CN113687555A - 一种基于定向图案磷化镓的宽带差频产生方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于定向图案磷化镓晶体的宽带差频产生方法及系统。系统由泵浦光和信号光发生模块、非线性晶体模块和温控器组成。该方法应用准相位匹配技术和群速度匹配方法在定向图案磷化镓晶体上实现了宽带差频产生。在常温下固定信号光为2.8μm时，闲频光中心波长在10.61μm处的接受带宽为1939.79nm；固定泵浦光为1.85μm时，闲频光中心波长在2.247μm处的接受带宽为100.14nm。该系统结构简单易于调试、实现了宽带差频中红外辐射输出的快速连续及可调谐，且非线性介质可由其他满足相位匹配的晶体代替。

Description

一种基于定向图案磷化镓的宽带差频产生方法及系统
技术领域
本发明属于非线性光学领域，更具体地，涉及一种基于定向图案磷化镓晶体的光学宽带差频产生中红外辐射光源的方法及系统。
背景技术
由于大量的气体分子在中红外波段存在强烈的基带吸收，其吸收强度比近红外波段大2-3个数量级，中红外激光的吸收光谱技术可实现气体种类、浓度的高灵敏度检测，在环境检测、通信、激光雷达等诸多方面有着重要应用。中红外激光的获取方式现在是一个光学研究的热点话题。目前常用的方法之一是利用量子级联激光器实现，但受限于体积庞大、能耗高、造价昂贵等问题无法广泛普及。另一种有效手段是利用非线性频率转换获取中红外光源，主要包括光参量振荡(OPO)和光学差频产生(DFG)两种方式。其中光参量振荡器需要复杂的谐振腔结构，且存在阈值限制问题；通过差频产生获取中红外光源变频过程无需谐振腔，并具有不受阈值限制、对晶体要求不高以及光谱带宽大等特点。随着各种新型非线性晶体材料和准相位匹配技术(QPM)的应用，基于DFG的中红外激光技术进展迅速。
DFG过程源于光学二阶非线性效应，当不同频率的两束光入射到非线性介质中，介质发生二阶非线性极化，激发产生其他频率光。通常将高频的入射光称之为泵浦光，低频的入射光称之为信号光，激发产生的新光束称之为闲频光。DFG中红外光源具有室温连续工作，线宽窄、调谐范围大等优点，可用于拓展激光辐射的输出波段。
一般非线性晶体的折射率跟着晶体中入射光频率的变化而相应发生改变，即非线性晶体具有色散特征，不同频率的光波其晶体的折射率是不相等的。在差频转换过程中，介质的色散导致相互作用的三光波传输的相速度不同，无法实现闲频光的高效转换，即相位失配问题。双折射相位匹配(BPM)和准相位匹配(QPM)是目前频率转换过程中最常用的两种相位匹配方式。BPM方法是利用介质的双折射效应抵消材料折射率的色散，从而实现相位匹配。QPM方法是利用周期性极化晶体，通过对晶体非线性极化率的周期性调制，来补偿变频过程中因折射率色散造成的相位失配。相比BPM而言，QPM 由于具有可采用多种调谐方式，灵活多样的实现稳定、宽带调谐、大功率的转换光输出等优势近年来已成为激光变频领域的研究热点。
值得注意的是，上述技术对于单波长的中红外差频产生有着很好的转换效率。但是对于一个宽带的基波而言，在非中心频带处其转换效率将会降低。非线性晶体是差频技术产生中红外辐射过程中的关键器件，根据影响差频转换效率的因素分析可知，能够进行高效差频的非线性晶体要具有较大的二阶非线性系数，并且对差频抽运光和中红外波的吸收损耗要小。对于像GaP、GaAs这类的闪锌矿型半导体，它们具有各向同性的性质，且具有光损伤阈值大，透明范围大，吸收系数小等优点，更重要的是由于其二阶非线性磁化率比铌酸锂 (PPLN)等大得多，将会获得更高的输出效率，这对高效的非线性差频过程非常有利。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于宽带差频产生过程的中红外光辐射产生系统及方法，具体而言是将准相位匹配宽带差频产生技术应用于定向图案磷化镓，解决当前中红外激光输出接受带宽窄、调谐范围小等缺点。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于差频产生过程的中红外光辐射产生系统，具体结构主要包括：泵浦光信号光产生模块、非线性介质模块以及温度控制器等；
泵浦光信号光产生模块的作用是产生需要的信号光与泵浦光波；
其中，泵浦光和信号光的产生模块的输出端与非线性介质模块的输入端相连；
非线性介质模块用于差频产生过程，以及信号光和泵浦光通过该非线性介质时产生不同频段的闲频光的叠加作用，本发明中非线性介质材料即为定向图案磷化镓。
温度控制器可用于调节磷化镓晶体的温度，调节温度范围在室温到200℃之间，采用温度调谐的方式可以在寻找到实际的匹配温度点后调节晶体温度。该温度点符合相位匹配，差频转换效率最高。
依据准相位匹配原理，合理地设计得到定向图案磷化镓的晶体周期。在QPM过程中，需对周期极化晶体的有效非线性系数进行周期调制，差频转换三波的相位失配量Δk可表示为：ΔkQPM＝kp-ks-ki-km(1)，其中,kp、ks、ki和kg分别为泵浦光、信号光、闲频光和周期结构晶体的波矢量。
进一步地，基于差频产生过程的复杂性考虑，本方法中对中红外光差频产生系统进行模拟时将分别在固定信号光和固定泵浦光的条件下进行。
为使得在一定波长范围内的所有波长都能实现高效的差频转换，在满足相位匹配的同时还应当满足群速度匹配的条件。群速度失配是在相位匹配满足前提下决定频率变换带宽的主要因素，其核心要求是相位失配量Δk在一定范围内的变化尽可能小，即是满足
Figure BDA0003233150380000041
等式(1)左右两边同时对λi进行微分得到范围内ΔkQPM的极值，围绕该极值可以在很宽的波长范围内获得宽带QPM DFG。如图2所示，以固定信号光波长为2.8μm为例，设置晶体温度为25℃时，闲频光中心波长为10.61μm处满足群速度匹配，
Figure BDA0003233150380000042
在该波长位置晶体的极化周期在附近范围内达到最大，相应地，该中心波长处的转化效率达到峰值，实现宽带差频转换。
利用特殊设计的定向图案磷化镓晶体，研究了宽带差频产生系统的闲频光接收带宽。差频输出功率正比于函数sinc2(ΔKL/2)，定义差频转化效率下降半峰值时因其相位失配的闲频光的变化量为差频接受带宽。参见图3、图4，分别显示了常温下固定信号光为 2.8μm时以及固定泵浦光为1.85μm时差频转化效率与闲频光波长之间的拟合曲线。在两种情况下，分别获得了1739.79nm和100.14nm 的接受带宽。
调节非线性晶体的温度来获得相位的精确匹配，以实现高功率转换光的差频输出。非线性晶体的温度直接影响周期Λ、折射率n 的大小，而晶体的波矢失配量Δk以及群速度失配量与波长λ，折射率n，周期Λ有直接关系。因而温度QPM接受带宽及其调谐特性是中红外DFG系统的重要性能指标。通过实验测取数据拟合了差频接受带宽与温度之间的关系。以固定信号光的情况为例，如图5所示，在特定的信号光波长及闲频光中心波长下，随着温度的上升差频接受带宽有明显的增大，如在闲频光中心波长为6.67μm处，温度从40℃上升至130℃，差频接受带宽增大了约251nm。晶体温度的这种影响作用对于固定泵浦光的情况同样存在，且由于固定泵浦光情况下满足群速度匹配的中心波长不唯一，这种影响作用在不同波段处存在一定差异。
附图说明
图1是本发明所提供的一种基于差频产生过程的中红外光辐射产生系统示意图；
图2是定向图案磷化镓晶体温度在25℃时，固定信号光波长为2.8 μm时相位失配量的微分量及晶体极化周期Λ与闲频光中心波长的关系曲线；
图3是定向图案磷化镓晶体温度在25℃时，固定信号光波长为2.8 μm时的差频转换效率与满足群速度匹配的闲频光波长的关系曲线；
图4是定向图案磷化镓晶体温度在25℃时，固定泵浦光波长为1.85 μm时的差频转换效率与满足群速度匹配的闲频光波长的关系曲线；
图5是在固定信号光的情况下，系统差频转换接受带宽在不同温度下 (以40℃、70℃、100℃、130℃为例)随闲频光波长变化的拟合曲线；
具体实施方式
选择合适的相位匹配方式。晶体的相位匹配特性是影响晶体非线性差频性能的重要因素，良好的相位匹配特性有利于降低对差频抽运光源的要求，有助于降低操作难度，也有利于提高差频转换效率。目前最常用的相位匹配技术即双折射匹配(BPM)技术和准相位匹配(QPM)技术两种。与BPM相比，准相位匹配方法在多方面都具有明盈的优势。其最大优点就是可采用多种调谐方式，灵活多样的实现稳定、宽带调谐、大功率的转换光输出。并且其克服了双折射匹配难以解决的空间走离、对差频晶体要求高的缺点。另外，对于像磷化镓、砷化镓晶体等这样的各向同性非线性介质材料，由于其没有双折射效应，准相位匹配技术其在差频过程中相位不易匹配的问题，充分地发挥这些晶体非线性系数大、对太赫兹吸收小等优点，从而有效地提高太赫兹波的产生效率。综上所述，我们选定QPM技术来实现相位匹配。
选定合适的非线性频率变换晶体。GaP晶体属于各向同性晶体，有较大的二阶非线性系数、较低的吸收系数、强的相位匹配能力，并且可以实现大尺寸、高纯度生长，价格较便宜，是用于非线性差频方法产生中红外辐射的理想晶体。并且与常用的GaAs晶体相比，在近红外区域有极低的双光子吸收系数，可以大大提高抽运光的工作效率。此外，采用GaP晶体共线方式差频产生中红外辐射时，只需改变抽运光波长即可实现宽带调谐，不仅可以增大三波相互作用的空间范围，而且不再需要旋转晶体或改变抽运光的入射角度，大大降低了操作难度。
本发明的发明人在研究中发现：差频过程与参量过程正好相反，是同时吸收两个光子合并为一个光子的过程，可以通过差频过程产生红外激光。两束抽运光通过二阶非线性效应产生频率为两者频率之差的闲频光源，由能量守恒定律可知三波角频率满足以下关系：
ωp-ωi＝ωs (2)
且三者之间应当同时满足动量守恒条件：
Figure BDA0003233150380000071
式中下标p、i和s分别表示泵浦光、闲频光和信号光。其中， |km|＝2πnm/λm(m＝p,s,i)，nm为非线性晶体的折射率。(3)式又称相位匹配条件。
依据式(3)可配置出定向图案磷化镓晶体的参数。根据光波波矢量与波长之间的定向关系可以计算得到系统中磷化镓晶体的周期为：
Figure BDA0003233150380000081
在差频转换系统中，对于一个特定的信号光(泵浦光)波长，当差频转换三波的群速度匹配时，该中心波长处的极化周期Λ达到最大值，相应地，该中心波长处的转化效率达到峰值。参见图2，晶体温度设置在25℃时固定信号光波长为2.8μm时，在闲频光中心波长为10.61μm处
Figure BDA0003233150380000082
即满足了群速度匹配，且该点处的晶体极化周期Λ＝99.14μm，为附近波段处的最大值。同时可参见图3，显示了在该点处的差频转化效率曲线，根据图像，该中心波长处的转化效率达到峰值，且实现了闲频光接受带宽为1739.79nm的宽带差频。
宽带差频产生要求一定波长范围内的所有波长都能实现高效的差频转换，因此要求相位失配量Δk在一定的波长范围内保持较小的变化，即
Figure BDA0003233150380000083
根据式(3)，可计算得到：
Figure BDA0003233150380000084
式中vgp和vgi分别为泵浦光和闲频光的群速度，显然当vgp＝vgi时
Figure BDA0003233150380000085
即满足群速度匹配条件时可实现高效宽带的差频转换。此外，当我们分别在信号光和泵浦光固定的条件下，等式(1)左右两边分别对λi进行微分可得到：
当λp为固定值时，
Figure BDA0003233150380000091
当λs为固定值时，
Figure BDA0003233150380000092
配置中红外宽带差频系统。参见图1，泵浦光信号光产生模块激发固定频率的泵浦光子和信号光子并入射到非线性介质模块中，信号光和泵浦光在非线性晶体中产生不同频段的闲频光的叠加作用，获得带宽展宽的中红外光辐射。温控器可调节晶体的温度实现温度调谐。
中红外宽带差频的产生过程。光波在定向图案磷化镓内传播时，三种不同波长的光在波导介质内传播的相速度不同，传播一段距离后会导致相位失配，从而引起差频转换效率的下降。此时利用准相位匹配的方法沿光场传播方向以lc周期，周期性调制晶体的二阶非线性电极化率用来补偿由于磷化镓晶体折射率色散导致的相位失配，使光场能量每经过一个周期加强一次，定义lc为相干长度，即相位偏离量为Δk的传播长度。如图1中磷化镓晶体的波导结构所示，图中箭头表示晶畴极化方向；Λ＝2lc表示晶格周期；L表示波导长度。在磷化镓晶体内部，以lc的奇数倍为周期，周期性地改变晶体的自发极化方向，从而在每个相干长度内，能流均能从泵浦光稱合到闲频光中，补偿了相位失配，使其在整个非线性晶体通光长度内实现相位匹配。差频过程中，在晶体L处的差频光输出功率为：
Figure BDA0003233150380000101
据此可得差频转换的效率正比于sinc2(ΔKL/2)，并且其转换效率随着偏离中心波长越远，转换效率越低。在相位失配量为0时，其转换效率达到最大。当满足
Figure BDA0003233150380000102
即差频过程转换效率下降一半，此时定义接受带宽(FWHM)为效率降到峰值一半时引起相位失配的参数变化范围。如图3所示为晶体温度设置在25℃时固定信号光波长为2.8μm时，闲频光中心波长在10.61μm时，其差频转换的闲频光接受带宽为 1739.45nm。图4所示为同样将晶体温度设置在25℃情况下固定泵浦光波长为1.85μm时其差频转换闲频光接受带宽为100.14nm，此时的闲频光中心波长在2.247μm。
探究晶体温度的变化对差频过程的影响特别是对差频转换效率的影响。此过程应当分为两步来进行讨论。
首先，温度引起的折射率改变会影响晶体的固有匹配波长范围以及
三波作用的相干长度和匹配带宽。非线性晶体的折射率是研究差频相位匹配条件的基础，而大多数晶体的折射率随温度改变会有明显变化。在周期极化晶体中，晶体的波矢失配量Δk与波长λ，折射率n，周期Λ有直接关系，而晶体温度T直接影响周期Λ、折射率n的大小，从而也对失谐量Δk产生影响。定向图案磷化镓晶体中光波的折射率方程可由下式描述：
Figure BDA0003233150380000111
其中，F＝(T-T0)(T+T0+546.30),其是一个与温度相关的变量，其余各参数为定量。
其次，晶体中光波的折射率发生变化导致差频转换三波群速度匹配中心波长和闲频光接收带宽的变化。根据式(4)及式(5)所述，相位失配量对λi的微分量与差频三波在晶体中的折射率相关，而
Figure BDA0003233150380000112
即相位失配量对λi的微分量又可转化为与泵浦波和闲频波的群速度相关的函数。因此，随着温度的变化，光波在晶体中传播的群速度也会发生变化，能够使差频三波的群速度匹配的中心波长也发生变化，相应的带宽进而变化。另外，对于GaP晶体共线差频来说，在常温下只在特定的抽运光波长范围内才满足相位匹配条件，如果没有这一范围内的高效抽运源，只能用其它波长，这样会在一定程度上损失相干长度，使得差频转换效率降低。在差频过程中，通常采用调节非线性晶体的温度来获得相位的精确匹配，实现高功率转换光的差频输出。通过改变GaP晶体的温度测试了同等条件下差频转换的闲频光接受带宽，实验结果说明，GaP晶体温度的改变对闲频光的接收带宽有着明显的影响。如图5所示为信号光固定的情况下，依次设定温度为40℃、70℃、100℃和130℃时，其接收带宽随温度的上升有着较为明显的增大。应当说明，该接受带宽数据的测定是在设定不同的信号光波长，闲频光的中心波长均满足群速度匹配的条件下进行的。另外，在固定泵浦光波长进行研究时，晶体温度的改变同样对接受带宽有着改变作用，但此情况下温度的影响作用更为复杂，在不同的光波辐射区域差频转换接受带宽对温度的依赖性并不完全相同。
通过调节中红外宽带差频产生系统中温控器的温度可实现晶体的温度调节。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于定向图案磷化镓的宽带差频产生方法及系统。其特征在于：该系统包括信号光和泵浦光发生器、非线性介质模块和温控器模块。所述非线性介质模块为定向图案磷化镓晶体，所述温控器连接非线性介质模块用于控制晶体温度。
2.按照权利要求1所述，其特征在于：所述非线性介质模块可由其他满足相位匹配的非线性晶体或者两个及多个级联的具有不同相位匹配中心波长的二阶非线性晶体所代替。
3.按照权利要求1所述，其特征在于：在固定信号光或泵浦光的任一种情况下，满足群速度匹配的中心波长处可实现高效宽带差频产生。
4.按照权利要求3所述，当温度为25℃时，固定信号光波长为2.8μm时，闲频光中心波长在10.61μm处晶体极化周期为99.14μm。
5.按照权利要求3所述，当温度为25℃时，固定信号光波长为2.8μm时，闲频光中心波长在10.61μm处差频接受带宽为1739.79nm。
6.按照权利要求3所述，当温度为25℃时，固定泵浦光波长为1.85μm时，闲频光中心波长在2.247μm处差频接受带宽为100.14nm。
7.按照权利要求1所述，可通过控制非线性晶体温度来调谐差频接受带宽。
8.按照权利要求7所述，在固定信号光情况下非线性晶体的温度上升会引起差频接受带宽的增大。
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