[发明专利]一种基于砷化铝镓的宽带倍频方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于砷化铝镓的宽带倍频方法和系统。整个系统由激光器、周期极化砷化铝镓晶体、温度控制器、检波器和光谱仪构成。该方法应用准相位匹配方法在周期极化砷化铝镓晶体上实现了宽带倍频波的产生。当周期极化砷化铝镓晶体中铝的摩尔分数x为0.25时，实现了在宽带倍频中心波长为7.622μm附近产生带宽为519nm的宽带倍频波。通过改变晶体中铝的摩尔分数x来改变宽带倍频波的中心波长，从而实现产生不同带宽的倍频波。本发明可以解决不同带宽倍频波的产生问题。

技术领域

本发明涉及一种基于砷化铝镓的宽带倍频方法及系统，属于非线性光学技术领域。

技术背景

中红外光谱是物质在中红外区的吸收光谱。一般将2.5-25μm的红外波段划为中红外区。中红外光因为其穿透能力较强，可应用于军事应用(红外热像、红外摄像、红外遥感等),民用领域(有机污染物的检测、红外光光度计等)。

非线性光学领域倍频技术产生是一种重要的频率变换方法。但是在倍频的产生过程中，会产生相位失配现象。该现象产生的本质是相互作用的基波和倍频波在非线性晶体材料中传播时，不具有相同的相速度或者相等的折射率，产生走离效应。由于不满足相位匹配条件，光倍频的效率将会急剧下降，就无法实现能量在基波和倍频波之间单向高效率转换。

为达到相位匹配条件，有双折射相位匹配和准相位匹配两种方法。对于双折射相位匹配，要求非线性晶体是具有光学各向异性的立方系晶体、单轴晶体和双轴晶体，也就是它们具有双折射特性(在两个相互垂直的偏振方向，晶体对光的折射率是不相同的)。所以可以利用双折射特性来补偿晶体的色散，达到相位匹配。为了利用晶体的双折射特性来实现相位匹配，选择倍频光处在较低折射率的偏振方向上。如对负单轴晶体(寻常光o光的折射率大于非常光 e光的折射率),双折射补偿色散的方法是倍频光的偏振取非常光(e光)，基频光的偏振可有两种选择：对于I型相位匹配，两基频光取相同的偏振(o光)，对于Ⅱ类相位匹配，两基频光取相互垂直的偏振(e光和o光)。双折射角度相位匹配就是调节入射光波矢与晶体光轴c之间的夹角θ，通过改变倍频光的折射率，使之满足相位失配量Δk为0，从而满足相位匹配，因此也叫角度匹配。与双折射相比，准相位匹配通过周期性的改变二阶非线性极化率或者二阶非线性系数d沿晶体c轴的方向，在垂直于光轴方向引入一个额外的倒格矢量G来补偿谐波产生过程中的相位失配，使之满足相位匹配。在任意非线性过程中，应用准相位匹配方法，先通过计算相位失配量Δk，然后就可以确定晶体所需要的晶体周期Λ，在理论上可以弥补材料折射率的缺陷，让在晶体的透光范围内实现任意输出光的波长的调谐成为了可能，也提高了非线性光学的转换效率。

以上的技术是对于一个确定的波长(宽带倍频时的中心波长)产生宽带倍频波。在宽带的基波波长范围内，如果不是在宽带倍频的中心波长处，倍频过程的转换效率就会严重降低。对于倍频的准相位匹配技术，现在多是利用周期极化钽酸锂晶体(PPLT)、周期极化铌酸锂晶体(PPLN)、周期极化砷化镓晶体(GaAs)以及周期极化砷化铝镓晶体(Al_xGa_(1-x)As)。

发明内容

本发明是将准相位匹配的宽带倍频技术应用在周期极化砷化铝镓晶体(Al_xGa_(1-x)As)上，研究倍频时的宽带倍频中心波长和带宽与周期极化砷化铝镓晶体中铝的摩尔分数x的关系。

根据准相位匹配原理，通过计算得到周期极化砷化铝镓晶体的晶体周期。入射的基波λ₁经过周期极化砷化铝镓晶体时会产生倍频波λ₂，且它们的波长关系满足：λ₁＝2λ₂。倍频转换的相位失配量Δk为：其中k₂、k₁、k_g分别为基波、倍频波和周期结构晶体的波矢量，λ₁和λ₂为基波和倍频波的波长，n₁和n₂为基波和倍频波在非线性晶体中的折射率，Λ为周期性极化晶体的极化周期。