CN115632300A - 一种产生可调谐窄带激光的方法 - Google Patents

一种产生可调谐窄带激光的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115632300A
CN115632300A CN202211253420.1A CN202211253420A CN115632300A CN 115632300 A CN115632300 A CN 115632300A CN 202211253420 A CN202211253420 A CN 202211253420A CN 115632300 A CN115632300 A CN 115632300A
Authority
CN
China
Prior art keywords
crystal
pump light
nonlinear
incident
light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202211253420.1A
Other languages
English (en)
Inventor
李志远
李晓霓
邱雅婷
洪丽红
陈宝琴
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
South China University of Technology SCUT
Original Assignee
South China University of Technology SCUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South China University of Technology SCUT filed Critical South China University of Technology SCUT
Priority to CN202211253420.1A priority Critical patent/CN115632300A/zh
Publication of CN115632300A publication Critical patent/CN115632300A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0092—Nonlinear frequency conversion, e.g. second harmonic generation [SHG] or sum- or difference-frequency generation outside the laser cavity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10053—Phase control
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/005—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S5/0092—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping for nonlinear frequency conversion, e.g. second harmonic generation [SHG] or sum- or difference-frequency generation outside the laser cavity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/0604—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium comprising a non-linear region, e.g. generating harmonics of the laser frequency

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

本发明公开了一种产生可调谐窄带激光的方法，利用准相位匹配技术，通过泵浦光源斜入射非线性极化晶体进行倍频过程，所述泵浦光源为可调谐纳秒激光光源，采用波长为1064nm的泵浦光正入射极化晶体，改变泵浦光入射非线性极化晶体的角度，计算相应泵浦光入射波长，使得输出的二次谐波实现在532nm～552.8nm波段高效可调谐。本发明基于单块非线性极化晶体实现可调谐波长输出是利用准相位匹配技术，能有效克服双折射相位匹配技术在材料选择苛刻、非线性系数小，短波极限等局限性，提高非线性转换效率；另外，晶体具有结构简单、性能稳定不易潮解、易于制备、设计灵活等优点。本发明可广泛应用于激光技术、非线性频率变换技术领域。

Description

一种产生可调谐窄带激光的方法
技术领域
本发明涉及激光技术、非线性频率变换技术领域，尤其涉及一种产生可调谐窄带激光的方法。
背景技术
激光凭借其亮度高、相干性强以及单色性与方向性好等特性被广泛应用在国防军事、新型能源、通讯系统等领域。然而激光输出的波长与其应用范围紧密相连，在技术发展和光源要求下，拓宽激光输出的波长范围是激光技术研究的趋势之一，非线性频率转换成为拓宽激光频率的有效途径。
在非线性频率转换过程中，利用双折射相位匹配技术和准相位匹配技术是最常用的技术手段。双折射相位匹配技术是利用单轴或双轴非线性晶体的双折射效应和色散特性，通过选择光波的波矢方向和偏振方向来实现的，存在材料选择苛刻、非线性系数小，短波极限等局限性。准相位匹配技术则是通过周期性改变非线性介质的极化方向来对介质的二阶极化率进行空间调制，以此补偿由于材料色散效应引起的相位差。在实际应用中，准相匹配技术只需要根据条件设计并制备相应结构的极化晶体，即可简单实现波长转换。与双折射相位匹配技术相比，准相位匹配技术具有的优势包括：不要求入射光束是正交的、可利用晶体最大非线性系数、实现调谐方式灵活多样，比如温度调谐，极化周期调谐，基波波长调谐等。
随着光子晶体的发展，铌酸锂(LiNbO3,LN)，其凭借低吸收损耗、宽透明窗口、高二阶非线性系数、易于生长、价格便宜、性能稳定不易潮解等众多优点，享有“光学硅”之称，成为非线性频率转换的重要光学材料，可覆盖从紫外到中红外的宽光谱范围。相比于二维、三维的铌酸锂超晶格制备，一维的铌酸锂超晶格制作更为简单，对材料和设计加工的要求也较低。在准相位匹配技术下，利用单块周期极化晶体实现可调谐窄带波长输出的研究尚未普遍，通常单块周期极化铌酸锂晶体在泵浦光正入射时只能实现特定的波长转换，设计多块周期极化铌酸锂晶体实现波长可调谐输出则会增加生产成本，实验过程中也需频繁更换晶体装置。
发明内容
为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于通过一种产生可调谐窄带激光的方法
本发明所采用的技术方案是：
一种产生可调谐窄带激光的方法，利用准相位匹配技术，通过泵浦光源斜入射非线性极化晶体进行倍频过程，所述泵浦光源为可调谐纳秒激光光源，包括以下步骤：
步骤1：基于非线性极化晶界面的反射与透射，根据倍频过程中泵浦光与二次谐波在非线性极化晶体中的折射率色散公式，推导泵浦光以TE偏振模式不同角度入射非线性极化晶体产生的相位失配量；
步骤2：计算泵浦光正入射非线性极化晶体时的相位失配量，根据相位失配量设计非线性极化晶体的结构，确定非线性极化晶体的参数；参数包含晶体长度、宽度、厚度、极化周期以及正负畴结构等；
步骤3：根据准相位匹配条件，旋转非线性极化晶体，以改变泵浦光入射非线性极化晶体的角度；计算相应的泵浦光入射波长，通过入射不同波长的基频光，求解非线性耦合波方程组，获得对应的不同二次谐波转换效率，在单块晶体中实现产生可调谐窄带激光。
进一步地，所述TE偏振模式指的是振动方向平行于晶轴z轴，透射进入极化晶体中的光为非寻常光(e光)，使用非寻常光可利用极化晶体的最大非线性极化张量以提高转换效率。
进一步地，泵浦光斜入射非线性极化晶体过程中，假定晶体的x方向相位匹配，晶体的y方向相位失配，仅考虑y方向发生非线性频率转换，利用极化晶体提供的倒格矢结构实现准相位匹配。
进一步地，所述非线性极化晶体采用铁电晶体材料制作，所述铁电晶体材料为铌酸锂、掺杂MgO的铌酸锂或者钽酸锂晶体材料。
进一步地，所述非线性极化晶体为5％ MgO掺杂的周期极化铌酸锂晶体(PPLN)，所述周期极化铌酸锂晶体z向切割，上下两表面平行且抛光；所述周期极化铌酸锂晶体z向切割，上下两表面平行且抛光，规格为长(y)10mm，宽(x)5mm，厚度(z)为1mm；
所述周期极化铌酸锂晶体包含多个固定长度的极化周期，所述极化周期中，每一个极化周期由一对极化方向相反、长度相等的正畴和负畴组成即Λ＝l++l-，所述正负畴分别代表该区域二阶非线性系数的符号。
进一步地，在步骤1中，具体通过通过以下方式推导相位失配量：
考虑非线性极化晶界面的反射与透射，假定x方向相位匹配，利用Sellmeier方程推导泵浦光斜入射周期极化晶体时y方向产生的相位失配量：
Figure BDA0003888880450000021
其中，α为泵浦光入射晶体的角度，λ1为基频光波长，
Figure BDA0003888880450000031
分别为基频光与二次谐波对应的折射率。
进一步地，所述泵浦光的波长为1064nm；
所述泵浦光正入射极化晶体时，泵浦光入射晶体的角度α＝0°，对应泵浦光入射波长为1064nm，通过计算y方向的相位失配量Δky，得到周期极化晶体提供的倒格矢Gm＝Δky。
进一步地，所述周期极化晶体提供的倒格矢
Figure BDA0003888880450000032
其中m为准相位匹配的阶数，Λ为晶体设计的周期；
通过改变泵浦光入射非线性极化晶体的角度，计算相应泵浦光入射波长，使得输出的二次谐波实现在532nm～552.8nm波段高效可调谐。
进一步地，在步骤3中，保持泵浦光正入射周期极化晶体，计算得到的相位失配量不变，旋转非线性极化晶体以改变泵浦光入射晶体的角度α，其中α变化范围为0°～90°，根据相位失配量公式计算泵浦光随角度改变的入射波长。
进一步地，在步骤3中，采用以下非线性耦合波方程组求解二次谐波的转换效率：
Figure BDA0003888880450000033
Figure BDA0003888880450000034
其中，E1(y)、E2(y)分别为基频光和二次谐波的电场振幅，
Figure BDA0003888880450000035
为空间变化的二阶非线性系数，c为光速，
Figure BDA0003888880450000036
分别表示y方向基频波和二次谐波的波矢。
本发明的有益效果是：本发明基于单块非线性极化晶体实现可调谐波长输出是利用准相位匹配技术，能有效克服双折射相位匹配技术在材料选择苛刻、非线性系数小，短波极限等局限性，提高非线性转换效率。同时整个过程无需设计多块不同周期极化晶体，避免级联耦合的界面损耗，也大大降低生产成本，简化实验过程；使用的晶体具有结构简单、性能稳定不易潮解、易于制备、设计灵活等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1是本发明实施例中周期极化铌酸锂晶体的示意图；其中，图1(a)为泵浦光斜入射周期极化铌酸锂晶体模型示意图，图1(b)为晶体的结构设计图；
图2是本发明实施例中泵浦光斜入射周期极化铌酸锂晶体的光线偏折平面示意图；其中图2(a)是泵浦光小角度斜入射晶体的示意图；图2(b)是泵浦光大角度斜入射晶体的示意图；
图3是本发明实施例中计算得到泵浦光斜入射周期极化铌酸锂晶体的光波长可调谐范围变化示意图；
图4是本发明实施例中泵浦光正入射周期极化铌酸锂晶体的倒格矢分布图以及对应的相位失配曲线图；
图5是本发明实施例中泵浦光斜入射周期极化铌酸锂晶体的倒格矢分布图以及对应的相位失配曲线图；其中，图5(a)为泵浦光20°斜入射晶体时的倒格矢分布图以及对应的相位失配曲线图，图5(b)为泵浦光40°斜入射晶体时的倒格矢分布图以及对应的相位失配曲线图，图5(c)为泵浦光60°斜入射晶体时的倒格矢分布图以及对应的相位失配曲线图，图5(d)为泵浦光80°斜入射晶体时的倒格矢分布图以及对应的相位失配曲线图；
图6是本发明实施例中计算得到不同入射角度下透射进入晶体内部的基频光电场振幅变化示意图；
图7是本发明实施例中泵浦光正入射周期极化铌酸锂晶体产生二次谐波的转换效率示意图；
图8是本发明实施例中泵浦光斜入射周期极化铌酸锂晶体产生二次谐波的转换效率示意图；其中，图8(a)为泵浦光20°斜入射晶体产生二次谐波的转换效率示意图，图8(b)为泵浦光40°斜入射晶体产生二次谐波的转换效率示意图，图8(c)为泵浦光60°斜入射晶体产生二次谐波的转换效率示意图，图8(d)为泵浦光80°斜入射晶体产生二次谐波的转换效率示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
一般而言，一维铌酸锂晶体将比二维在非线性频率转换效率更高，设计多维晶体结构能够实现多方向波长可调谐但转换效率在一定程度会受到限制，制备工艺也比较复杂，除非目的是考虑设计特殊或复杂结构以实现功能优化，因此一维周期极化铌酸锂(PPLN)晶体是准相位匹配中广泛应用且首选的超晶格结构之一。采用掺杂MgO的PPLN晶体，可以保留铌酸锂晶体固有的优点，又可提高二阶非线性系数与光损伤阈值，降低极化电压，在一定程度上可增大其通光孔径，受到人们选择晶体实现准相位匹配时的青睐。
现阶段，常见实现宽带可调谐波长输出的方法是基于一维啁啾周期极化晶体，若利用多块极化铌酸锂晶体级联产生宽带谐波则会造成晶体界面耦合损耗问题。而在准相位匹配技术下，利用单块周期极化晶体实现可调谐窄带波长输出的研究尚未普遍，通常单块周期极化铌酸锂晶体在泵浦光正入射时只能实现特定的波长转换，设计多块周期极化铌酸锂晶体实现波长可调谐输出则会增加生产成本，实验过程中也需频繁更换晶体装置。此外，考虑晶体界面的反射与透射，在准相位匹配技术下探究泵浦光不同角度入射极化晶体对转换效率的影响仍很少受到关注。因此，通过建立泵浦光斜入射周期极化晶体界面时的有效非线性系数模型，利用单块周期极化铌酸锂晶体实现高效可调谐窄带激光，是扩宽非线性光学频率转换的重要环节。
基于此，本实施例提供一种基于单块极化铌酸锂晶体产生可调谐窄带激光的方法，该方法利用准相位匹配技术，通过泵浦光源斜入射非线性极化晶体进行倍频过程，所述泵浦光源为可调谐纳秒激光光源，采用波长为1064nm的泵浦光正入射极化晶体，改变泵浦光入射非线性极化晶体的角度，计算相应泵浦光入射波长，使得输出的二次谐波实现在532nm～552.8nm波段高效可调谐；具体步骤如下：
步骤S1：考虑界面的反射与透射，根据倍频过程中泵浦光与二次谐波在极化晶体中的折射率色散公式，推导泵浦光以TE偏振模式不同角度入射非线性极化晶体产生的相位失配量公式。
步骤S2：计算泵浦光正入射非线性极化晶体时的相位失配量，根据相位失配量设计非线性极化晶体结构，确定极化晶体具体参数，包含晶体长度、宽度、厚度、极化周期以及正负畴结构。
步骤S3：根据准相位匹配条件，旋转非线性极化晶体以改变泵浦光入射晶体的角度，计算相应泵浦光入射波长，通过入射不同波长的基频光，实现窄带二次谐波的波长转换，获得对应的不同波长光产生效率，在单块晶体中实现产生可调谐窄带激光。
本实施例中，图1(a)给出了泵浦光斜入射周期极化铌酸锂晶体模型示意图。如图1(a)所示，泵浦光波矢ki在XY平面与y轴以一定的角度α入射，偏振模式是TE偏振，其中波矢ki始终与晶轴z轴保持90°，进入晶体内部的光是e光，考虑界面的反射与透射，透射进入晶体内部的光为基频光。本发明采用5％ MgO掺杂的周期极化铌酸锂晶体作为接收泵浦光斜入射产生窄带可调谐激光。为了方便理解，图1(b)设计晶体结构与图4、图5倒格矢的概念，我们这里一并进行说明。周期极化铌酸锂晶体包含多个固定长度的极化周期，每一个极化周期由一对极化方向相反、长度相等的正畴和负畴组成，正负畴分别代表该区域二阶非线性系数的符号。周期极化铌酸锂晶体的倒格矢为一系列周期间隔的分立峰，因此只能为特定波长的激光实现非线性频率转换提供有效的相位补偿，分别称为一阶、二阶、三阶等准相位匹配，准相位匹配的阶数可以根据实验需求调整选择。从实际需求出发，根据泵浦光正入射极化晶体所对应的光波长，在假定x方向相位匹配，由以下公式计算y方向的相位失配量：
Figure BDA0003888880450000061
其中α为泵浦光入射晶体的角度，λ1为基频光波长，
Figure BDA0003888880450000062
分别为基频光与二次谐波对应的折射率。
设计周期极化晶体结构以提供的倒格矢Gm＝Δky，其中
Figure BDA0003888880450000063
m为准相位匹配的阶数，Λ为晶体设计的周期。进一步地，图1(b)给出了实施例中周期极化铌酸锂晶体的结构设计图。如图1(b)所示，设计的晶体规格为长度10mm，宽度5mm，厚度1mm，本发明中晶体的规格也可根据实际调整。根据泵浦光正入射极化晶体即α＝0°时对应光波长为1064nm，计算得到相位失配量为0.901μm-1，在一阶准相位匹配下得到晶体极化周期6.974μm，灰色和白色分别代表着正负畴区域，其长度相等，晶体z向切割，上下两表面平行且抛光。
本实施例中，泵浦光源为可调谐纳秒激光光源，图2给出了考虑界面反射与透射，泵浦光斜入射周期极化铌酸锂晶体的光线偏折平面示意图。需要说明的是，本发明中作为泵浦光的激光光源并不限于中心波长为1064nm的可调谐纳秒激光光源，例如，也可以是中心波长为800nm的飞秒脉冲激光光源等。由于激光器输出光具有一定带宽，因此光源入射晶体内部也不局限于单一波长，可接受一定带宽的泵浦光输入。在不脱离本发明构思的前提下，中心波长和激光光源还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。泵浦光透射进入极化晶体中的光为e光，如图2(a)所示，当入射角度偏小时，入射位置选取极化晶体最左侧的中心(0，2.5)，可以观察到0°～30°基频光在晶体内部y方向上相互作用长度均相等，且可贯穿整个晶体的长度10mm。如图2(b)所示，当入射角度偏大时，可针对泵浦光入射晶体位置进行调整以有效增加非线性相互左右长度，本实例中选取晶体最左侧距离晶体下边缘1mm处(0，1)为入射点，可以看到40°～50°入射时基频光在晶体内部y方向上相互作用长度均可贯穿整个晶体的长度达到10mm，而60°～80°入射时基频光在晶体内部y方向上相互作用长度逐渐变短，当为80°入射时y方向经过晶体实际长度为7.74mm。特殊情况是，当泵浦光90°入射晶体时，由于x方向相位匹配，结构上没有提供对应的倒格矢，因此不发生频率转换。根据泵浦光在不同入射角度下晶体内的偏折，可知道泵浦光在y方向上经过晶体实际距离和畴结构坐标。
本实施例中，泵浦光斜入射周期极化铌酸锂晶体的光波长可调谐范围变化如图3所示，在保持泵浦光正入射周期极化晶体计算得到的相位失配量不变，旋转非线性极化晶体以改变泵浦光入射晶体的角度，其中α变化范围为0°～90°，依据相位失配量公式计算泵浦光随角度改变的入射波长，对应分别为1064.0nm～1105.6nm，带宽约为41.6nm。可以看出，随着入射角度的增大，泵浦光波长也随之增加，对应二次谐波输出波长范围为532.0nm～552.8nm，带宽约为20.8nm。
进一步作为可选的实施方式，本实施例中，图4示出了泵浦光正入射周期极化铌酸锂晶体的倒格矢分布以及对应的相位失配曲线；其中，横坐标为倒格矢的数值；左侧纵坐标为有效的非线性系数，右侧纵坐标为补偿相位匹配的波长。如图4所示，倒格矢尖峰所对应的横坐标值为0.901μm-1，与计算的相位失配量相等，对应的傅里叶系数为2/π；配合倍频相位失配曲线与倒格矢分布曲线的交点，可知中心波长为1064nm，因此该结构能补偿1064nm泵浦光正入射晶体的倍频过程。图5示出了泵浦光斜入射周期极化铌酸锂晶体的倒格矢分布图以及对应的相位失配曲线；这里选取泵浦光20°、40°、60°、80°斜入射晶体作为分析，其倒格矢分布图以及对应的相位失配曲线分别如图5(a)、图5(b)、图5(c)和图5(d)所示。
可以看出，倒格矢尖峰所对应的横坐标值仍为0.901μm-1，根据相位失配曲线与倒格矢分布曲线的相交处确定所对应的中心波长分别为1068.2nm、1079.7nm、1093.9nm、1104.1nm，这与图3所示的计算结果相吻合，该晶体结构补偿的泵浦光的波长随着入射角增大而增加。需要说明的是，为了缩小泵浦光在晶体中相互作用长度随着入射角度增大的差距以提高转换效率，泵浦光在晶体界面的入射位置可以有所调整，因此图4与图5中不同入射角度下倒格矢对应的傅里叶系数数值相近。
本实例中，设定泵浦光入射的电场振幅E0(y)为6×106V/m，实际过程也可对电场振幅和输入光功率进行调节。根据界面透射系数
Figure BDA0003888880450000081
计算不同入射角度下透射的基频光电场振幅，图6示出了不同入射角度下透射进入晶体内部的基频光电场振幅变化示意图。如图6所示，基频光电场振幅随着入射角度增大而逐渐减小；当正入射时透射进入晶体的基频光电场E1(y)为3.81×106V/m，当入射角度为90°时，基频光电场E1(y)为0。需要说明的是，由于周期极化铌酸锂晶体在旋转90°后未能提供结构实现准相位匹配，因此实际中不考虑入射角度为90°的情况。
进一步作为可选的实施方式，所述步骤S3中，为了求解二次谐波的转换效率，利用一下非线性耦合波方程组进行求解：
Figure BDA0003888880450000082
Figure BDA0003888880450000083
其中，E1(y)、E2(y)分别为基频光和二次谐波的电场振幅，
Figure BDA0003888880450000084
为空间变化的二阶非线性系数，c为光速，
Figure BDA0003888880450000085
分别表示y方向基频波和二次谐波的波矢。铌酸锂晶体的非线性系数
Figure BDA0003888880450000086
为27.2pm/V，每一单波长泵浦光输入电场强度均假设为6×106V/m，由于周期极化铌酸锂晶体界面的透射，进入晶体内的基频光电场强度将随入射角度而改变，根据对耦合波方程组求解后，得到产生二次谐波的转换效率。需要说明的是，基于本发明的构思不局限于倍频实验，还可进一步调整为和频、差频、多倍频，并求解输出波长的转换效率。图7示出了泵浦光正入射周期极化铌酸锂晶体产生二次谐波的转换效率，其结果为87.6％。如图8所示为泵浦光斜入射周期极化铌酸锂晶体产生二次谐波的转换效率；其中图8(a)、图8(b)、图8(c)、图8(d)分别是泵浦光20°、40°、60°、80°斜入射晶体时产生二次谐波的转换效率，其结果分别为86.6％、82.5％、61.5％、13.3％。如上所述，在入射角度小范围增加时，由于基频光在极化晶体内部相互作用长度近似相等，并且经过界面透射进入晶体内的电场强度E1(y)递减比较慢，因此产生二次谐波的转换效率接近。然而，随着入射角度逐渐增加，一方面由于基频光在晶体内部的相互作用长度明显变短，另一方面进入晶体内的电场强度E1(y)递减比较快，因此可观察到二次谐波的转换效率明显减小。
由上可知，本实施例提供一种基于单块极化铌酸锂晶体产生可调谐窄带激光的方法，该方法利用准相位匹配技术，通过泵浦光源斜入射非线性极化晶体进行倍频过程，所述泵浦光源为可调谐纳秒激光光源，采用波长为1064nm的泵浦光正入射极化晶体，改变泵浦光入射非线性极化晶体的角度，计算相应泵浦光入射波长，使得输出的二次谐波实现在532nm～552.8nm波段高效可调谐。所述泵浦光采用TE偏振模式，透射进入极化晶体中的光为e光，所述极化晶体为5％ MgO掺杂的周期极化铌酸锂晶体。本发明基于单块周期极化晶体实现可调谐波长输出是利用准相位匹配技术，能有效克服双折射相位匹配技术在材料选择苛刻、非线性系数小，短波极限等局限性，提高非线性转换效率。同时整个过程无需设计多块不同周期极化晶体，避免级联耦合的界面损耗，也大大降低生产成本，简化实验过程；使用的晶体具有结构简单、性能稳定不易潮解、易于制备、设计灵活等优点。
综上所述，本发明实施例相对于现有技术，具有如下优点及有益效果：
(1)本发明考虑晶体界面的反射与透射，通过建立泵浦光斜入射周期极化铌酸锂晶体界面的有效非线性系数模型，实现单块极化晶体可调谐窄带波长输出。
(2)本发明基于单块周期极化晶体实现可调谐波长输出是利用准相位匹配技术，能有效克服双折射相位匹配技术在材料选择苛刻、非线性系数小，短波极限等局限性，提高非线性转换效率。
(3)本发明整个过程无需设计多块不同周期极化晶体，避免级联耦合的界面损耗，也大大降低生产成本，有利于产业化。
(4)本发明采用掺MgO的周期极化铌酸锂晶体，具有结构简单、性能稳定不易潮解、易于制备、设计灵活等优点，可提高光损伤阈值。
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种产生可调谐窄带激光的方法，其特征在于，利用准相位匹配技术，通过泵浦光源斜入射非线性极化晶体进行倍频过程，所述泵浦光源为可调谐纳秒激光光源，包括以下步骤：
步骤1：基于非线性极化晶界面的反射与透射，根据倍频过程中泵浦光与二次谐波在非线性极化晶体中的折射率色散公式，推导泵浦光以TE偏振模式不同角度入射非线性极化晶体产生的相位失配量；
步骤2：计算泵浦光正入射非线性极化晶体时的相位失配量，根据相位失配量设计非线性极化晶体的结构，确定非线性极化晶体的参数；
步骤3：根据准相位匹配条件，旋转非线性极化晶体，以改变泵浦光入射非线性极化晶体的角度；计算相应的泵浦光入射波长，通过入射不同波长的基频光，求解非线性耦合波方程组，获得对应的不同二次谐波转换效率，在单块晶体中实现产生可调谐窄带激光。
2.根据权利要求1所述的一种产生可调谐窄带激光的方法，其特征在于，所述TE偏振模式指的是振动方向平行于晶轴z轴，透射进入极化晶体中的光为非寻常光，使用非寻常光可利用极化晶体的最大非线性极化张量以提高转换效率。
3.根据权利要求1所述的一种产生可调谐窄带激光的方法，其特征在于，泵浦光斜入射非线性极化晶体过程中，假定晶体的x方向相位匹配，晶体的y方向相位失配，仅考虑y方向发生非线性频率转换，利用极化晶体提供的倒格矢结构实现准相位匹配。
4.根据权利要求1所述的一种产生可调谐窄带激光的方法，其特征在于，所述非线性极化晶体采用铁电晶体材料制作，所述铁电晶体材料为铌酸锂、掺杂MgO的铌酸锂或者钽酸锂晶体材料。
5.根据权利要求1所述的一种产生可调谐窄带激光的方法，其特征在于，所述非线性极化晶体为5％MgO掺杂的周期极化铌酸锂晶体，所述周期极化铌酸锂晶体z向切割，上下两表面平行且抛光；
所述周期极化铌酸锂晶体包含多个固定长度的极化周期，所述极化周期中，每一个极化周期由一对极化方向相反、长度相等的正畴和负畴组成。
6.根据权利要求1所述的一种产生可调谐窄带激光的方法，其特征在于，在步骤1中，具体通过通过以下方式推导相位失配量：
考虑非线性极化晶界面的反射与透射，假定x方向相位匹配，利用Sellmeier方程推导泵浦光斜入射周期极化晶体时y方向产生的相位失配量：
Figure FDA0003888880440000021
其中，α为泵浦光入射晶体的角度，λ1为基频光波长，
Figure FDA0003888880440000022
分别为基频光与二次谐波对应的折射率。
7.根据权利要求6所述的一种产生可调谐窄带激光的方法，其特征在于，所述泵浦光的波长为1064nm；
所述泵浦光正入射极化晶体时，泵浦光入射晶体的角度α＝0°，对应泵浦光入射波长为1064nm，通过计算y方向的相位失配量Δky，得到周期极化晶体提供的倒格矢Gm＝Δky。
8.根据权利要求7所述的一种产生可调谐窄带激光的方法，其特征在于，所述周期极化晶体提供的倒格矢
Figure FDA0003888880440000023
其中m为准相位匹配的阶数，Λ为晶体设计的周期；
通过改变泵浦光入射非线性极化晶体的角度，计算相应泵浦光入射波长，使得输出的二次谐波实现在532nm～552.8nm波段高效可调谐。
9.根据权利要求1所述的一种产生可调谐窄带激光的方法，其特征在于，在步骤3中，保持泵浦光正入射周期极化晶体，计算得到的相位失配量不变，旋转非线性极化晶体以改变泵浦光入射晶体的角度α，其中α变化范围为0°～90°，根据相位失配量公式计算泵浦光随角度改变的入射波长。
10.根据权利要求1所述的一种产生可调谐窄带激光的方法，其特征在于，在步骤3中，采用以下非线性耦合波方程组求解二次谐波的转换效率：
Figure FDA0003888880440000024
Figure FDA0003888880440000025
其中，E1(y)、E2(y)分别为基频光和二次谐波的电场振幅，
Figure FDA0003888880440000026
为空间变化的二阶非线性系数，c为光速，
Figure FDA0003888880440000027
分别表示y方向基频波和二次谐波的波矢。
CN202211253420.1A 2022-10-13 2022-10-13 一种产生可调谐窄带激光的方法 Pending CN115632300A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211253420.1A CN115632300A (zh) 2022-10-13 2022-10-13 一种产生可调谐窄带激光的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211253420.1A CN115632300A (zh) 2022-10-13 2022-10-13 一种产生可调谐窄带激光的方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115632300A true CN115632300A (zh) 2023-01-20

Family

ID=84905551

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211253420.1A Pending CN115632300A (zh) 2022-10-13 2022-10-13 一种产生可调谐窄带激光的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115632300A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117538341A (zh) * 2023-08-07 2024-02-09 上海微崇半导体设备有限公司 基于可调谐波长激光源诱发二次谐波的缺陷检测
CN117996556A (zh) * 2024-01-18 2024-05-07 华南理工大学 一种极宽频谱内产生连续可调谐窄带激光的装置

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117538341A (zh) * 2023-08-07 2024-02-09 上海微崇半导体设备有限公司 基于可调谐波长激光源诱发二次谐波的缺陷检测
CN117538341B (zh) * 2023-08-07 2024-04-26 上海微崇半导体设备有限公司 基于可调谐波长激光源诱发二次谐波的缺陷检测
CN117996556A (zh) * 2024-01-18 2024-05-07 华南理工大学 一种极宽频谱内产生连续可调谐窄带激光的装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN115632300A (zh) 一种产生可调谐窄带激光的方法
US7489436B1 (en) Hybrid integrated source of polarization-entangled photons
CN112068336B (zh) 一种基于周期极化铌酸锂波导的电控式偏振纠缠态产生芯片
WO2008039261A2 (en) Compact, single chip-based, entangled polarization-state photon sources and methods for generating photons in entangled polarization states
Thyagarajan et al. Generation of polarization-entangled photons using type-II doubly periodically poled lithium niobate waveguides
Gu et al. Investigations of harmonic generations in aperiodic optical superlattices
US20200057356A1 (en) Nonlinear crystal
CN111443548B (zh) 非线性光子晶体及其双光子频率和路径超纠缠产生方法
CN104466651A (zh) 一体化环形激光倍频装置
Hu et al. An effective nonlinear susceptibility model for general three-wave mixing in quasi-phase-matching structure
US11347130B2 (en) Nonlinear crystal
CN113540933B (zh) 一种基于同步双光参量过程的中红外参量激光器
EP0382626A1 (fr) Dispositif optique de traitement d'une onde optique, son procédé de réalisation et un doubleur de fréquence
Wen et al. Comparison and characterization of efficient frequency doubling at 397.5 nm with PPKTP, LBO and BiBO crystals
Wu et al. Periodically poled nonlinear photonic crystal KTa0. 51Nb0. 49O3 combining wide transparent range and large quadratic coefficient
CN109239948B (zh) 非傍轴自加速倍频光束调控装置及方法
Saha et al. Total-internal-reflection-based optical rotation quasi-phase-matching technique realized in a biaxial electro-optic chiral material to generate highly efficient second harmonic
CN113612108B (zh) 一种基于斜切非线性晶体脊型波导的频率转换器及其制备方法
Song et al. Polarization insensitive quasi-phase-matched second harmonic generation
Yu et al. Acousto-optic tunable second harmonic generation in periodically poled LiNbO 3
Bahrami et al. Nonlinear Optical Effects in One Dimensional Multi-layer Structure Consisting of Polar Ferroelectric Called LiTaO3
Zhao et al. Optical properties of a two-dimensional nonlinear photonic quasicrystal constructed by the generalized dual-grid method
Lorenzo-Ruiz et al. THz surface phonon polariton generation in GaP photonic waveguide
Poveda-Hospital et al. Custom nonlinearity profile for integrated quantum light sources
CN114371584A (zh) 一种可扩展温度适应范围的非线性光学频率变换晶体器件

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination