[发明专利]一种基于超晶格器件的二阶非线性带宽调谐和拓宽方法

说明书

技术领域

本发明属于超晶格材料和激光技术领域，具体是一种基于超晶格器件的二阶非线性带宽调谐和拓宽方法，带宽包括非线性频率转换过程中涉及到的波长、温度和角度，用以实现宽带的激光频变器件，包括倍频、光参量放大器等。

背景技术

1961年，Franken等人首次在实验中观测到非线性二次谐波的产生，标志着非线性光学的诞生[1]。然而，该实验中所观测到的二次谐波转换效率非常低，其主要原因在于没有满足动量守恒。在一般介质中，动量守恒并不总能被自动满足，可以利用晶体的双折射和色散特性，或在晶体上制备周期性结构来满足动量守恒条件。前一种匹配方式称为双折射位相匹配(BPM)，后一种称为准相位匹配(QPM)[2]。采用BPM匹配方式受到材料本身的许多限制，如晶体需要沿特殊方向切割，或者需要特定的工作温度。而对于每一具体的材料，双折射也只能在一定波段范围起补偿作用，比如LiNbO₃不能用BPM实现蓝光倍频，LiTaO₃双折射远小于自身色散，不能用BPM完成有效的非线性光学过程。为了克服BPM的这些缺点，发展准位相匹配技术得到了人们的广泛关注。准位相匹配概念是1962年由Bloembergen等提出的[2]：通过晶体非线性极化率的周期性调制可以补偿光参量过程中由于折射率色散造成的基波与谐波之间的位相失配(或者称为波矢失配)，以获得非线性光学效应的增强。这种非线性极化率受到周期调制的人工晶体被称为介电体超晶格。

准相位匹配技术的优势在于光学超晶格的结构可以人工设计，因此具有很大的自由度。但是，在早期研究工作中，所使用的光学超晶格主要局限于简单的周期结构[3]。而周期结构具有比较大的局限性，并不能完全发挥准相位匹配技术的灵活性。具有周期结构的光学超晶格只能对一些简单的单一参量过程实现匹配，在匹配能力方面与普通BPM方法相比并无显著提升。近年来，光学超晶格的结构设计方法出现了很大的发展。一些新的光学超晶格结构，如准周期结构[4-5]、双周期结构[6-8]、非周期结构[9-11]等先后被提出和研究。与周期结构相比，这些新型超晶格结构更具灵活性，可以对更复杂的非线性光学过程实现匹配。例如，利用准周期超晶格结构设计，可实现多重准相位匹配，也就是可以同时对几个不同的参量过程实现匹配。在一块适当设计的准周期光学超晶格晶体中，可直接实现耦合三倍频过程以及多波长倍频过程，这是传统BPM方法无法实现的。

除了传统的一维结构以外，光学超晶格也可以是二维甚至三维结构。1998年，法国学者Berger首先提出了二维光学超晶格的概念，并研究了利用二维光学超晶格设计实现准相位匹配的可能性[12]。其主要思路对材料的二阶非线性光学系数作二维周期调制，提供二维倒格矢参加非线性光学过程。当基波波矢、谐波波矢与倒格矢构成一个闭合三角形时，即可满足匹配条件。2000年，英国学者Broderick等人对该理论进行了实验方面的验证，实验结果验证了这一理论的可行性[13-14]。

一维和二维超晶格的设计方法都是基于相位匹配原理，超晶格在动量空间提供一个或多个倒格矢，以满足非线性过程的动量守恒。这些倒格矢在频率空间一般都为单峰或多峰结构，由于材料色散一般较大，因此频率转换的带宽很小。这里的带宽包括非线性频率转换过程中涉及到的波长、温度和角度等。例如对于倍频过程，当晶体长度为几厘米时，温度带宽一般不大于1℃，波长带宽小于1nm，容许角度仅有几度。因此，超晶格一般工作于控温精度为0.1℃的温控炉中，要求输入激光的波长带宽较窄，中心波长和入射角度不能有较大抖动。在超短脉冲光参量放大应用中，为了得到尽可能短的激光脉冲，需要放大器件有尽可能宽的带宽，否则会影响放大器的效率，增加脉冲长度。为了稳定超晶格器件在实际工作中的性能，提高超晶格频率转换的带宽，需要对超晶格结构进行优化。

参考文献

1、P.A.Franken，A.E.Hill，C.W.Peters，and G.Weinreich，Phys.Rev.Lett.，7，118(1961)

2、J.A.Armstrong，N.Bloembergen，J.Ducuing，and P.S.Pershan，Phys.Rev.127，1918(1962)

3、M.M.Fejer，G.A.Magel，D.H.Jundt，and R.L.Byer，IEEE J.Quant.Electron.28，2631(1992)

4、S.N.Zhu，Y.Y.Zhu，N.B.Ming，Science，278，843(1997)