DE102017223197B3 - Method and device for frequency conversion - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Frequenzumsetzung elektromagnetischer Strahlung unter Mitwirkung von Pumpstrahlung (P). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Frequenzumsetzung in einem einteiligen, optisch nichtlinearen Kristall (20) durchgeführt wird, ein erster Kristallabschnitt (A1) mit einer individuell einstellbaren ersten Temperiereinrichtung (31) auf eine erste Kristalltemperatur (T1) temperiert und als erste Konverterstufe zur Frequenzumsetzung betrieben wird, und ein in Ausbreitungsrichtung der Pumpstrahlung (P) - unmittelbar oder getrennt durch einen Zwischenkristallabschnitts (Az) - hinter dem ersten Kristallabschnitt (A1) liegender zweiter Kristallabschnitt (A2) mit einer individuell einstellbaren zweiten Temperiereinrichtung (32) auf eine zweite, von der ersten Temperatur unterschiedliche, Kristalltemperatur (T2) temperiert wird und als zweite Konverterstufe zur Frequenzumsetzung betrieben wird.The invention relates to a method for frequency conversion of electromagnetic radiation with the assistance of pump radiation (P). According to the invention, it is provided that the frequency conversion is carried out in a one-piece, optically nonlinear crystal (20), a first crystal section (A1) with an individually adjustable first tempering device (31) tempered to a first crystal temperature (T1) and operated as a first converter stage for frequency conversion is, and in the propagation direction of the pump radiation (P) - directly or separated by an intermediate crystal section (Az) - behind the first crystal section (A1) lying second crystal section (A2) with an individually adjustable second tempering device (32) to a second, of the temperature first different temperature, crystal temperature (T2) is controlled and operated as a second converter stage for frequency conversion.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Frequenzumsetzung elektromagnetischer Strahlung unter Mitwirkung von Pumpstrahlung.The invention relates to a method for frequency conversion of electromagnetic radiation with the assistance of pump radiation.
Bei nichtlinearen Mischprozessen zweiter Ordnung müssen die Energieerhaltung und die Impulserhaltung, auch Phasenanpassung genannt, erfüllt sein.In non-linear mixing processes of the second order, the conservation of energy and the conservation of momentum, also called phase matching, must be fulfilled.
Im Falle einer Summenfrequenzerzeugung (auch kurz SFG genannt) wird ein Photon mit höherer Energie aus zwei anderen Photonen erzeugt, wobei wegen der Energieerhaltung
Die Phasenanpassung für die Summenfrequenzerzeugung erfordert
Durch Temperaturänderung kann der Brechungsindex im Material verändert und eine Phasenanpassung erreicht werden. Wenn die Phasenanpassung nicht oder zumindest nicht ausreichend vorliegt, tritt keine Mischung auf oder die Konversionseffizienz sinkt zumindest drastisch.By changing the temperature, the refractive index in the material can be changed and a phase matching can be achieved. If the phase matching is not, or at least not sufficient, no mixture occurs or the conversion efficiency drops at least drastically.
Neben der Summenfrequenzerzeugung gibt es auch eine Differenzfrequenzerzeugung (auch kurz DFG genannt), bei der die Differenz aus zwei Photonenfrequenzen erzeugt wird, wobei gilt:
Die Differenzfrequenzerzeugung und die Summenfrequenzerzeugung werden häufig verwendet, um zum Beispiel Laserlicht mit einer Wellenlänge zu generieren, die sonst nicht so einfach erzeugt werden könnte.Differential frequency generation and sum frequency generation are often used, for example, to generate laser light of a wavelength that otherwise would not be easily generated.
Im Stand der Technik ist bekannt, ein nichtlineares Material mit Phasenanpassungsperiodizität auszubilden, um die Konversion für mehr Frequenzen zu ermöglichen („Enhancement of second-harmonic generation in LiNb03 crystals with periodic laminar ferroelectric domains“,
Aus dem US-Patent
Die Druckschriften
Die Druckschrift
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine Frequenzumsetzung besonders effizient möglich ist.The invention has for its object to provide a method with which a frequency conversion is particularly efficient.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features according to claim 1. Advantageous embodiments of the method according to the invention are specified in subclaims.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der erste und zweite Kristallabschnitt unterschiedliche Kristallperioden aufweisen. Darüber hinaus ist vorgesehen, dass der erste Kristallabschnitt mit der individuell einstellbaren ersten Temperiereinrichtung auf eine erste Kristalltemperatur temperiert wird, bei der die Phasenanpassung zwischen den Phasen des Nutzsignals und der Pumpstrahlung für die Signaleingangsfrequenz und die Pumpfrequenz erfüllt wird, und in dem als erste Konverterstufe arbeitenden ersten Kristallabschnitt die Frequenz des Nutzsignals von der Signaleingangsfrequenz unter Bildung eines ersten Zwischensignals in eine erste Zwischenfrequenz konvertiert wird, die der Differenz zwischen der Signaleingangsfrequenz und der Pumpfrequenz entspricht, und der zweite Kristallabschnitt mit der individuell einstellbaren zweiten Temperiereinrichtung auf eine zweite, von der ersten Temperatur unterschiedliche Kristalltemperatur temperiert wird, bei der die Phasenanpassung zwischen den Phasen des ersten Zwischensignals und der Pumpstrahlung für die erste Zwischenfrequenz und die Pumpfrequenz erfüllt wird, und in dem als zweite Konverterstufe arbeitenden zweiten Kristallabschriitt die Frequenz des ersten Zwischensignals von der ersten Zwischenfrequenz unter Bildung eines zweiten Zwischensignals oder eines Ausgangssignals in eine zweite Zwischenfrequenz konvertiert wird, die der Differenz zwischen der ersten Zwischenfrequenz und der Pumpfrequenz entspricht.Thereafter, the invention provides that the first and second crystal sections have different crystal periods. In addition, it is provided that the first crystal section is tempered with the individually adjustable first temperature control to a first crystal temperature, in which the phase matching between the phases of the desired signal and the pump radiation for the signal input frequency and the pumping frequency is met, and working in the first converter stage first crystal section, the frequency of the useful signal is converted from the signal input frequency to a first intermediate frequency corresponding to the difference between the signal input frequency and the pumping frequency, and the second crystal section having the individually adjustable second temperature control means to a second, from the first temperature tempered different crystal temperature, wherein the phase matching between the phases of the first intermediate signal and the pump radiation for the first intermediate frequency and the pumping frequency is met, and in the second crystal step operating as a second converter stage, the frequency of the first intermediate signal is converted from the first intermediate frequency to a second intermediate frequency corresponding to the difference between the first intermediate frequency and the pumping frequency to form a second intermediate signal or an output signal.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass durch die zwei oder mehr Konverterstufen Eingangssignale über mehrere Stufen mehrfach in der Frequenz umgesetzt werden können und/oder zwei oder mehr Eingangssignale gleichzeitig in unterschiedlichen Konverterstufen in ihrer Frequenz umgesetzt werden können. Aufgrund der Einteiligkeit des optisch nichtlinearen Kristalls ist dabei ein nur minimaler Justageaufwand beim Ein- und Auskoppeln der optischen Strahlung und ein nur minimaler Aufwand beim Einstellen des Systems insgesamt nötig. A significant advantage of the method according to the invention is the fact that through the two or more converter stages, input signals can be converted several times in frequency over several stages and / or two or more input signals can be converted simultaneously in their frequency in different converter stages. Due to the one-piece nature of the optically non-linear crystal is only a minimal adjustment effort when coupling and decoupling the optical radiation and only a minimal effort in setting the system altogether necessary.
Da der erste und zweite Kristallabschnitt erfindungsgemäß unterschiedliche Kristallperioden aufweisen, können unterschiedliche Konverterstufen mit minimaler Heiz- oder Kühlleistung realisiert werden.Since the first and second crystal sections according to the invention have different crystal periods, different converter stages can be realized with minimal heating or cooling capacity.
Der Zwischenkristallabschnitt, der zwischen dem ersten und zweiten Kristallabschnitt angeordnet ist, nimmt vorzugsweise den Temperaturgradienten zwischen der ersten und zweiten Kristalltemperatur in Ausbreitungsrichtung der Strahlung vollständig bzw. bis auf eine Restabweichung von ± 5% auf.The intermediate crystal portion disposed between the first and second crystal portions preferably fully absorbs the temperature gradient between the first and second crystal temperatures in the propagation direction of the radiation, to a residual deviation of ± 5%, respectively.
Die Temperaturen in dem ersten und zweiten Kristallabschnitt werden bevorzugt jeweils für sich derart eingestellt, dass - in Ausbreitungsrichtung der Strahlung gesehen - der Temperaturgradient Null ist oder zumindest kleiner als 2K/cm.The temperatures in the first and second crystal sections are preferably individually set in such a way that-seen in the propagation direction of the radiation-the temperature gradient is zero or at least less than 2K / cm.
In Sonderzeitabschnitten kann die Phasenanpassung in dem ersten und/oder zweiten Kristallabschnitt in vorteilhafter Weise zerstört werden, indem der erste Kristallabschnitt auf eine andere als die erste Kristalltemperatur und/oder der zweite Kristallabschnitt auf eine andere als die zweite Kristalltemperatur gebracht wird.In special time sections, the phase matching in the first and / or second crystal section can advantageously be destroyed by bringing the first crystal section to a temperature other than the first crystal temperature and / or the second crystal section to a temperature other than the second crystal temperature.
In den Sonderzeitabschnitten wird die erste und/oder zweite Temperiereinrichtung vorzugsweise abgeschaltet oder umgeschaltet.In the special time sections, the first and / or second tempering device is preferably switched off or switched over.
Eine drei oder noch mehrstufigere Konversion wird bevorzugt mit Hilfe eines dritten Kristallabschnitts oder noch weiterer Kristallabschnitte durchgeführt, die - in Ausbreitungsrichtung der Pumpstrahlung gesehen - unmittelbar oder jeweils getrennt durch weitere Zwischenkristallabschnitte - kaskadiert hinter dem zweiten Kristallabschnitt liegen und jeweils eine Konverterstufe bilden.A three or more multi-stage conversion is preferably carried out with the aid of a third crystal section or even further crystal sections, which - viewed in the direction of propagation of the pump radiation - directly or in each case separated by further intermediate crystal sections - are cascaded behind the second crystal section and each form a converter stage.
Mittels individueller Temperiereinrichtungen wird jede Konverterstufe vorzugsweise auf eine Kristalltemperatur temperiert, bei der eine Phasenanpassung für die Pumpstrahlung und das konvertierte Zwischensignal einer vorherigen Konverterstufe, insbesondere der unmittelbar vorherigen Konverterstufe, oder eine Phasenanpassung zwischen einem individuell zugeordneten elektromagnetischen Nutzsignal, das in den einteiligen Kristall eingespeist wird, erreicht wird.By means of individual tempering devices, each converter stage is preferably tempered to a crystal temperature at which a phase adjustment for the pump radiation and the converted intermediate signal of a previous converter stage, in particular the immediately preceding converter stage, or a phase adjustment between an individually assigned electromagnetic useful signal, which is fed into the one-piece crystal , is achieved.
Die Pumpfrequenz ist vorzugsweise kleiner als die Signaleingangsfrequenz des oder der Nutzsignale. In den Kristallabschnitten wird also vorzugsweise jeweils die Frequenz in Richtung kleinerer Frequenzen konvertiert.The pumping frequency is preferably smaller than the signal input frequency of the useful signal (s). In the crystal sections, the frequency is preferably converted in each case in the direction of lower frequencies.
Die unterschiedlichen Kristallperioden werden vorzugsweise durch eine Polung, insbesondere ein Anlegen eines oder mehrerer äußerer elektrischer Felder, eingestellt.The different crystal periods are preferably set by a polarity, in particular an application of one or more external electric fields.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Frequenzumsetzeinrichtung zur Frequenzumsetzung elektromagnetischer Strahlung mit einem Eingang zum Einspeisen zumindest eines elektromagnetischen Nutzsignals, das eine Signaleingangsfrequenz aufweist, und von Pumpstrahlung, die eine sich von der Signaleingangsfrequenz unterscheidende Pumpfrequenz aufweist, wobei die Frequenzumsetzeinrichtung einen einteiligen, optisch nichtlinearen Kristall aufweist und sich in dem einteiligen, optisch nichtlinearen Kristall das zumindest eine Nutzsignal und die Pumpstrahlung überlagern, und wobei ein erster Kristallabschnitt mit einer individuell einstellbaren ersten Temperiereinrichtung ausgestattet ist und ein in Ausbreitungsrichtung der Pumpstrahlung - unmittelbar oder getrennt durch einen Zwischenkristallabschnitt - dahinter liegender zweiter Kristallabschnitt mit einer individuell einstellbaren zweiten Temperiereinrichtung ausgestattet ist.The invention also relates to a frequency conversion device for frequency conversion of electromagnetic radiation having an input for feeding at least one useful electromagnetic signal having a signal input frequency, and pumping radiation having a different from the signal input frequency pumping frequency, wherein the frequency conversion means a one-piece, optically non-linear crystal and in the one-piece, optically non-linear crystal superimpose the at least one useful signal and the pump radiation, and wherein a first crystal section is equipped with an individually adjustable first temperature control and in the propagation direction of the pump radiation - directly or separated by an intermediate crystal section - lying behind second crystal section equipped with an individually adjustable second tempering device.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der erste und zweite Kristallabschnitt unterschiedliche Kristallperioden aufweisen und eine Steuereinrichtung der Frequenzumsetzeinrichtung mit der ersten und zweiten Temperiereinrichtung verbunden ist und diese derart ansteuert, dass der erste Kristallabschnitt mit der individuell einstellbaren ersten Temperiereinrichtung auf eine erste Kristalltemperatur temperiert wird, bei der die Phasenanpassung zwischen den Phasen des zumindest einen Nutzsignals und der Pumpstrahlung für die Signaleingangsfrequenz und die Pumpfrequenz erfüllt wird, und in dem als erste Konverterstufe arbeitenden ersten Kristallabschnitt die Frequenz des zumindest einen Nutzsignals von der Signaleingangsfrequenz unter Bildung eines ersten Zwischensignals in eine erste Zwischenfrequenz konvertiert wird, die der Differenz zwischen der Signaleingangsfrequenz und der Pumpfrequenz entspricht, und der zweite Kristallabschnitt mit der individuell einstellbaren zweiten Temperiereinrichtung auf eine zweite, von der ersten Kristalltemperatur unterschiedliche Kristalltemperatur temperiert wird, bei der die Phasenanpassung zwischen den Phasen des ersten Zwischensignals und der Pumpstrahlung für die erste Zwischenfrequenz und die Pumpfrequenz erfüllt wird, und in dem als zweite Konverterstufe arbeitenden zweiten Kristallabschnitt die Frequenz des ersten Zwischensignals von der ersten Zwischenfrequenz unter Bildung eines zweiten Zwischensignals oder eines Ausgangssignals in eine zweite Zwischenfrequenz konvertiert wird, die der Differenz zwischen der ersten Zwischenfrequenz und der Pumpfrequenz entspricht.According to the invention, it is provided that the first and second crystal sections have different crystal periods and a control device of the frequency conversion device is connected to the first and second temperature control means and controls them in such a way that the first crystal section is tempered to a first crystal temperature with the individually adjustable first temperature control device the phase matching between the phases of the at least one useful signal and the pump radiation for the signal input frequency and the pumping frequency is satisfied, and in the operating as a first converter stage first crystal section, the frequency of the at least one useful signal from the signal input frequency is converted to form a first intermediate signal in a first intermediate frequency corresponding to the difference between the signal input frequency and the pumping frequency, and the second crystal section with the individually adjustable second tempering is tempered to a second, different from the first crystal temperature crystal temperature at which the phase matching between the phases of the first intermediate signal and the pump radiation for the first intermediate frequency and the pumping frequency is met, and in the second converter stage operating second crystal section the Frequency of the first intermediate signal from the first intermediate frequency is converted to form a second intermediate signal or an output signal in a second intermediate frequency, the difference between corresponds to the first intermediate frequency and the pumping frequency.
Bezüglich der Vorteile der erfindungsgemäßen Frequenzumsetzeinrichtung sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.With regard to the advantages of the frequency conversion device according to the invention, reference is made to the above statements in connection with the method according to the invention.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft
-
1 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Frequenzumsetzeinrichtung, anhand derer beispielhaft ein Verfahren zur zweistufigen kaskadierten Frequenzumsetzung eines Nutzsignals erläutert wird, -
2 den Temperaturverlauf über dem Ort in dem Kristall der Frequenzumsetzeinrichtung gemäß1 während der Frequenzumsetzung, -
3 beispielhaft die resultierende Amplitudenverteilung der Signale über der Frequenz, -
4 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Frequenzumsetzeinrichtung, anhand derer beispielhaft ein Verfahren zur jeweils einstufigen Frequenzumsetzung bei zwei eingangsseitigen Nutzsignalen erläutert wird, -
5 beispielhaft die resultierende Amplitudenverteilung der Signale über der Frequenz bei der Variante gemäß4 , -
6 das Ausführungsbeispiel gemäß4 bei einem Einsatz zur Frequenzumsetzung bei Photonenpaaren, -
7 in einer dreidimensionalen Darstellung schräg von der Seite ein Ausführungsbeispiel für einen einteiligen, optisch nichtlinearen Kristall, der bei den Frequenzumsetzeinrichtungen gemäß den1 bis6 eingesetzt werden kann, -
8 in einem Querschnitt den einteiligen Kristall gemäß7 mit daran angebrachten Temperiereinrichtungen, -
9 in einer dreidimensionalen Darstellung schräg von der Seite ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen einteiligen, optisch nichtlinearen Kristall, der bei den Frequenzumsetzeinrichtungen gemäß den1 bis6 eingesetzt werden kann, und -
10 in einem Querschnitt den einteiligen Kristall gemäß9 mit daran angebrachten Temperiereinrichtungen.
-
1 An exemplary embodiment of a frequency conversion device according to the invention, with reference to which a method for two-stage cascaded frequency conversion of a useful signal is explained by way of example, -
2 the temperature profile over the location in the crystal of the Frequenzumsetzeinrichtung according to1 during the frequency conversion, -
3 exemplarily the resulting amplitude distribution of the signals over the frequency, -
4 an embodiment of a frequency conversion device according to the invention, based on which by way of example a method for each single-stage frequency conversion is explained at two input-side payloads, -
5 for example, the resulting amplitude distribution of the signals over the frequency in the variant according to4 . -
6 the embodiment according to4 when used for frequency conversion in photon pairs, -
7 in a three-dimensional representation obliquely from the side of an embodiment of a one-piece, optically nonlinear crystal, in the frequency conversion devices according to the1 to6 can be used -
8th in a cross section the one-piece crystal according to7 with tempering devices attached thereto, -
9 in a three-dimensional representation obliquely from the side of a further embodiment of a one-piece, optically nonlinear crystal, in the frequency conversion devices according to the1 to6 can be used, and -
10 in a cross section the one-piece crystal according to9 with attached tempering.
In den Figuren werden der Übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet.For the sake of clarity, the same reference numbers are always used in the figures for identical or comparable components.
Die
Die erste Temperiereinrichtung
Die Steuereinrichtung
Das Filter
Die Frequenzumsetzeinrichtung
An einem Eingang
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß
Das Pumpsignal P wird vorzugsweise von einem in der
Nachfolgend wird beispielhaft davon ausgegangen, dass die Pumpfrequenz fp kleiner als die Signaleingangsfrequenz f1 ist und der nichtlineare Kristall
Die erste Kristalltemperatur
Für die Wellenvektoren gilt im ersten Kristallabschnitt
Die
Die zweite Kristalltemperatur
Für die Wellenvektoren gilt im zweiten Kristallabschnitt
Die in den nichtlinearen Kristall
Das Filter
Die
Die
Der erste Kristallabschnitt
In dem als erste Konverterstufe arbeitenden ersten Kristallabschnitt
Der zweite Kristallabschnitt
In dem als zweite Konverterstufe arbeitenden zweiten Kristallabschnitt
Die in den nichtlinearen Kristall
Die
Das Filter
Zur Trennung der beiden Zwischensignale
Die
Nach der Frequenzumsetzung, wie sie im Zusammenhang mit der
Die
Bei dem einteiligen Kristall
Die
Alternativ oder zusätzlich zu den hochohmigen Heizschichten
Die
Die
Die unterschiedlichen Kristallperioden Λ1 bis Λ4 werden vorzugsweise durch eine Polung, insbesondere ein Anlegen eines oder mehrerer äußerer elektrischer Felder, eingestellt.The different crystal periods Λ1 to Λ4 are preferably set by a polarity, in particular an application of one or more external electric fields.
Claims (8)
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