CN100403606C - 脉冲激光线性材料光子晶体倍频器 - Google Patents

Abstract

脉冲激光线性材料光子晶体倍频器，由光波入射口(1)、金属外壳(2)、内部晶体(3)、出射口(4)和基板(5)组成。内部晶体(3)由空气孔光子晶体(6)、光栅(7)、介质柱光子晶体(8)、介质柱(9)和空气波导(10)组成，空气孔光子晶体(6)和介质柱光子晶体(8)具有不同的带隙结构，光栅(7)、介质柱(9)、介质柱光子晶体(8)以及基底材料(11)均为同一种非磁性线性材料。其特征在于：介质柱或空气孔均为方形柱结构；空气孔光子晶体(6)和介质柱光子晶体(8)是对角复式正方形晶胞结构或简单正方形晶胞结构。泵浦波和倍频波均为脉冲激光。本发明可以实现高强度脉冲激光倍频，可应用材料更多，制作工艺更简单、转换效率更高、更易在微系统中集成。

Description

脉冲激光线性材料光子晶体倍频器

技术领域

本发明涉及一种脉冲激光线性材料光子晶体倍频器，属于激光频率转换技术领域。

背景技术

激光在军事、科研、以及日常生活中应用日益广泛，起到了愈来愈重要的作用。然而，目前常用的激光器其波长大多在近红外范围，这显然满足不了需要。要想产生其他波段范围的激光，目前常用的技术手段有激光倍频、混频、和频、差频等，其中尤以激光倍频为最多。现有的激光倍频器通常都是采用非线性材料来制作，其显著的缺点在于非线性材料的种类很少，而一种非线性材料只能针对某一特定波长激光才起作用，因此就是在可见光波段也还没有实现激光频率的完全覆盖。目前已有利用线性材料的电四极极化效应来实现倍频的技术出现，但这一技术还仅适用于连续光束，而且在位相匹配和材料选取上都存在一定缺陷，很难实现高强度激光输出。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：克服上述激光倍频器的不足，提供一种采用线性材料制作，高强度脉冲激光光子晶体倍频器。

本发明的技术解决方案是：脉冲激光线性材料光子晶体倍频器，由光波入射口、金属外壳、内部晶体、出射口和基板组成，内部晶体由空气孔光子晶体、空气波导、光栅、介质柱、介质柱光子晶体和基底材料组成，空气孔光子晶体和介质柱光子晶体具有不同的带隙结构，空气波导的内部有周期一致的光栅结构，空气波导中有介质柱隔开，光栅、介质柱、介质柱光子晶体以及基底材料均为同一种非磁性线性材料，光栅和介质柱交替位于空气孔光子晶体和介质柱光子晶体之间，空气孔光子晶体和介质柱光子晶体之间的未被光栅和介质柱占据的空间通道为空气波导，光栅、介质柱、空气波导、空气孔光子晶体和介质柱光子晶体均位于基底材料上，内部晶体中的空气孔光子晶体和介质柱光子晶体的元胞以及介质柱是方形结构；泵浦波和倍频波为脉冲激光。

所述的脉冲激光线性材料光子晶体倍频器，其中的空气孔光子晶体和介质柱光子晶体的晶胞结构是对角复式正方形晶胞或简单正方形晶胞，介质柱排列是矩形结构，包括正方形结构。

本发明与现有倍频器相比有如下优点：

1.由于内部晶体的结构和参数的改变，使在实际加工中对误差容限要求降低，更具有实用性；

2.由于结构的改变，对材料的要求降低，同时由于脉冲的瞬时能量高，可以弥补材料本身的不足，使电四极极化系数较低的材料也能应用，扩大了可供选择的材料范围；

3.倍频器中的微细结构均为方形柱状结构，又采用同一种材料制作，因此更有利于微细加工工艺，也更有利于系统集成；

4.由于转换效率与泵浦场能量的平方成正比，而脉冲激光器的瞬时能量可以比连续激光高3～4个数量级，所以转换效率可以提高更多，输出功率更大；

5.位相匹配条件更容易满足，因为脉冲作用时间短，对每一个脉冲而言，在一定长度内可近似认为达到完全位相匹配，对光栅的加工精度要求大大降低，有助于转换效率的进一步提高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明实施例内部晶体H-H剖面结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明由光波入射口1、出射口4、金属外壳2、内部晶体3和基板5组成，需要倍频的激光从入射口1射入，经内部晶体3倍频，倍频后的激光从出射口4射出，泵浦波(入射波)和倍频波(出射波)均为脉冲激光。

如图2所示是本发明实施例内部晶体3的H-H剖面结构示意图，由方形空气孔光子晶体6、空气波导10、光栅7、方形介质柱9和方形介质柱光子晶体8组成，光子晶体的晶胞结构均为对角复式正方形晶胞结构，方形介质柱9为矩形或正方形排列。方形空气孔光子晶体6、光栅7、方形介质柱9、方形介质柱光子晶体8以及基底材料11为蓝宝石或硅或GaF₂或BaF₂。当材料为蓝宝石时是一0.6943μm脉冲光束光子晶体倍频器，入射波为红宝石Ruby激光器输出的0.6943μm橙红脉冲光，输出为0.3471μm紫色脉冲光。

红宝石Ruby激光器输出的0.6943μm焦耳级脉冲橙红光经过一小孔光阑后，直接从入射口1耦合进入倍频器。0.6943μm和0.3471μm均位于蓝宝石晶体的光学透射波段。空气孔光子晶体6的周期为(0.25～0.6)倍入射波长，占空比0.6～0.95；介质柱光子晶体8的周期为(0.2～0.5)倍入射波长，占空比0.2～0.6；空气波导10宽为(0.3～0.75)倍入射波长，其内侧的光栅7宽度为(0.1～0.6)倍入射波长，周期由下式决定：

$\mathrm{\Λ}=\frac{c}{2f_0}\·\frac{1}{n\left(2f_0\right)-n\left(f_0\right)}$

其中，f₀＝5.837×10¹⁵Hz为入射波频率，c为光速，n为蓝宝石的折射率。由于0.6943μm位于空气孔光子晶体6的光子带隙的频率上边缘和介质柱光子晶体8的光子带隙的频率下边缘，因此光波只能在空气波导10和介质柱9组成的区域传播。介质柱9的周期为(0.2～0.5)倍入射波长，占空比0.2～0.6，所起作用一个是调制光场，由于只有两排，因此它不具有光子晶体一样的光子带隙结构，不能禁止光的传播，但它能对分布其间的电磁场起强烈的调制作用，从而使分布在光栅结构7周围的电场发生畸变。还有一个作用是：由于介质柱9的存在使得能量在波导10之间的可以耦合传递，增加了电场与光栅7的作用几率。蓝宝石晶体的二阶极化系数χ⁽²⁾＝0，此时的二次谐波来源于电四极极化效应 ${\stackrel{\→}{P}}_Q^{\left(2\right)}=Q_{\mathrm{ijkl}}{\stackrel{\→}{E}}_j{\▿}_k{\stackrel{\→}{E}}_l,$ 通常情况下电四极极化系数Q较之非线性材料的有效二阶极化系数χ⁽²⁾小3～4个数量级，但在本发明中，波导10中的电场被强烈调制，电场剧增剧减，梯度很大，使蓝宝石的电四极极化效应大大增强。同时又由于脉冲的瞬时能量高，更有利于非线性效应增强，使电四极极化系数较低的材料也能应用，可以弥补材料本身的不足。因此，可供选择的材料更多，应用范围更广，克服对特定波长只能选择一种材料的不足。光子晶体8和6采用对角方形复式晶胞结构，带隙结构性质大大改善，对光场的局域和调制显著增强，更加适合对脉冲光的操纵和调控。由于波导结构10处在光子晶体8和6的带隙边缘，可类比于一谐振腔，因此该处的光子态密度最大，大大的提高了光栅7与电场的作用强度，并且由于带隙边缘的电磁波的群速度最小，又可以适当延长作用时间，从而激发出强度可与典型非线性材料相比拟的波长为0.3471μm的紫色激光。由于光子晶体8和6具有优良的带隙结构，使得高能脉冲光也能被局域在波导区域，而二阶非线性转换效率与泵浦能量的平方成正比，所以转换效率可以提高更多，激光功率可以达到更大。同时位相匹配条件也更容易满足，这是因为脉冲作用时间短，对每一个脉冲而言，在一定长度内可近似认为达到完全位相匹配，这也有助于转换效率的提高。倍频后得到的0.3471μm紫色脉冲激光从出射口4输出。

Claims (2)

1.脉冲激光线性材料光子晶体倍频器，由光波入射口(1)、金属外壳(2)、内部晶体(3)、出射口(4)和基板(5)组成，内部晶体(3)由空气孔光子晶体(6)、空气波导(10)、光栅(7)、介质柱(9)、介质柱光子晶体(8)和基底材料(11)组成，空气孔光子晶体(6)和介质柱光子晶体(8)具有不同的带隙结构，空气波导(10)的内部有周期一致的光栅(7)结构，空气波导(10)中有介质柱(9)隔开，光栅(7)、介质柱(9)、介质柱光子晶体(8)以及基底材料(11)均为同一种非磁性线性材料，光栅(7)和介质柱(9)交替位于空气孔光子晶体(6)和介质柱光子晶体(8)之间，空气孔光子晶体(6)和介质柱光子晶体(8)之间的未被光栅(7)和介质柱(9)占据的空间通道为空气波导(10)，光栅(7)、介质柱(9)、空气波导(10)、空气孔光子晶体(6)和介质柱光子晶体(8)均位于基底材料(11)上，其特征在于：内部晶体(3)中的空气孔光子晶体(6)和介质柱光子晶体(8)的元胞以及介质柱(9)是方形结构；泵浦波和倍频波为脉冲激光。

2.根据权利要求1所述的脉冲激光线性材料光子晶体倍频器，其特征还在于：所述空气孔光子晶体(6)和介质柱光子晶体(8)的晶胞结构均为对角复式正方形晶胞结构或简单正方形晶胞结构。

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