[发明专利]一种用于精细调控二阶非线性光学过程的方法

说明书

本发明公开了一种通过人工微结构设计精细调控二阶非线性光学过程的方法。传统的准相位匹配（QPM）理论通过设计光学超晶格对非线性过程提供相位匹配，其中光学超晶格的周期由非线性过程中的波矢失配所决定。理论计算表明这种方法无法严格确保非线性过程中能量和相位变换的单向性，在高转换效率的情况会产生显著误差，并且难以在相位匹配的同时对谐波相位进行调控。本发明提出在设计超晶格结构时引入相对相位差角这一参量，通过选取合适的相对相位差角，可以精细调控非线性过程中的倍频波或基波的能量变化和相位变化，在提高非线性过程转换效率方面有重要应用。

技术领域

本发明属于非线性光学领域，具体涉及人工微结构材料中的非线性光学能量控制和相位匹配技术，其中所使用的光学超晶格可以根据预设的倍频波和基频波设计。

背景技术

非线性光学是现代光学中的一个重要领域，是研究强光和介质之间相互作用的一门学科。倍频、和频、差频等二阶非线性光学效应一直是该领域关注的热点。利用天然非线性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，由于材料的色散导致相位失配，降低了转换效率。以倍频光为例，Δk＝k₂-2k₁，表示倍频过程的相位失配，只有当Δk＝0的时候，基波的能量才能持续转换为二次谐波，实现有效的转换效率。

1962年，Armstrong和Bloembergen提出了准相位匹配概念(QPM)，通过人工调制微结构，引入倒格矢弥补相位失配，从而实现相位匹配，获得有效的非线性光学效应。实现这种相位匹配方法的非线性材料被称为光学超晶格。传统的QPM条件是相位失配量Δk＝G，G是由光学超晶格提供的倒格矢。在小信号近似下，QPM方法可以获得良好的相位匹配效果。然而在转换效率较高而小信号近似不成立的情况下，理论计算表明传统QPM条件并不能严格保证倍频波能量持续增加。图1计算了一个典型的光学超晶格中的倍频演化情况，其中传统QPM条件得以满足，从中可以看出随着传播距离的增加，基波(FW)能量逐渐转移到倍频波(SHG)中，而倍频波能量达到最大值时候，能量出现回流，倍频波开始变小，基波变大。

为了解决这个问题，文献Sci.Rep.6,27457(2016)提出了一种新型的超晶格设计方法，称为严格准相位匹配理论(Rigorous Quasi Phase Matching condition，RQPM)，该方法的出发点是倍频耦合波方程：

其中K是耦合系数，f(x)是光学超晶格的结构函数，A₁和A₂是基波和倍频的复振幅。

RQPM条件的推导是非常简单的。基于不同目的，可以得到四种不同的相位匹配条件，分别称为Type-I、Type-II、Type-III和Type-IV RQPM条件。

其中Type-I RQPM条件和传统QPM条件较为类似，可以让倍频过程中倍频波能量单调递增。相反的，Type-II RQPM条件可以保证倍频波能量单调递减，整个倍频过程只需要满足通过这两种不同的超晶格结构设计，可以控制能量转换方向。这种控制能量转移方向的能力对于参量下转换过程是非常有用的，比如差频过程和光参量放大。

非线性光学中另一个非常重要的现象是非线性相移，Type-III和Type-IV RQPM条件可以控制非线性过程中倍频的相移方向。然而，现有的RQPM方法只能对非线性过程的能量或相位之一进行控制，不能连续控制和同时精细调控倍频波的能量和相位。

发明内容

为了解决传统QPM和RQPM方法在非线性过程中不能连续控制和同时精细调控能量和相位的问题，本发明提出了一种改进方法，具体改进方案如下：

在非小信号近似条件下，引入相对相位差角参量，设计具有如下结构函数的光学超晶格结构对非线性过程进行调控：

f(x)是超晶格畴结构函数；