CN108375860B - 一种获得室温下最大光参量产生转换带宽的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种获得室温下最大光参量产生转换带宽的方法，该方法中晶体使用的材料是铌酸锂晶体，该晶体具有非周期结构，在24摄氏度时，选择0.9微米的泵浦光波长，通过设计的非周期结构弥补泵浦光波长退化点与信号光、闲频光波长群速度匹配点之间的相位失谐量，使得三者之间的相位失谐量均能够满足光参量产生相位匹配条件，则能获得2159纳米最大光参量产生带宽。晶体形状呈长方体结构，使用时光束的入射方向与极化方向垂直，且沿着光束的入射方向被极化为长度相等的单元畴，每个单元畴的极化方向可选择向上或向下。该晶体能在满足准相位匹配的条件下，在信号光与闲频光的群速度匹配点之间实现较大且顶部较平坦的光参量产生转换带宽。
Description
技术领域
本发明涉及一种获得室温下最大光参量产生转换带宽的方法。
背景技术
光参量产生在激光光谱学、中红外光谱区痕量气体检测等领域有着较为广泛的应用[1、Masashi Abe，Yoshiki Nishida，Osamu Tadanaga，Akio Tokura，HirokazuTakenouchi，Optics Letter，2016 41 1380-1383]、[2、M.Vainio，L.Halonen，PhysicalChemistry Chemical Physics，2012 00 1-3]。但是，在利用准相位匹配技术产生光参量产生激光时，因为效率转换问题只能获得较窄的带宽。针对这一问题，国内外提出了很多解决方案，如非共线光束装置[Bortz M L，Fujimura M，Fejer M M.Increased acceptancebandwidth for quasi-phasematched second harmonic generation in LiNbO3waveguides[J].E1ectronics Letters，1994，30(1)：34-35]，群速度匹配技术[Lim H H，Prakash O，Kim B J，et al.Ultra-broadband optical parametric generation andsimultaneous RGB generation in periodically poled lithium niobate.[J].OpticsExpress，2007，15(26)：18294]等方法来拓展光参量产生带宽。其中，Prakash O等人[Prakash O，Lim H H，Kim B J，et al.Collinear broadband optical parametricgeneration in periodically poled lithium niobate crystals by group velocitymatching[J].Applied Physics B，2008，92(4)：535-541.]利用周期极化铌酸锂材料获得了1320纳米的光参量产生带宽。然而以上几种方法中存在的主要问题是波长的转换带宽的拓展与带宽的平坦性仍然不能得到统一的解决和提高，即带宽在变大的同时，顶部特别是泵浦光对应的退化点(二倍泵浦光波长)附近却会变的不平坦。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种获得室温下最大光参量产生转换带宽的方法。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种获得室温下最大光参量产生转换带宽的方法，该方法中晶体使用的材料是铌酸锂晶体，该晶体具有非周期结构，该晶体在24摄氏度下可选择合适的泵浦光波长，通过设计的非周期晶体弥补泵浦光波长退化点与信号光、闲频光波长群速度匹配点之间的相位失谐量，从而获得宽带准相位匹配光参量产生带宽。
优选地，所述晶体的最优结构由遗传算法计算得出，可在泵浦光波长退化点附近提高光参量产生光转换带宽且保持较好的平坦性。
优选地，所述晶体由室温下电场极化技术制备，晶体总长度为10毫米，每个畴的长度为3微米，总共3333个畴。
优选地，所述晶体形状呈长方体结构，上下表面平行且均被抛光处理，使用时光束的入射方向与极化方向垂直，且沿着光束的入射方向被极化为长度相等的单元畴，每个畴的长度相等，每个单元畴的极化方向可选择向上或向下，连续几个方向相同的畴组成一个正畴或负畴。
优选地，在选择合适的泵浦光时，从晶体最大群速度点对应波长的二分之一处开始向短波长寻找。对于每个相应的泵浦光波长，预获得的信号光设置为从1.2微米到2倍泵浦光波长之间每隔5纳米取一个波长。当泵浦光波长逐渐减小时，随着泵浦光退化点与晶体最大群速度点之间的距离增加，获得的光参量产生带宽增加，当泵浦光波长为0.9微米时能够获得最大光参量产生带宽，当泵浦光波长小于0.9微米时，该晶体不能够弥补泵浦光波长退化点与信号光、闲频光群速度匹配点之间的相位失谐量，无法形成有效的光参量产生带宽。
优选地，当泵浦光为0.9微米时，满足群速度匹配的条件下对于O型准相位匹配光参量产生带宽为2159纳米。
本发明技术方案的优点主要体现在：该方法中所使用的非周期极化晶体的最优结构通过遗传算法计算得出，可在泵浦光波长退化点附近提高光参量产生光转换带宽且保持较好的平坦性。本发明从准相位匹配技术和群速度匹配原理出发，利用非周期极化晶体，旨在得到室温下最宽且平坦性好的光参量产生转换带宽。而非周期极化晶体突破了周期极化晶体对于周期性的限制，可以灵活高效地提供倒格矢，更好地实现准位相匹配过程。
附图说明
图1为本发明铌酸锂晶体在温度为24摄氏度条件下群速度与波长的对应关系曲线图。
图2为本发明通过遗传算法计算得到的近似最优的非周期极化铌酸锂晶体结构示意图。
图3为本发明优化后的非周期极化铌酸锂晶体在O型准相位匹配下固定泵浦光波长为0.9微米，温度为24摄氏度时的归一化光参量产生转化效率及相应带宽。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明从群速度匹配技术和准相位匹配技术出发，设计了一种利用非周期极化晶体来实现更宽且平坦的光参量产生转换带宽的方法。以下以非周期极化铌酸锂晶体为最优实施例进行说明。
本发明揭示了一种获得室温下最大光参量产生转换带宽的方法，该方法中晶体使用的材料是铌酸锂晶体，该晶体具有非周期结构，该晶体在24摄氏度下可选择合适的泵浦光波长，通过设计的非周期晶体弥补泵浦光波长退化点与信号光、闲频光波长群速度匹配点之间的相位失谐量，从而获得宽带准相位匹配光参量产生带宽。
所述晶体的最优结构由遗传算法计算得出，可在泵浦光波长退化点附近提高光参量产生光转换带宽且保持较好的平坦性。所述晶体由室温下电场极化技术制备，晶体总长度为10毫米，每个畴的长度为3微米，总共3333个畴。所述晶体形状呈长方体结构，上下表面平行且均被抛光处理，使用时光束的入射方向与极化方向垂直，且沿着光束的入射方向被极化为长度相等的单元畴，每个畴的长度相等，每个单元畴的极化方向可选择向上或向下，连续几个方向相同的畴组成一个正畴或负畴。
在选择合适的泵浦光时，从晶体最大群速度点对应波长的二分之一处开始向短波长寻找。为了获得更宽的带宽，光参量产生光源必须覆盖信号光与闲频光波长的群速度匹配点。对于每个相应的泵浦光波长，预获得的信号光设置为从1.2微米到2倍泵浦光波长之间每隔5纳米取一个波长。当泵浦光波长逐渐减小时，随着退化点与晶体最大群速度匹配点之间的距离增加，获得的光参量产生带宽增加，当泵浦光波长为0.9微米时能够获得最大光参量产生带宽，当泵浦光波长小于0.9微米时，该晶体不能够弥补泵浦光波长退化点与信号光、闲频光群速度匹配点之间的相位失谐量，无法形成有效的光参量产生带宽。当泵浦光为0.9微米时，满足群速度匹配的条件下对于O型准相位匹配光参量产生带宽为2159纳米。
本发明利用准相位匹配原理结合群速度原理，设计一种能灵活提供大量倒格矢以满足准相位匹配过程的非周期极化晶体来实现更大的转换带宽，并保持较好的平坦性。
对于群速度失谐量，在此我们假设将泵浦光固定，将波矢失谐量对信号光的角频率求导可得：
其中第一项为：
式中，vg，s和vg，i分别为信号光和闲频光的群速度值。若满足群速度匹配条件，则dΔk/dωi＝0此时意味着信号光和闲频光的群速度一样大，所对应的波长为群速度失谐量为0的波长。
假设入射光波为平面波，为了利用晶体中的最大非线性系数，入射光方向垂直极化方向和每个畴的界面，假设在传播过程中的能量损失可以忽略不计，在小信号近似和慢变振幅近似下，光参量产生的转化效率的三波耦合方程为：
其中，Ep、Es、Ei分别是泵浦光、信号光和闲频光的电场强度，对公式(2c)进行积分可得：
其中，
则光参量产生转换效率为：
其中，d(z)是描述畴反转结构的归一化常数，当d(z)＝1时表示极化方向向上，当d(z)＝-1时表示极化方向向下，L为晶体长度，c为光速，ε0为真空电容率。
定义有效非线性系数
dreff(λ)可用来描述光参量产生光的转换效率，设每个单元畴的长度为ΔL，晶体由N个长度相同的畴组成，晶体总长L＝NΔL，则：
其中q＝0，1，2，3，·······N，每个单元畴位于zq和zq+1内。通过对d(z)的优化即可得到理想的非周期极化晶体结构。
非周期极化晶体突破了周期极化晶体对于周期性的限制，可以灵活高效地提供倒格矢，更好地实现准位相匹配过程。
该方法的具体计算过程如下：
步骤1：在本发明中铌酸锂晶体的温度设定为24度，晶体的长度取1厘米，根据色散方程以及公式(1)
可以计算出铌酸锂晶体中在该温度下各个波长对应的群速度。
显然，在最大群速度点对应波长的两侧很容易找到群速度相等且能够和所选的泵浦光波长形成相位匹配的两个波长，即对应的信号光与闲频光波长。计算结果由图1给出，虚线表示晶体中各个波长对应的群速度。由图1可以看出，对于O型准相位匹配，群速度的最大值对应的波长为1.915微米。
步骤2：对于非周期O型(e+e→e)准相位匹配产生光参量产生带宽，为了获得最大光参量产生带宽，泵浦光波长的选择从0.955微米开始以5纳米的间隔向短波长变化。对于每个相应的泵浦光波长，预获得的信号光设置从1.2微米到2倍泵浦光波长之间每隔5纳米取一个波长，
然后根据公式(5)
利用遗传算法对能用来描述非周期极化晶体光参量产生转换带宽的函数dreff进行设优化。经过优化后可得到近似最优的非周期结构畴结构，此时，使得当前的泵浦光沿垂直于晶体极化方向的每个畴的界面正入射以获得更宽、更平坦的光参量产生带宽。其部分畴结构如图2所示，其中箭头向上表示正畴，箭头向下表示畴。
步骤3：比较所选取的每个泵浦光波长所获得的光参量产生带宽发现，当泵浦光波长从0.955微米减小到0.9微米时，获得的带宽逐渐增大，且泵浦光波长为0.9微米时带宽最大。当泵浦光波长小于0.9微米时，优化后的畴结构无法弥补退化点附近的相位失谐量，从而不能获得有效的带宽。如图3所示为泵浦光波长为0.9微米时光参量产生转换效率与光参量产生光波长关系示意图，从图中可看出，光参量产生光的转换带宽为2159纳米，且保持较高平坦度。
综上所述，本发明发明了一种获得室温下最大光参量产生转换带宽的方法。文中所展示的铌酸锂晶体的群速度由群速度匹配原理和准相位匹配原理计算得出。另外，本文中所使用的最优的非周期极化晶体结构通过遗传算法优化得出，可在泵浦光波长退化点附近弥补相位失谐量从而获得平坦的光参量产生转换带宽。在O型(e+e→e)准相位匹配作用下利用本文设计的非周期极化铌酸锂晶体实现了获得了最大2159纳米的带宽，相对于周期结构的带宽1320纳米，增加了839纳米。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种获得室温下最大光参量产生转换带宽的方法，其特征在于：该方法中晶体使用的材料是铌酸锂晶体，该晶体具有非周期结构，该晶体在24摄氏度下可选择合适的泵浦光波长，通过设计的非周期晶体结构弥补泵浦光波长退化点与信号光、闲频光波长群速度匹配点之间的相位失谐量，从而获得宽带准相位匹配光参量产生带宽；
在选择合适的泵浦光时，从晶体最大群速度点对应波长的二分之一处开始向短波长寻找，当泵浦光波长逐渐减小时，随着泵浦光退化点与晶体最大群速度点之间的距离增加，获得的光参量产生带宽增加，当泵浦光波长为0.9微米时能够获得最大光参量产生带宽，当泵浦光波长小于0.9微米时，该晶体不能够弥补泵浦光波长退化点与信号光、闲频光群速度匹配点之间的相位失谐量，无法形成有效的光参量产生带宽。
2.根据权利要求1所述的一种获得室温下最大光参量产生转换带宽的方法，其特征在于：所述晶体的最优结构由遗传算法计算得出，可在泵浦光波长退化点两侧提高光参量产生光转换带宽且保持平坦性。
3.根据权利要求1所述的一种获得室温下最大光参量产生转换带宽的方法，其特征在于：所述晶体由室温下电场极化技术制备，晶体总长度为10毫米，每个畴的长度为3微米，总共3333个畴。
4.根据权利要求1所述的一种获得室温下最大光参量产生转换带宽的方法，其特征在于：所述晶体形状呈长方体结构，上下表面平行且均被抛光处理，使用时光束的入射方向与极化方向垂直，且沿着光束的入射方向被极化为长度相等的单元畴，每个畴的长度相等，每个单元畴的极化方向可选择向上或向下，连续几个方向相同的畴组成一个正畴或负畴。
5.根据权利要求1所述的一种获得室温下最大光参量产生转换带宽的方法，其特征在于：当泵浦光为0.9微米时，满足群速度匹配的条件下对于0型准相位匹配光参量产生带宽为2159纳米。
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