CN106681080A - 一种利用电光效应实现相位匹配的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用电光效应实现相位匹配的方法，该方法主要由非线性晶体、电压源、两金属电极组成。非线性晶体放置在两金属电极之间，两金属电极分别连接电压源的正负极来产生电场。若两金属电极间电压发生变化，由于电光效应，非线性晶体的折射率也会发生变化。当使用非线性晶体进行频率转换时，通过调节电压源的输出电压改变非线性晶体的折射率即可实现相位匹配。若非线性晶体的温度或角度发生变化，无需进行其他的调节，只需要改变电压源的输出电压值即可再次实现相位匹配，使激光的频率转换高效率地进行。该方法可以有效的补偿角度、温度变化导致的相位失配，并且对于不同波长激光的频率转换过程都可以基于该方法设计实现。本发明方法使用非线性晶体进行光学频率转换的同时利用了电光效应改变折射率这一特性，把不同的光学效应同时应用在同一块非线性晶体中，增加了可以调节的物理量，为实现相位匹配提供了一种全新的方法。

Description

一种利用电光效应实现相位匹配的方法
技术领域
本发明涉及激光频率转换方法，特别是一种利用电光效应来实现相位匹配进而实现高效光学频率转换的方法。
背景技术
自激光发明以后，随着技术的进步激光在不同领域的应用越来越广泛，但是受激光增益材料本身特性的限制，通过受激辐射光放大的方式所能产生的激光波长比较有限，尤其是短波段的激光。但是，利用一些材料的非线性效应(如：倍频、和频、差频、参量放大等)可以实现激光波长的变化，这不仅可以有效地产生新波长的激光，而且在一些如：光学测量、成像等领域也有着重要的应用。在利用非线性材料进行频率转换产生新波长的激光时，要想获得高转换效率，相互作用的光波在非线性材料中传输时必须满足相位匹配条件，否则频率转换不能高效地进行。因此，相位匹配是非线性晶体实现高效频率转换的一个前提条件。目前，实现位相匹配的方法主要有三种，分别为：角度调谐相位匹配、温度调谐相位匹配和准相位匹配。
角度调谐相位匹配是利用晶体的双折射特性来实现的，即利用光束在晶体中的折射率与入射角度和偏振方向有关，通过选则合适的入射角度和偏振方向，来实现不同光波之间的相位匹配。角度调谐相位匹配在频率转换技术中有着广泛的应用，但在实验过程中对角度的调节精度要求很高。温度调谐相位匹配是利用晶体不同的主轴折射率随温度变化的变化量不同来实现的，所以这种方法对于温度的控制精度和均匀性有很高的要求，在实际应用中主要用在90°相位匹配。准相位匹配则是利用周期性的结构来补偿相位失配从而实现频率转换，但是准相位匹配材料的尺寸一般比较小。通过分析不同相位匹配方法的特点可以发现，这些过程都是通过改变折射率或非线性极化率来抑制相位失配的产生。
发明内容
本发明的目的是针对目前上述现有技术的不足，提出一种利用电光效应实现相位匹配的方法，即使用非线性晶体进行频率转换的同时施加一个外电场，该电场可以由电压源和两个金属电极产生，利用电光效应能够改变非线性晶体的折射率这一特性，通过调节电场的强度，使相互作用的光波在非线性晶体中满足相位匹配条件。在实际应用中，调节电压源输出的电压可以改变两金属电极之间产生的电场的大小使非线性晶体的折射率具有可调谐特性，从而实现相应的相位匹配，使频率转换过程高效地进行。
本发明的技术解决方案如下：
一种利用电光效应实现相位匹配的方法，该方法包括下列步骤：
①沿光路依次放置有具有电光效应的非线性晶体、分光器件和能量计，激光入射到非线性晶体时，在频率转换的作用下产生新频率的激光，并经分光器件使不同频率的光束分开，使所述新频率的激光入射到能量计上；
②将两金属电极放置于所述非线性晶体两侧，并且两金属电极分别接电压源的正负极，使两金属电极之间产生电场，非线性晶体则处于电场中；
③调节电压源的输出电压，并利用能量计对新频率的激光能量进行测量，直至达到相位匹配条件。
当非线性晶体由于温控设备的控制精度限制或受周围环境的影响导致温度发生变化，或受到震动导致角度发生变化时，相位匹配条件将不再满足，频率转换效率会下降，输出能量降低，此时通过调节电压源的输出电压可再次实现相位匹配，使频率转换效率提高。以上所述的非线性晶体为NH4H2PO4(ADP)、NH4D2PO4(DADP)、β-BaB2O4(BBO)、KH2PO4(KDP)、KD2PO4(DKDP)或LiNbO3(LN)。
本发明的技术效果：
1、利用电光效应，通过改变电压来增加一个新的调节维度，可以灵活的实现晶体折射率的变化，进而实现相位匹配。当晶体角度或温度变化时，本发明装置只要改变电压源的输出电压即可再次实现相位匹配，不需要再对晶体的角度或温度进行调整，降低了实现相位匹配的难度。本发明装置所需的实验设备数量少，光路结构简单，同时降低了实际应用中对晶体角度、温度等控制和调节精度的要求，并且具有灵活的调节特性和良好的稳定性(尤其对于远程非接触式的调节)；
2、可应用于不同的晶体和不同的波段。由于许多非线性晶体都具有电光效应，对于不同波长激光的频率转换只需根据波长选择合适的晶体和相应的切割角度，通过调电压大小即可实现相位匹配；
3、由于具有很好的调谐特性，能够在室温下实现高效的频率转换，并且可以非机械式的快速操作实现，这对于大型激光系统有着巨大的应用潜力，尤其是在惯性约束聚变装置的频率转换系统中的应用。
附图说明
图1为本发明利用电光效应实现相位匹配的方法示意图。
图2为以部分氘化的KDP晶体在不同温度下进行倍频为例演示本发明方法的示意图。
图3为KDP一类的晶体沿光轴方向施加电场时折射率主轴坐标变化示意图。
图4为部分氘化的KDP晶体使用本发明方法在不同温度下进行倍频时，所需的电压随温度变化的曲线图。
图5为部分氘化的KDP晶体使用传统方法和本发明方法在不同温度下进行倍频时，转换效率随温度变化的曲线图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明方法进行具体说明。
请先参阅图1，图1为本发明一种利用电光效应实现相位匹配方法的示意图，其特征在于该方法包括下列步骤：
①沿光路依次放置有具有电光效应的非线性晶体1、分光器件4和能量计5，激光入射到非线性晶体1时，在频率转换的作用下产生新频率的激光，并经分光器件4使不同频率的光束分开，使所述新频率的激光入射到能量计5上；
②将两金属电极2放置于所述非线性晶体1两侧，并且两金属电极2分别接电压源3的正负极，使两金属电极2之间产生电场，非线性晶体1则处于电场中；
③由于电光效应，非线性晶体1的折射率会随两金属电极2之间电压的变化而发生变化，调节电压源3的输出电压，可实现相位匹配。相位不匹配情况下频率转换效率非常低，利用能量计(5)对新频率的激光能量进行测量，根据测量结果可以判断相互作用的光波在非线性晶体1中传输时是否达到相位匹配条件。
④当非线性晶体1由于温控设备的控制精度限制或受周围环境的影响导致温度发生变化，或受到震动导致角度发生变化时，相位匹配条件将不再满足，频率转换效率会下降，输出能量降低，此时可以通过调节电压源3的输出电压，使相互作用的光波在非线性晶体1中达到相位匹配条件，频率转换能高效率地进行。
非线性晶体1的切割角θ和可以根据入射激光的波长、非线性晶体1的色散方程、电压源3所能提供的电压确定。以上所述的具有电光效应的非线性晶体1为NH4H2PO4(ADP)、NH4D2PO4(DADP)、β-BaB2O4(BBO)、KH2PO4(KDP)、KD2PO4(DKDP)或LiNbO3(LN)等。
使用本方法实现相位匹配时，需要根据非线性晶体1的类型和频率转换的要求来选择合适的电场方向，由于KDP一类的晶体具有良好的电光特性，并且70％氘化率的KDP晶体在室温附近可以以90°相位匹配方式实现527nm波长激光的倍频。因此，为了清楚地描述本发明方法实现相位匹配的过程，下面以使用70％氘化率的KDP晶体1、采用I类90°相位匹配的方式(o+o→e)在不同温度下对527nm波长的激光进行倍频(ω1+ω1→ω2)为例，对本发明进行详细的说明，示意图如图2所示。两金属电极2垂直于晶体1的z轴(光轴)方向。设两金属电极2间距离为d，电压为V，则两金属电极2之间的电场强度为：E＝V/d，并且电场方向平行于z轴，所以电场分量Ex＝Ey＝0，Ez＝E。从文献可知KDP系列晶体是负单轴晶体，属于四方晶系，点群，这一类晶体的电光张量γij中，独立的电光系数只有γ41和γ63两个，未加电场时这一类晶体主轴折射率有：nx＝ny＝no，nz＝ne，且no＞ne，不同波长的no、ne大小可以通过Sellmeier Equation求出。当晶体1处于强度为E的外加电场中时，根据折射率椭球的变化可以求得新的折射率椭球的主轴折射率：
nz′＝ne
此时晶体1由单轴晶体变为双轴晶体，其折射率椭球的主轴x′、y′相对于原来的x、y轴(绕z轴)旋转了45°，如图3所示。当使用晶体1进行频率转换时，电压是相位失配的一个自变量，即：Δk(V)，因此，可以通过调节电压实现相位匹配。
使用70％氘化率的KDP晶体1进行I类相位匹配的倍频过程为一束偏振态为o的光ω1入射到晶体中产生偏振态为e的光ω2，即ω1o+ω1o→ω2e，相位匹配条件为：Δk＝k2e-2k1o＝0。在频率转换过程中，为了获得最大的转换效率，除了确定相位匹配角之外，还要选择合适的方位角使有效非线性系数尽可能大。通过计算可知使用KDP这一类晶体进行I类相位匹配的频率转换时，方位角为45°时有效非线性系数最大。因此，70％氘化率的KDP晶体1进行I类相位匹配的倍频时方位角应选择为当晶体1处于外电场中，并且电场方向平行于晶体1的光轴时，该晶体1折射率椭球的新主轴坐标系相对于原来的主轴坐标系旋转了45°，光波的传输方向恰好沿着晶体1新折射率椭球的主光轴。
通过文献和计算可知70％氘化率的KDP晶体1在17.4℃时可以以I类90°相位匹配方式实现527nm波长激光的倍频。由于晶体1的折射率与温度有关，若晶体1的温度发生变化，则相位匹配条件不再满足，频率转换的效率将会降低，所以转换效率对温度变化非常敏感。若使用本发明方法，当晶体1的温度发生变化时通过调节电压源3的输出电压可再次实现相位匹配，使倍频过程高效率地进行。相应的温度和电压的关系为：
为了对比本发明方法与传统非临界相位匹配方法进行该倍频的效果，我们对两种方法进行了模拟。假设基频光峰值功率密度为1GW/cm2，70％氘化率的KDP晶体1的厚度和高度均为10mm(两金属电极2间距为10mm)，电压源3的调节范围为-10kV～10kV。527nm波长的激光作为基频光ω1入射到该晶体1中，出射的基频光和倍频光由色分离镜4分开，并使倍频光入射到能量计5上。晶体1的温度可以通过温控设备6改变。使用本发明方法进行频率转换时，若晶体1的温度变化，通过调节电压源3的输出电压可再次实现相位匹配。当晶体1以I类90°相位匹配进行527nm波长激光倍频过程时，实现相位匹配的温度-电压定标曲线如图4所示。转换效率的结果对比如图5所示。从图5可以看出，在上述条件下，使用传统非临界相位匹配方法进行倍频时，若晶体1的温度偏离初始相位匹配温度，则转换效率迅速下降，而使用本发明方法进行倍频时温度的接收带宽明显的增大，而且能保持转换效率在偏离初始相位匹配温度±2.8℃范围内不下降，即可以在14.6-20.2℃范围内实现完美的相位匹配，如果电压源3能提供更高的电压，这一范围可以进一步增大。
对于传统的频率转换方法，只能在某一特定温度下满足相位匹配，当非线性晶体1的温度发生变化时，相位失配将会产生，使频率转换效率降低，而本发明使用两金属电极2产生一个均匀电场，非线性晶体1放置在电场中，利用电光效应改变非线性晶体1的折射率，当相位失配产生时，调节电压源3的输出电压使相互作用的光波在非线性晶体1中仍能实现相位匹配，从而使频率转换的效率不会下降。本发明方法适用于不同晶体和波段的频率转换，且原理均与此类似。
由此可以看出，本发明把电光效应和频率转换过程同时应用在一块晶体中，利用电光效应改变晶体的折射率使光束满足相位匹配，实现高效频率转换，增加了晶体的适用范围。当相位失配出现时，通过调节电压源的输出电压使晶体所处的电场强度发生变化，来改变晶体的折射率，进而再次实现相位匹配使得频率转换高效地进行。该方法结构简单，调节难度小，容易实现，在激光频率转换系统中有重要的应用价值，而且对于不同晶体、不同波段的倍频、和频、差频、光参量放大等非线性过程都可以根据该方法进行设计来实现。

Claims (3)

1.一种利用电光效应实现相位匹配的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
①沿光路依次放置有具有电光效应的非线性晶体(1)、分光器件(4)和能量计(5)，激光入射到非线性晶体(1)时，在频率转换的作用下产生新频率的激光，并经分光器件(4)使不同频率的光束分开，使所述新频率的激光入射到能量计(5)上；
②将两金属电极(2)放置于所述非线性晶体(1)两侧，并且两金属电极(2)分别接电压源(3)的正负极，使两金属电极(2)之间产生电场，非线性晶体(1)则处于电场中；
③调节电压源(3)的输出电压，并利用能量计(5)对新频率的激光能量进行测量，直至达到相位匹配条件。
2.根据权利要求1所述的利用电光效应实现相位匹配的方法，其特征在于：当非线性晶体(1)由于温控设备的控制精度限制或受周围环境的影响导致温度发生变化，或受到震动导致角度发生变化时，相位匹配条件将不再满足，频率转换效率会下降，输出能量降低，此时通过调节电压源(3)的输出电压可再次实现相位匹配，使频率转换效率提高。
3.根据权利要求1所述的利用电光效应实现相位匹配的方法，其特征在于：所述的非线性晶体(1)为NH4H2PO4(ADP)、NH4D2PO4(DADP)、β-BaB2O4(BBO)、KH2PO4(KDP)、KD2PO4(DKDP)或LiNbO3(LN)。
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