[发明专利]一种实现准相位匹配多波长倍频转换的方法

说明书

本发明公开了一种实现准相位匹配多波长倍频转换的方法，属于光学元件技术领域，该方法中使用准周期结构的晶体，利用Type‑I(e+e→o)型准相位匹配，可以通过控制温度实现不同波长的倍频转换，所述的晶体材料为极化铌酸锂晶体，晶体的结构由两种不同畤长的单元畴连续嵌套形成，晶体被长度为A，B的单元畴连续嵌套，嵌套的排序为ABBA，A与B畤长的数值比由算法计算得出；本发明能在满足Type‑I(e+e→o)型准相位匹配的条件下，同时实现多个波长的倍频转换，而且可以通过控制温度来调节产生倍频光的波段，能在单一晶体结构中实现常用通信波段的全覆盖，具有重要的理论意义与现实意义。

技术领域

本发明涉及一种实现准相位匹配多波长倍频转换的方法，属于光学元件技术领域。

背景技术

倍频、差频、和频等二阶非线性光学频率转换在光谱学、超短脉冲倍频、信号处理以及光通信等领域都有着重要的应用。若想提高频率转换的效率，就必须实现各相互作用波长的相速度匹配，从而将输入光的能量全部转化为目标波长的能量。以倍频为例，相位匹配必须满足基波和二次谐波的折射率相等。利用晶体双折射现象的双折射相位匹配技术虽然能实现完全相位匹配，但是对温度和入射角度的要求极高，参数的可调谐性较差，很难在实际生产中得到应用。相比之下，准相位匹配技术(QPM)有着很多优点。准相位匹配技术通过周期性的改变非线性材料的极化强度，利用对非线性介质的二阶极化率的调制来补偿由材料色散效应产生的相位差，可以极大地提高非线性频率转换的效率。

通常，周期固定的周期极化晶体只能提供一个倒格矢从而实现单波长的频率转换，但随着准相位匹配技术的不断发展，多重准相位匹配的概念被提出。多重准相位匹配技术是指通过改变极化晶体的结构，使一块晶体中能同时提供多个倒格矢，从而实现多波长的同时转换。为此，近年来提出了一些解决方案。1992年，M.M.Fejer等人通过在均匀QPM光栅上叠加相位反转光栅形成双周期QPM结构，这种结构提供了两个倒格矢，实现了1.55μm和1.551μm的双波长倍频。随后，Zhao LN等提出一种可公度的双周期结构，通过深入的理论研究与计算得出当公度比为7时实现的双波长倍频，大大的提高了转换效率。1997年，基于Fibonacci数列的准周期结构被提出，菲波那契序列是一种二组元准周期结构，由A和B两个单元组成。在A单元中包含一块正畴A1和一块负畴A2，B单元中同样也由正畴B1和负畴B2组成。菲波那契序列规定：lA＝lA1+lA2，lB＝lB1+lB2，定义τ＝lA/lB。令lA1＝lB1＝l，则有lA2＝l(1+η)，lB2＝l(1-τη)。可以通过递推公式A→AB，B→A不断迭代得到菲波那契序列的准周期结构。通过调整各单元的畴长及匹配级数，可以得到预设大小的倒格矢，从而灵活地满足多重准位相匹配过程。这种准周期结构的最初实现是在钽酸锂晶体中，同时实现了多个波长的二倍频，在多波长倍频中，不同的超晶格结构的倒格矢分布不同，对应的匹配的波长也不同。2010年提出的一种使用投影法的啁啾结构，这种新型结构结合了啁啾和准周期结构的优点，不仅可以可用于多重准相位匹配实现多波长倍频，并且可以很好地控制多波长的带宽。为光学超晶格的结构设计提供更多的灵活性。Gu B Y等提出的一种基于退火等算法选定相位反转区域的非周期结构，能提供丰富的倒格矢，同时实现多波长的倍频，实现了0.972μm、1.082μm、1.283μm、1.364μm和1.5687um五波长的倍频有效非线性系数基本相同为0.23。2019年，Meetei等人提出的通过遗传算法确定相位反转域的结构，实现了实现了在通信波段1.550μm、1.569μm、1.588μm、1.606μm、1.629μm处的多重准相位匹配的二次谐波产生，二次谐波的相对转换效率达18.65％。

经过对现有技术的检索发现，基于准相位匹配产生多波长倍频的技术已经十分成熟，优势明显，但仍存在以下不足：1、采用特定结构实现多个波长的倍频输出，转换效率高但是带宽极短，通过调谐覆盖的波段范围较窄，不能采用一种晶体结构实现0.86μm、1.06μm、1.31μm、1.55μm等常用通信波段的全部覆盖；2、采用特定结构实现一定波段的带宽倍频输出，但带宽的增加牺牲了大量的转换效率；这些不足都很难满足非线性频率转换在现实应用中的需求。