CN1220311C - 一种多波倍频的准相位匹配光子晶体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多波倍频的准相位匹配光子晶体，该多波倍频的准相位匹配光子晶体，为铁电晶体材料，其超晶格格点为高压极化工艺制成的极化反转柱子，超晶格形状为三角形；超晶格对应的倒矢格形状为三角形；光子晶体包括三对平行的面，分别与倒矢格的三个边垂直。利用准相位匹配条件决定超晶格的周期大小。本发明提供的一种多波倍频的准相位匹配光子晶体，可以同时对三束不同波长的光波进行倍频；改变光子晶体中极化反转柱子的半径，可以调节晶体三个方向输出的二次谐波的强度；使用适当极化反转柱子半径的光子晶体，可以实现白光的合成。

Description

一种多波倍频的准相位匹配光子晶体

发明领域

本发明涉及一种光子晶体，特别是涉及一种多波倍频的准相位匹配光子晶体。

背景技术

由于光子晶体本身所具有的各种优异性能，近年来，成为人们广泛研究的焦点，尤其是在光子晶体的二阶非线性效应(倍频、和频、差频和光参量过程等)方面。在光子晶体中的二倍频效应中，由于晶体的色散关系，通常会使基频波和谐频波之间存在一定的相速度差。由于两光波的不同相速度引起连续相位变化导致了能流方向的交替变化，进而导致二次谐波强度沿相互作用距离L＝λ_f/4(n_s-n_f)(其中，n_f和n_s分别为晶体中基频光与倍频光的折射率，λ_f为基频光的波长)周期性地增强和减弱，如图1中曲线C所示。为了实现二次谐波强度在整个晶体中的持续增加，两波矢之间需要满足相位匹配条件，如图1中曲线A所示。过去人们主要利用各向异性晶体的双折射特性，通过调节晶体温度和入射光的角度，使基波的o光(或e光)与谐波的e光(或o光)的折射率相等以实现相位匹配。但这种利用各向异性晶体双折射特性实现相位匹配条件的方法有许多难以克服的缺点，极大地限制了所用晶体的范围和能量转换效率。同时，这种相位匹配在天然或人工各向同性晶体中是无法实现相位匹配关系的。另一种能使二次谐波强度在非线性晶体中保持连续增长的方法就是准相位匹配(QPM)技术，如图1中曲线B所示。它通过使基波和谐波在奇数个L的长度内相对相位反转，以实现二次谐波强度在一些本该衰减的区域得以继续增加。因此，只要周期性地改变非线性系数的符号，实现相位周期性反转，就能使谐波保持高效非线性频率转换，这就是准相位匹配技术，如图1中的箭头所示，其中p_s为铁电晶体中的自发极化强度。QPM技术是一种人为设计晶体周期结构以达到满足相位匹配关系的技术。QPM不再要求正交光束，输入光和输出光偏振方向与晶体极化方向一致，这样可充分利用晶体的最大非线性系数。同时，QPM是非临界相位匹配，不存在走离效应。

在以往的工作中，人们多注重对一维准相位匹配光子晶体中的倍频、参量振荡和参量放大等非线性效应在不同实验条件下的情况进行研究。但对于频率转化而言，一维光子晶体结构存在一定的限制因素，因为在该结构中入射光波只能沿一个方向入射。同时，通过一维光子晶体实现晶体整个透明范围内的多种波长的准相位匹配是很难的，尤其是具有可控光强性能的多光波输出。直到1998年，Berger等人首次提出了二维非线性光子晶体的概念，在该类晶体的二维平面内非线性二阶极化率是周期性变化的(文献1，V.Berger，“NonlinearPhotonic Crystals”，Physical Review Letters，1998，81(19)：4136-4139)。2000年，Broderick等人(文献2，N.G.R.Broderick，G.W.Ross，H.L.Offerhaus，D.J.Richardson，and D.C.Hanna，“Hexagonally Poled Lithium Niobate：A Two-Dimensional Nonlinear Photonic Crystal”，2000，84(19)：4345-4348)采用二维非线性光子晶体成功地进行了六边形周期性极化铌酸锂晶体中二倍频效应的实验。同时，Saltiel、顾本源等工作小组(文献3，S.Saltiel，“Phase Matching in Nonlinearx⁽²⁾Photonic Crystals”，Optics Letters，2000，25(16)：1204-1206；文献4，X.H.Wang，B.Y.Gu，“Nonlinear Frequency Conversion in 2D x⁽²⁾Photonic Crystal andNovel Nonlinear Double-Circle Construction”，The European Physical Journal B，2001(24)：323-326)在理论方面对该类光子晶体进行了相关推导，得出了一系列的结果，对二维光子晶体的设计、高阶谐频及光参量过程等实验的进行起到了一定的指导作用。然而，以前的研究都只是在输入光为一束光的条件下进行研究的。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术中只能对单束光单波长的光波倍频，大大地限制其应用，为了同时对多束不同波长的光波进行倍频；从而提供一种多波倍频的准相位匹配光子晶体。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的一种多波倍频的准相位匹配光子晶体，为铁电晶体材料，其超晶格格点为高压极化工艺制成的极化反转柱子，所述的光子晶体的超晶格形状为三角形，其三条边分别为超晶格第一边、超晶格第二边和超晶格第三边；所述的超晶格对应的倒矢格形状为三角形，其三条边分别为倒矢格第一边、倒矢格第二边和倒矢格第三边；所述的光子晶体包括第一入射面、第二入射面、第三入射面、第一出射面、第二出射面和第三出射面；第一入射面与第一出射面互相平行，并且与倒矢格第一边垂直；第二入射面与第二出射面互相平行，并且与倒矢格第二边垂直；第三入射面与第三出射面互相平行，并且与倒矢格第三边垂直。

所述的铁电晶体材料为铌酸锂材料。

使用时，三束不同波长基频光沿着光子晶体的三个不同方向的平面垂直入射，并与其二次谐波共线垂直出射到晶体外部，实现了多个波长的基频光同时倍频的功能。使用不同三角形周期的晶体，可以倍频的基频光的波长也不同。

本发明提供的一种多波倍频的准相位匹配光子晶体，具有以下有益效果：

1.可以同时对三束不同波长的光波进行倍频；

2.改变光子晶体中极化反转柱子的半径，可以调节晶体三个方向输出的二次谐波的强度；

3、使用适当极化反转柱子半径的光子晶体，可以实现白光的合成。

附图说明

图1是倍频光光强与相互作用距离之间的关系图；

图2是本发明实施例的光子晶体的结构示意图

图面说明：

第一入射面1    第二入射面2     第三入射面3    第一出射面4

第二出射面5    第三出射面6     超晶格7        超晶格第一边a₁

超晶格第二边a₂超晶格第三边a₃倒矢格8        倒矢格第一边b₁

倒矢格第二边b₂倒矢格第三边b₃

具体实施方式

实施例1

本实施例中光子晶体的工作温度为24.5摄氏度；光子晶体为为铌酸锂(LiNbO₃)材料。

光子晶体的结构如图2所示。超晶格格点为高压极化工艺制成的极化反转柱子，直径为4μm；光子晶体的超晶格7形状为三角形，其三条边分别为超晶格第一边a₁，长度为5.1μm、超晶格第二边a₂，长度为8.52μm和超晶格第三边a₃，长度为12.27μm；超晶格7对应的倒矢格8形状为三角形，其三条边分别为倒矢格第一边b₁、倒矢格第二边b₂和倒矢格第三边b₃；光子晶体包括第一入射面1、第二入射面2、第三入射面3、第一出射面4、第二出射面5和第三出射面6；第一入射面1与第一出射面4互相平行，并且与倒矢格第一边b₁垂直；第二入射面2与第二出射面5互相平行，并且与倒矢格第二边b₂垂直；第三入射面3与第三出射面6互相平行，并且与倒矢格第三边b₃垂直。

根据超晶格周期，使用准相位匹配条件，定出本实施例中的三束基频光的波长为λ_1f＝1.2μm，λ_2f＝1.064μm和λ_3f＝0.91μm。如图2所示方向入射，倍频后得到的倍频光的波长分别为λ_1s＝0.6μm(红光)，λ_2s＝0.532μm(绿光)和λ_3s＝0.455μm(蓝光)。

实施例2

二次谐波的转换效率为：

${\mathrm{\η}}_{2\mathrm{\ω}}=\frac{8{\mathrm{\π}}^2{d}_{\mathrm{eff}}^2{L}_{\mathrm{eff}}^2{I}_{\mathrm{\ω}}}{{\mathrm{\ϵ}}_0{n}_{\mathrm{\ω}}^2{n}_{2\mathrm{\ω}}{\mathrm{c\λ}}_{\mathrm{\ω}}^2}{\sin c}^2(\mathrm{\ΔkL}/2)---\left(1\right)$

其中：

Δk＝k_2ω-2k_ω-G_n，m，k_2ω为二次谐波的波矢，k_ω为基频光的波矢，G_m，n为准相位匹配晶体的倒格矢，(m，n)为准相位匹配的阶数；

d_eff为有效非线性极化系数

L_eff为晶体有效工作长度

I_ω为泵浦激光的功率密度

λ_ω为泵浦激光在真空中的波长

ε₀为空气介电常数，

n_ω为泵浦激光在晶体中的折射率，

n_2ω为二次谐波在晶体中的折射率

从公式(1)中可以看出，二次谐波的转换效率受晶体的有效工作长度、泵浦激光功率密度、有效非线性极化系数因素的影响。

本实施例中的光子晶体与实施例1中的光子晶体形状与晶格分布相同，不同之处在于，三对平行平面的距离以及有效工作长度分别定为12mm、6.6mm和4mm，极化反转柱子直径为4.3μm，三束基频光的波长为λ_1f＝1.2μm，λ_2f＝1.064μm和λ_3f＝0.91μm，光强为100MW/cm²，根据公式(1)可得出红绿蓝三种颜色的输出光强分别为57.79MW/cm²、66.04MW/cm²和58.13MW/cm²，其能量转换效率分别为57.79％、66.04％和58.13％。此时的三束输出光可以近似的合成为白光。

Claims (2)

1、一种多波倍频的准相位匹配光子晶体，所述光子晶体为铁电晶体材料，其超晶格格点为高压极化工艺制成的极化反转柱子，其特征在于，所述的光子晶体的超晶格(7)形状为三角形，其三条边分别为超晶格第一边(a₁)、超晶格第二边(a₂)和超晶格第三边(a₃)；所述的超晶格(7)对应的倒矢格(8)形状为三角形，其三条边分别为倒矢格第一边(b₁)、倒矢格第二边(b₂)和倒矢格第三边(b₃)；所述的光子晶体包括第一入射面(1)、第二入射面(2)、第三入射面(3)、第一出射面(4)、第二出射面(5)和第三出射面(6)；第一入射面(1)与第一出射面(4)互相平行，并且与倒矢格第一边(b₁)垂直；第二入射面(2)与第二出射面(5)互相平行，并且与倒矢格第二边(b₂)垂直；第三入射面(3)与第三出射面(6)互相平行，并且与倒矢格第三边(b₃)垂直。

2、根据权利要求1所述的一种多波倍频的准相位匹配光子晶体，其特征在于，所述的铁电晶体材料为铌酸锂材料。

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