CN114114782B - 基于界面近邻效应的位相匹配方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于界面近邻效应的位相匹配方法，采用非线性材料与另一材料紧密贴合形成界面，利用两种材料的折射率和色散的差异补偿紫外波段的位相失配量。本发明利用不同材料反射端面处(非线性作用区域)的折射率差异，由界面两侧材料分别提供非线性相互作用的波矢，突破单一非线性材料的色散特性局限，从而在完全位相匹配条件下实现更短波长(紫外，甚至深紫外)的非线性谐波输出。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种非线性光学领域的技术，具体是一种基于界面近邻效应的位相匹配方法。
背景技术
准相位匹配是一种突破双折射位相匹配的频率转换短波极限的改进方案，即通过周期性结构引入倒格矢来补偿原本的位相失配量。然而由于现有紫外晶体在短波紫外区域相位失配量过大，需要提供较大的倒格矢(即要求晶体的极化周期足够小)，而现有加工工艺无法制备出满足需求的高质量的周期结构。所以传统的准相位匹配也遇到了瓶颈。若要在深紫外波段满足位相匹配，需要寻求新的位相匹配思路。
非线性界面是一种可以增强的谐波输出的特殊区域。非线性界面是非线性系数发生突变的介质区域，例如铁电畴壁、晶体表面或是两种材料紧密贴合的交界面。这种非线性界面上存在较强的极化波局域调制。现有的基于晶体界面的非线性频率转换的相关研究，其重点目标基本都是让界面两侧的非线极化率的差异增大，使得局域调制增强，从而令单个晶体内部的频率转换过程效率出现较明显的增强。但已有的方法并不会改变该非线性频率转换自身所适用的波长范围，即在位相失配的短波波段内，并不能借助以往的研究成果实现完全位相匹配。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于界面近邻效应的位相匹配方法，利用不同材料反射端面处(非线性作用区域)的折射率差异，由界面两侧材料分别提供非线性相互作用的波矢，突破单一非线性材料的色散特性局限，从而在完全位相匹配条件下实现更短波长(紫外，甚至深紫外)的非线性谐波输出。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于界面近邻效应的位相匹配方法，采用非线性材料与另一材料紧密贴合形成界面，利用两种材料的折射率和色散的差异补偿紫外波段的位相失配量。
所述的紧密贴合，采用但不限于压合(如利用光胶现象)或键合等方式，实现两材料表面之间的距离与光波长相匹配。
所述的两种材料，包括排斥紫外波段输出的入射材料和用于紫外波段输出的出射材料，其中：出射材料的透光波段适宜所需紫外谐波的输出，但受到材料色散规律的限制而无法在该紫外波长下达到位相匹配(例如：BBO、CLBO、LBO等在真空紫外波段的情况)；入射材料在非线性材料中拥有高折射率的特性(例如铌酸锂、钽酸锂或其掺杂晶体等)，并且对泵浦光波段透光。
所述的入射材料为化学计量比的铌酸锂(LN)、钽酸锂(LT)晶体或其掺杂。
所述的出射材料为β-偏硼酸钡(BBO)、硼酸铯锂(CLBO)或三硼酸锂(LBO)。
本发明涉及一种实现上述方法的位相匹配装置，包括：依次设置的光泵浦、光学镜片、复合材料以及成像端，其中：复合材料由入射材料和出射材料组成，光泵浦输出的激光从入射材料入射，通过调节复合材料位姿，使得入射光波矢与反射光波矢恰好与出射材料内的出射谐波波矢构成三角形的位相匹配，从而打破单独入射或出射材料中的原有相位匹配关系。
所述的入射光在入、出射材料的交界处发生全反射，由于两种材料的紧密贴合以及倏逝波的传递，可产生非线性极化，从而辐射出非线性谐波。
优选地，所述的光泵浦进一步输出两个入射光波矢，从复合材料的界面两侧入射于界面上一点，并激发出射材料中的非线性极化波，进而输出非线性谐波，打破单一非线性材料的紫外极限。
本发明通过结合两种材料折射率特点的非线性界面，构造出突破单材料位相匹配(折射率匹配)局限性的新型位相匹配机制。这种位相匹配，分别结合了两种晶体材料所对应的泵浦波矢与谐波波矢，可有效弥补单种材料中容易出现的泵浦波矢过短或谐波波矢过长的问题。相比现有其它改善晶体内频率转换的方法，本发明可以提供不存在于单个非线性晶体的非线性频率转换过程，并且可以在很多已有的技术构型的基础上实施，是对常规的紫外频率转换手段更进一步的提升。本发明也可以让更多非紫外波段的材料也有潜力应用于紫外谐波的生成中，扩大了很多非线性材料的应用范围。
附图说明
图1为本发明位相匹配形式示意图；
图中：(a)倍频情况下；(b)和频情况；
图2为倍频实施例场景示意图；
图中：(a)为实施例光路；(b)为基于β-BBO和掺镁铌酸锂(MgO：LN)晶体或钽酸锂晶体及其掺杂晶体压合材料的倍频示意图；
图3为和频实施例场景示意图；
图中：(a)为实施例光路；(b)为基于β-BBO和钽酸锂晶体压合材料的和频示意图。
具体实施方式
实施例
如图2所示，本实施例涉及一种采用化学计量比的掺镁5mol%铌酸锂(MgO:LN)和β-偏硼酸钡(BBO)分别作为入、出射材料，通过压合紧密地贴在一起形成的倍频界面，其中：BBO材料适用于紫外波段的输出，其透光波长最短可至189 nm，晶体内通过双折射效应倍频，输出二次谐波波长最短仅能到达205 nm(在更短紫外波段)；化学计量比的铌酸锂及其掺杂晶体透明波段的下限约为300 nm，不适用于紫外非线性频率转换。但铌酸锂及其掺杂晶体具有较大的折射率，可提供基频光波矢/>的值比在BBO内部更大，若以非共线的形式用于匹配BBO内的/>，则可将倍频的截止波长向短波方向继续延伸。
如图3(b)所示，本实施例通过对掺镁铌酸锂的入射面做切面加工，保证在所需的紫外波段内可以达到完全位相匹配条件。
所述的切面加工，采用的晶体切角为60°，可以保证对于掺镁铌酸锂在透明波段范围的短波段，泵浦光均能通过转动调节以恰当的角度到达晶体界面处。
基频光以非常光(extraordinary light，e光)偏振态(相对MgO: LN而言)从切面入射，在两种材料的界面处发生反射，基频光的入射波矢与反射波矢共同在界面处激发非线性极化波。BBO晶体内沿着界面方向的倍频光波矢以寻常光(ordinary light，o光)偏振态(对BBO而言)出射，此时两种材料所应用到的非线性系数分别是和/>。LN与BBO的二阶非线性系数之间存在较大落差，根据以往的研究报道，这种非线性系数发生阶跃的区域对倍频过程也将具有增强效果，可以进一步助益紫外波段的频率转换效果。
本实施例涉及上述装置的位相匹配方法，在选定的基频波长下，通过转动复合材料调节基频光在MgO: LN内的入射角找到特定的位相匹配点；在位相匹配点下，非共线的等腰三角形的位相匹配形式恰好满足，与图1(a)中的情况相符合，倍频输出达到最强，实际可观察到该倍频是贴着材料界面出射的。而当基频波长缩短至400nm时，单个BBO自身已无法实现晶体内部的位相匹配；若将泵浦光由BBO端入射到样品的界面上，完全位相匹配也不能实现；而本发明中提出的新型位相匹配仍然适用，此时，在晶体内部基频光与界面的理想夹角为36.5°，即基频对MgO:LN入射端面的外部入射角为15.5°，与非线性界面夹角45.5°，且仍具有很高的转换效率。当基频波长缩短至378nm，对应倍频波长189nm时，此时，在晶体内部的基频光与界面的理想夹角为36.3°，即基频对MgO: LN入射端面的外部入射角为15.4°，与非线性界面夹角45.4°。
经过具体实际实验，通过上述的构型进行界面上的倍频，该复合材料的倍频截止波长将从BBO材料原有的205nm延伸至150nm，完全可以覆盖BBO的紫外透过波段。
实施例
如图3所示，本实施例在实施例1的基础上进一步增加和频界面，该界面采用化学计量比的LT晶体和β-BBO晶体作为入、出射材料通过压合紧密贴在一起，其中：BBO晶体自身可倍频的截至波长，未能完全覆盖至其紫外吸收边界189nm。化学计量比的LT的透光波段下限为260nm，所以在设定和频(三倍频)光波长为189nm的情况下，LT晶体产生567nm基频光和283.5nm倍频光波矢，其和频的位相匹配形式如图1(b)所示。
当采用与MgO:LN具有相同的端面切角与光轴取向，则在基频光波长为189nm时，LT晶体内部基频光与界面的理想夹角为32.3°，即频对MgO: LN入射端面的外部入射角为5.3°，与非线性界面夹角35.3°。
如图3(a)所示，用于倍频的晶体可以是KDP、LBO等常用晶体，到达压合界面的567nm基频光相对于LT晶体的偏振态为e光偏振态，而283.5nm倍频光为o光偏振态，从BBO晶体一侧出射的和频光偏振态相对于BBO为o光偏振态。
根据上述材料以及耦合光波偏振态的条件，可以从理论上得知，达到位相匹配时，基频光与倍频光在LT晶体内与界面的夹角为67°，所以对LT晶体的入射端面切角设计为23°， 可使基频光与倍频光的合束以正入射端面的形式进入LT晶体中，并在界面上反射，产生和频过程。
从BBO晶体出射的189nm和频光，其与非线性界面的内部夹角为12.2°，外部出射夹角则为24.4°。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (8)
1.一种基于界面近邻效应的位相匹配方法，其特征在于，采用非线性材料与另一材料紧密贴合形成界面，利用两种材料的折射率和色散的差异补偿紫外波段的位相失配量；
所述的两种材料，包括排斥紫外波段输出的入射材料和用于紫外波段输出的出射材料；
所述的入射材料为化学计量比的铌酸锂(LN)及其掺杂晶体或钽酸锂(LT)及其掺杂晶体；所述的出射材料为β-偏硼酸钡(BBO)、硼酸铯锂(CLBO)或三硼酸锂(LBO)；
所述的紧密贴合，采用压合或键合，实现两材料表面之间的距离与光波长相匹配。
2.根据权利要求1所述的基于界面近邻效应的位相匹配方法，其特征是，所述的出射材料的透光波段适宜所需紫外谐波的输出，但受到材料色散规律的限制而无法在该紫外波长下达到位相匹配；入射材料在非线性材料中拥有高折射率的特性，并且对泵浦光波段透光。
3.根据权利要求1所述的基于界面近邻效应的位相匹配方法，其特征是，所述的铌酸锂(LN)及其掺杂晶体为掺镁5mol%铌酸锂(MgO:LN)。
4.根据权利要求1~3中任一所述的基于界面近邻效应的位相匹配方法，其特征是，所述的位相匹配包括：倍频情况下，入射材料中基频光的入射反射波矢与出射材料中倍频光波矢/>构成等腰三角形的位相匹配，倍频光将从出射材料沿界面出射以及和频情况下，入射材料中输入光波矢/>，/>与和频光波矢/>构成非共线位相匹配，和频光从出射材料输出。
5.一种实现权利要求1~4中任一所述方法的位相匹配装置，其特征在于，包括：依次设置的光泵浦、光学镜片、至少一个复合材料以及成像端，其中：复合材料由入射材料和出射材料组成，光泵浦输出的激光从入射材料入射，通过调节复合材料位姿，使得入射光波矢与反射光波矢恰好与出射材料内的出射谐波波矢构成三角形的位相匹配，从而打破单独入射或出射材料中的原有相位匹配关系；
所述的入射光在入、出射材料的交界处发生全反射，由于两种材料的紧密贴合以及倏逝波的传递，可产生非线性极化，从而辐射出非线性谐波。
6.根据权利要求5所述的位相匹配装置，其特征是，所述的光泵浦进一步输出两个入射光波矢，从复合材料的界面两侧入射于界面上一点，并激发出射材料中的非线性极化波，进而输出非线性谐波，打破单一非线性材料的紫外极限。
7.根据权利要求5或6所述的位相匹配装置，其特征是，当入射材料为铌酸锂(LN)及其掺杂晶体时，切面加工采用的晶体切角为60°以保证泵浦光能通过转动调节以恰当的角度到达晶体界面处。
8.根据权利要求5或6所述的位相匹配装置，其特征是，当入射材料为钽酸锂(LT)及其掺杂晶体时，所述的复合材料的晶体切角为23°以保证基频光与倍频光的合束以正入射端面的形式进入LT晶体中，并在界面上反射产生和频。
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| GR01 | Patent grant | ||
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