CN105190422A - 通过非共线相互作用的可调非线性光束整形 - Google Patents

通过非共线相互作用的可调非线性光束整形 Download PDF

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Abstract

本文提供了用于在晶体中采用非线性准相位匹配相互作用进行光束整形的方法和系统，其中通过计算机生成的全息图来对该晶体的非线性系数进行编码。同一个轴被用于满足相位匹配要求和对全息信息进行编码。这允许使用非常简单的方式来制造非线性晶体图样的一维光束整形和具有高转换效率的二维光束整形。通过在KTiOPO4和化学计量钽酸锂中在二次谐波将基模高斯光束转换为厄米-高斯光束和拉盖尔-高斯光束，来对两者进行展示。所提议的方案通过简单地倾斜晶体来实现宽波长调谐。

Description

通过非共线相互作用的可调非线性光束整形
技术领域
本发明涉及非线性光学领域，并更具体地涉及通过非共线相互作用的非线性光束整形。
发明背景
当光束遭遇周期性结构时，光衍射发生。当这个周期性为非线性系数时，发生非线性衍射，例如，由来自光源的泵浦光束碰撞的周期性改变的二阶非线性系数导致二次谐波(SH)中的衍射图样。通常泵浦相对于光栅垂直传播，从而导致来自传播方向两侧的对称衍射。针对Raman-Nath、Cerenkov和Bragg的情况，近年来广泛研究了用于非线性衍射的方案。打破对称性，即以一定角度进入非线性晶体能够加大操作带宽，并在此情况下，产生的衍射图样也是非对称的。
在非线性相互作用中为生成的光束进行整形非常有用，因为与转换光束并然后对其进行操作的第一频率的可选方法相比，它可节省成本和空间。此外，这种整形技术为在线性光学中不能实现的对光束参数的全光控制开启了新的可能性。研究了用于一维光束整形的若干个方式，包含对生成的幅度或相位的整形。还通过在非线性体制中实施计算机生成的全息图的概念来展示对幅度和相位的任意整形。所有前述方案的共同缺点是它们需要非线性系数的二维调制—通常一个轴是用于准相位匹配，以及第二轴是用于光束整形。这使得设计和晶体构造复杂化，此外，当使用诸如磷酸钛氧钾(KTiOPO4)的一些更有效的晶体进行工作时，其形成限制。最近还通过在非线性晶体的横向设置中工作来研究了二维光束整形，其中两个横向轴均被用于对期望的图样进行编码，以及使用Raman-Nath方案来部分获得相位匹配。该设置的缺点是由于部分相位匹配而产生的低非线性转换效率。
发明内容
本发明的实施方式提供了在晶体中采用非线性准相位匹配的相互作用来光束整形的方法和系统，其中通过计算机生成的全息图来对该晶体的非线性系数进行编码。同一个轴被用于满足相位匹配要求并对全息信息进行编码。这允许使用非常简单的方式来制造非线性晶体图样的一维光束整形和具有高转换效率的二维光束整形。通过在KTiOPO4和化学计量钽酸锂中在二次谐波将基模高斯光束转换为厄米-高斯光束和拉盖尔-高斯光束，来对两者进行展示。所提议的方案通过由倾斜机构简单地倾斜晶体来实现宽波长调谐。
附图简述
为了更好地理解本发明的实施方式以及为了示出本发明的实施方式可以被如何付诸实践，现在将仅仅通过示例的方式参照附图，在附图中相似的数字在全文中指代相应的元件或部分。在附图中：
图1是根据本发明的某些实施方式的晶体的高水平原理框图。
图2是示出根据本发明的某些实施方式的系统的一个方面的图；以及
图3是示出根据本发明的某些实施方式的系统的一个方面的图形图表；
图4是示出根据本发明的某些实施方式的系统的一个方面的图形图表；
图5是示出根据本发明的某些实施方式的系统的一个方面的图形图表。
附图以及以下详细的说明使得本发明的实施方式对于本领域的专业人士变得明显。
详细描述
现在具体地详细地参照附图，强调的是，示出的细节是通过实施例的方式并且仅用于本发明的优选的实施方式的例证性讨论的目的，并且被提出以用于提供被认为是本发明的原理和概念方面的最有用的并且容易地理解的描述的内容。在这点上，与为了本发明的基本的理解所必需的相比，没有尝试更详细地示出本发明的结构细节，随着附图进行的描述可以使得如何在实践中体现本发明的若干形式对本领域的技术人员是明显的。
在详细地解释本发明的至少一个实施方式之前，应理解，本发明在其应用上不限于在以下的描述中陈述或在附图中图示部件的布置和构造的细节。本发明适用于其他的实施方式或适用于以多种方式实践或实施。此外，应理解，本文采用的措辞和术语是为了描述的目的并且不应当被认为是限制性的。
本发明在其实施方式中提出提供对以上提到的两个问题的解决方案的整形方案。具体地，它通过对非线性系数的一维调制来实现一维光束整形，且它实现充分的相位匹配，并因此实现用于二维光束整形的有效方案。根据本发明的实施方式的方法是基于非线性准相位匹配的相互作用，其中，在用于准相位匹配的同一个晶体轴上对二进制全息图样进行编码。衍射具有不对称特性，并因此产生与基频(FF)分开的单一生成光束。在二维情况下，晶体的X轴是被用于准相位匹配和对全息信息编码，而Y轴是仅仅被用于全息信息。在此情况下，由以下公式(1)给出用于非线性系数调制的总体表达：
公式(1)
其中dij是二次磁化率χ(2)张量的元素，G是X方向上准相位匹配所需的倒数矢量，q(x,y)＝1/π×asin{A(x,y)}，以及是在第一衍射级中的所期望的波前的傅立叶变换。对于SH生成G＝k2sin(α)/cos(θ)的过程，其中k2是SH光束的波矢量，α是在基频(FF)和SH光束之间的分离角，以及θ是在晶体中FF光束传播相对于小晶体界面的法线的角度。取决于相位匹配要求，角度θ可以是正的或负的。这与先前的方案不同，其中未满足完全的矢量相位匹配条件，以及非线性相互作用的结果是具有低转换效率的对称衍射图样。
在一维情况中，为相位匹配和图样编码只使用了X轴，且通过省略公式(1)中Y的依赖来描述调制。该实现与先前提出的技术不同，其中以二维图样化实现了连续编码，传播轴被用于共线相位匹配，垂直轴被用于在所生成的SH上施加所期望的相位。本文所提议的方法导致简单得多的一维极化过程，因此使用具有高度非等向性极化行为的有效的非线性晶体(例如KTiOPO4)进行工作变得可能。而且，通过简单地倾斜晶体，用于一维和二维整形的所提议的实现可被采用，用于大范围的波长。
图1示出了所提议的设置的原理图，在一维情况下，FF光束相对于晶体的Y轴倾斜地传播。k矢量图被呈现以解释准相位匹配方案。图中的部分(a)示出了用于简单的一维周期性调制的在远场处的输出SH，部分(b)示出了对于用公式(1)的一维版本对厄米-高斯(HG)光束HG20 17进行编码的结果。重要的是，注意到还可对于零倾斜角实现该技术，如在图1的部分(c)中所示的。然而，在前两种情况下生成了单一光束，在后面的情况下生成了相对于光轴对称的两个光束。图中的部分(d)示出了非对称衍射的概念可如何被用于二维光束整形，示出对于用公式(1)对HG11进行编码的结果。在二维情况下，相对于光轴对称的衍射图样通常是不可行的，因为该配置要求非线性晶体的亚微米图样，用于相位匹配。
在图1中，示出了整形非线性衍射设置的原理图。周期性晶体的非对称非线性衍射(a)，晶体上编码有一维信息(b)以及编码有二维信息(d)。在其上编码有一维信息的晶体中的对称非线性衍射(c)。G*是局部倒易晶体矢量。
为了展示一维概念，发明者制造了旨在SH生成的过程中生成厄米-高斯群的两种光束HG10和HG20的晶体。由厄米-高斯HG11和拉盖尔-高斯LG20光束的二次谐波生成展示了二维概念。后面的光束是具有拓扑电荷+2的涡旋光束。
用于一维整形的试验示范是在具有载频G/2π为0.1176μm-1的一维极化KTiOPO4晶体上进行的。该频率与1064.5nmNd:YAG激光的o-eoSH生成相位匹配，其中晶体倾斜了0.206rad(通过斯涅尔定律与θ有关)。由于编码，极化晶体中的磁畴宽度在1.6μm和4μm之间变化。Y方向上的晶体的长度是2mm。所使用的FF源是Nd:YAG激光，其在1064.5nm的波长处以2kHz的重复率产生10ns的脉冲。激光束聚焦于具有柱面透镜的晶体的中心，分别在晶体的z和x方向创造大约70μm和1mm的光束腰半径。额外的柱面透镜被放置于晶体的输出端。在二维上极化的化学计量钽酸锂(SLT)非线性晶体上展示了二维整形。在X方向上的载频是0.125μm-1，目标在于在室温下1550nm泵浦的e-eeSH生成的相位匹配，其中晶体被倾斜了0.86rad。以此倾斜的设置工作允许在非线性相互作用中使用d33，参与这种相互作用的FF功率部分是cos2(θ)，其中θ是FF角度。o-oo和o-eoSH生成的过程对于整个SH功率产生可忽略的贡献，因为相对于d22和d24，SLT中d33大超过一个数量级。极化晶体中的磁畴宽度在2μm和4.5μm之间变化。在Z方向上的晶体长度是0.5mm。这个试验中的FF源是光参量振荡器(OPO)的信号，其在1550nm处以10kHz重复率产生4.5ns脉冲。光束聚焦于晶体的中心，创造大约500μm的光束腰半径。
图2在(a)、(b)、(c)和(d)部分示出了晶体上极化结构的显微图像。从图中明显看出高质量的极化过程。在SH的远场处获得了所期望的HG和LG模式，并且在图2中还呈现了在理论的和所测量的光束形状之间的比较。
图3示出了用于HG20和HG11光束的实验性的和所预测的结果之间的详细比较。基于分步傅立叶方法进行了数值仿真，其中物理参数与试验中的那些相同，并对于KTiOPO4，假设d31＝3.7pm/V20，对于SLT，假设d33＝12.9pm/V21。对于两个实验，观测到了在所测量的和所模拟的输出SH功率之间的对于输入FF功率和晶体倾斜角的依赖的良好拟合。在表1中对于两个晶体总结了在所期望的和所测量的外部转换效率(对于峰值泵浦功率)之间的比较。我们还可以通过与标准的周期性极化晶体比较来估计由于调制引起的效率降低。诸如在图1部分(a)中呈现的用于周期性极化KTiOPO4晶体的所期望的外部转换效率是2.88×10-5％W-1，即2-3倍大于生成HG10和HG20光束的所预测的效率。在SLT中获得了相似的效率降低，其中周期性极化晶体的效率是2.34×10-7％W-1。由于在两个晶体中的同一个轴上实现了调制和相位匹配，由调制引起的效率的所观测到的降低是期望中的。此外，表1可总结所测量的和理论的光束形状之间的空间相关性。
图像示出了对于HG20和HG11在所测量的(加号曲线)和所预测的(实线)结果之间的比较：输出功率对于输入功率的依赖性(a)和(c)，以及输出功率对晶体倾斜角的依赖性(b)和(d)。
在以下表1中示出了所预测的和所测量的转换效率之间的比较和用于所测量光束的光束轮廓相关性。
表1
关于KTiOPO4所提议的方案优点是在其中该设备可以运行的大的温度范围，因为温度变化只导致所生成光束的角度的很小的变化。在所检测的范围25℃-150℃中，设备表现出了几乎是常数的输出功率。在两种晶体中，使用非对称方案的优点是所选择的工作点的灵活性，即在不同的泵浦波长处对于不同的晶体倾斜角实现了相位匹配。图4中展示了这个灵活性，其中呈现出了对于两种材料KTiOPO4和SLT，在室温下，对于两种不同极化周期，所需要的晶体倾斜角相对于FF波长的关系曲线。在这两种情况下，通过简单地改变倾斜角实现了超过200nm的可调谐性。图4示出了两种不同载波周期在KTiOPO4中的o-eoSH生成(a)和在SLT中的o-eoSH生成(b)中的非对称衍射中的可能的工作点。
重要的是，注意到本发明的实施方式不仅仅限于厄米-高斯或拉盖尔-高斯光束，且可在SH中生成任意一维和二维调制，例如Airy光束、抛物面光束等。另外，现在可能的是，实现先前只在一维中展示的非线性过程中的二维透镜。
当将不同相互作用长度和不同线性系数考虑在内时，对于一维整形的所测量转换效率在所提出的方法中和先前提出的技术中的比较显示出了以系数2的提高。提高是由于以下事实：在本方法中SH功率只集中于所整形的衍射级。对于二维整形情况的比较，将不同FF光束腰考虑在内，比较根据本发明的实施方式进行的实验的结果和先前知道的方法的所汇报的结果，其示出了5个数量级的惊人的提高。这强调了非对称衍射方案的优点。用于实现有效的二维光束整形的其他的选择是使用二维图样化的非线性的倾斜的晶体来工作。在这种情况下，非线性相互作用是共线的，以及衍射图样是对称的，传播轴将用于相位匹配，以及两个垂直轴被用于对全息图样进行编码。
本文描述的非线性过程是非线性的，以及公式(1)中描述的图样不取决于晶体的倾斜角。因此，重要的是陈述所选工作点在倾斜角、晶体长度和泵浦的光束腰方面的几何限制。发明人通过检查在KTiOPO4中生成HG20的情况下的模拟空间相关性来研究了上述参数的影响，在图5中总结了结果。如果寻求由图5中的方框表示的高于90％的空间相关性，可看出其当L×tan(θ)≤0.45w0时可以被实现，其中L是晶体在传播方向上的长度，θ是在晶体中泵浦光束传播的角度(通过斯涅尔定律与晶体倾斜角有关)，以及w0是其腰。我们在此文本中汇报的实验满足这个条件，因为SLTL×tan(θ)/w0是0.38，且对于KTiOPO4，其为0.23。图5示出了对三个泵浦光束腰(0.5、0.75和1mm)的在KTiOPO4中的HG20生成的作为晶体长度(a)和晶体倾斜角(b)的函数的模拟空间相关性。部分(a)中的插图示出了不同相关值处的所生成的光束。
总之，本发明的实施方式提供了在基于非线性相位匹配的非线性混频中的一维和二维光束整形的方案。这通过在同一个晶体轴上引入相位匹配和编码的信息来实现。通过在二次谐波将基模HG00高斯光束的光转换为HG10、HG20、HG11和LG20光束来展示了这个概念。在一维的情况下，方案需要简单的一维极化图样，以有效地对相互作用的结果进行整形。在二维的情况下，方案提供了在整形过程的转换效率中的重大提高。在两种情况下，通过改变晶体的倾斜角来使用大范围的泵浦波长进行工作是可能的。
在上文的描述中，实施方式是本发明的实施例或实施方式。“一个实施方式”、“实施方式”或“某些实施方式”的各种出现不一定全部指的是相同的实施方式。
虽然本发明的各种特征可以在单个实施方式的环境中被描述，但特征也可以分开地或以任何合适的组合被提供。相反地，虽然本发明可以为了清楚性而在本文中在各个实施方式的环境中被描述，但本发明也可以在单个实施方式中被实施。
本发明的实施方式可以包括来自上文公开的不同的实施方式的特征，并且实施方式可以包含来自上文公开的其他的实施方式的要素。本发明的要素在特定的实施方式的环境中的公开不应当被视为限制它们仅用在该特定的实施方式中。
此外，应理解，本发明可以以各种方式被执行或实践，并且本发明可以在除了在上文的描述中概括的实施方式以外的实施方式中被实施。
本发明不限于这些图或不限于相应的描述。例如，流程不需要经过每个被图示的方框或状态，或不需要以与图示和描述的精确地相同的顺序经过每个被图示的方框或状态。
本文使用的技术术语和科学术语的含义应是如本发明所属领域的普通技术人员普遍地理解的，除非另有定义。
虽然本发明已经关于有限数目的实施方式被描述，但这些不应当被解释为对本发明的范围的限制，而更确切地，其被理解为优选的实施方式中的某些的示例。其他的可能的变型、修改和应用也在本发明的范围内。

Claims (16)

1.一种用于光束整形的系统，包括：
光源，其被配置成产生泵浦光束；以及
晶体，其具有由全息图样编码的非线性系数，
其中所述泵浦光束被配置成在所述晶体处沿着晶体轴引起非线性准相位匹配的相互作用，其中在用于所述准相位匹配的所述晶体轴上对所述全息图样进行编码。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括倾斜机构，所述倾斜机构被配置成倾斜所述晶体以根据倾斜角产生光束整形。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述全息图样包括二进制全息图样。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述全息图样是计算机生成的全息图。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光束整形是一维的，并通过所述非线性系数的一维调制实现。
6.根据权利要求6所述的系统，其中，由所述相互作用引起的衍射具有非对称特性并结果产生与所述光束的基频分开的单一生成光束。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光束整形是二维的，并通过使用用于所述准相位匹配和所述对所述全息图样进行编码的所述晶体的X轴实现，并且其中，Y轴只被用于所述全息图样。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光束整形是二维的，并通过使用二维图样化的非线性的倾斜的晶体实现，其中，所述非线性相互作用是共线的，衍射图样是对称的，传播轴被用于相位匹配，以及两个垂直轴被用于对所述全息图样进行编码。
9.一种用于光束整形的方法，包括：
产生泵浦光束；以及
在晶体处瞄准所述泵浦光束，所述晶体具有由全息图样编码的非线性系数，
其中所述泵浦光束被配置成在所述晶体处沿着晶体轴引起非线性准相位匹配的相互作用，其中在用于所述准相位匹配的所述晶体轴上对所述全息图样进行编码。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括倾斜所述晶体，以根据倾斜角产生光束整形。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述全息图样包括二进制全息图样。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述全息图样是计算机生成的全息图。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述光束整形是一维的，并通过所述非线性系数的一维调制实现。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，由所述相互作用引起的衍射具有非对称特性并结果产生与所述光束的基频分开的单一生成光束。
15.根据权利要求9所述的方法，其中，所述光束整形是二维的，并通过使用用于所述准相位匹配和所述对所述全息图样进行编码的所述晶体的X轴实现，并且其中，Y轴只被用于所述全息图样。
16.根据权利要求9所述的方法，其中，所述光束整形是二维的，并通过使用二维图样化的非线性的倾斜的晶体实现，其中，所述非线性相互作用是共线的，衍射图样是对称的，传播轴被用于相位匹配，以及两个垂直轴被用于对所述全息图样进行编码。
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