基本原理是利用材料的双折射效应，让基波和谐波处于不同的模式，并通过入射方向的调节，使得基波和谐波恰好具有相同的传播速度从而实现相位匹配。后者则是通过在非线性介质中引入人工超晶格结构，提供一个倒格矢对非线性光学过程中的波矢失配进行补偿，从而让对应的动量守恒关系得以满足。

通常的非线性光学过程可以分为简单参量过程和耦合参量过程。前者的物理过程比较简单，其中只包含一个单一的参量过程，常见的有和频过程(SFG)、差频过程(DFG)、光参量放大过程(OPA)等。而后者物理过程比较复杂，其中有若干个简单参量过程同时发生，并且相互之间存在耦合。常见的有耦合三倍频过程(THG)、耦合四倍频过程(FHG)等。以耦合三倍频过程为例，其中就同时包含了ω+ω↔2ω]]>以及ω+2ω↔3ω]]>等两个参量过程。而耦合四倍频过程则同时包含了ω+ω↔2ω]]>以及2ω+2ω↔4ω]]>等两个参量过程。与简单参量过程相比，耦合参量过程较复杂，其中所包含的物理效应也更为丰富。因此耦合非线性效应的研究一直是非线性光学研究中的热点问题。同时，耦合参量过程所需要的相位匹配条件也较复杂，采用BPM方法实现十分困难。而QPM方法由于其光学超晶格结构设置上的灵活性，在耦合参量过程的应用中具有显著的优势[3]。