本實用新型涉及一種基于光纖的準相位匹配基模三次諧波轉換裝置，本實用新型所提供的裝置適用于結構簡單的階躍型光纖，無需對光纖作物理預處理，可獲得基模三次諧波輸出，倍頻器可直接與其他通用光學設備兼容。本實用新型提供的裝置也適用于提高光纖中其他光場模式間的三次諧波轉換效率，并可推廣至其他級次諧波轉換過程。

背景技術：

由于增益介質的限制，激光器并不能實現(xiàn)任意波段的激光輸出，非線性光學頻率轉換是擴展激光波段的有效裝置，其核心問題是轉換效率及輸出光束質量。1983年Gabriagues在具有橢圓纖芯的光纖中觀察到三次諧波產(chǎn)生。隨后人們在具有不同摻雜材料(如鍺、鉺或氮)的各種玻璃光纖中研究了這種現(xiàn)象。隨著光子晶體光纖的興起，研究人員發(fā)現(xiàn)通過不同模式之間相位匹配的裝置，可顯著提高三次諧波的轉換效率，但該過程只能在泵浦光的基模與三次諧波的高階模之間實現(xiàn)。Grubsky等人預測當二氧化硅光纖直徑約為基頻波長一半時可滿足相位匹配條件，從而在厘米量級長度的光纖中獲得較高轉換效率的三倍頻，2007年，他們在0.5μm直徑、100μm長的二氧化硅微納光纖中輸入1.06μm波長的納秒光脈沖，實驗上產(chǎn)生了355nm的三倍頻光，轉化效率約為2×10^-6。2012年，Ismaeel等人觀察到了微環(huán)諧振腔中的三倍頻效應，二氧化硅微納光纖直徑取0.76μm以滿足模間相位匹配條件，輸入峰值功率為100W的脈沖光(1550nm，4ns)，三倍頻轉換效率約為3×10^-6，微環(huán)的總長度僅為6mm，與相同長度的直鋪微納光纖相比，轉換效率提高了7.7dB?？紤]到光纖中的材料色散與波導色散，上述基于微納光纖的三倍頻轉換采用的也是不同空間模式間的直接相位匹配方案，即從泵浦光的基模HE₁₁(ω)轉換到三倍頻光的高階模，如HE₁₂(3ω)。該方案通過設計光纖直徑實現(xiàn)精確的相位匹配，對光纖直徑的微小波動非常敏感。

實用的激光都要求具有良好的光束質量，在各種諧波轉換技術中，轉換效率與輸出光束質量都是兩個核心問題，基模是理想的輸出模式。但是由于在泵浦光的基模與三倍頻光的基模之間實現(xiàn)相位匹配非常困難，無論是在具有簡單結構的階躍型光纖中，還是在具有復雜微結構的光子晶體光纖中，都難以找到直接產(chǎn)生基模三倍頻激光輸出的報道。由于現(xiàn)有的通用光學系統(tǒng)一般都是基于基模激光設計的，輸出高階模的光纖三倍頻器件難以與其他激光設備兼容。2011年，Tarnowski等人提出在普通的階躍型光纖中寫入折射率光柵結構，通過選擇合適的光柵常數(shù)在基頻與三倍頻的基模之間實現(xiàn)準相位匹配。2013年，英國巴斯大學Chen等人在光子晶體光纖中通過高階模之間的頻率轉換獲得了深紫外光，為了與其他器件兼容，他們專門研制了兩種模式轉換器，在輸入端把LP₀₁基模轉換成LP₀₂高階模，在輸出端再通過相反的過程獲得基模。這種方案明顯增加了光學系統(tǒng)的復雜性，同時也會造成額外的能量損耗。

如果光纖倍頻器件直接產(chǎn)生基模輸出光束，將可解決它們與其他激光設備及光學系統(tǒng)兼容的難題；基模光近似于高斯型的空間強度分布也使其更易于實現(xiàn)均勻輻照(這一點對微納加工等領域尤其重要)。因此，尋找一種直接輸出基模三倍頻光束的新的技術方案，對推動器件的實用化具有重要的現(xiàn)實意義。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種基于光纖的準相位匹配基模三次諧波轉換裝置，本實用新型使諧波沿著傳輸方向獲得有效增長，諧波轉換效率顯著提高。

本實用新型的技術解決方案如下：本實用新型的基于光纖的準相位匹配基模三次諧波轉換裝置，包括有產(chǎn)生基頻光的第一激光器，產(chǎn)生反向傳輸?shù)募す饷}沖序列的第二激光器，第一激光器產(chǎn)生的基頻光在光纖中前向傳輸，產(chǎn)生基模三次諧波，第二激光器導入與基頻光具有相同中心波長的反向傳輸?shù)募す饷}沖序列。

本實用新型第一激光器產(chǎn)生的基頻光在光纖中前向傳輸，第二激光器導入與基頻光具有相同中心波長的反向傳輸?shù)募す饷}沖序列，由于基頻光與三倍頻光在光纖中的有效折射率不同，它們在傳輸過程中將出現(xiàn)相位失調(diào)。選擇合適的脈沖寬度和重復周期，在前向傳輸基頻光與三倍頻光同相的區(qū)域，對向傳輸脈沖不出現(xiàn)，三倍頻功率隨傳輸距離增大；在前向傳輸基頻光與三倍頻光異相的區(qū)域，令具有一定振幅及相位的脈沖與前向傳輸泵浦光疊加，使該區(qū)域內(nèi)總的三次諧波效應為零，從而抑制三倍頻功率下降的趨勢。此過程依次進行，可令三倍頻功率隨傳輸光纖逐步積累，諧波轉換效率顯著提高。本實用新型所提供的裝置適用于結構簡單的階躍型光纖，且無需對光纖作物理預處理，在實際應用時可方便地調(diào)整激光脈沖序列的參數(shù)，具有很大的靈活性；該裝置對光纖直徑的微小波動不敏感，降低了器件制造過程中對表面粗糙度的苛刻要求。采用本實用新型提供的裝置可在基頻的基模與三倍頻的基模之間實現(xiàn)準相位匹配，從而獲得基模三次諧波輸出，倍頻器可直接與其他通用光學設備兼容。本實用新型提供的裝置也適用于提高光纖中其他光場模式間的三次諧波轉換效率，并可推廣至其他級次諧波轉換過程。

附圖說明

圖1為本實用新型一種基于光纖的準相位匹配基模三次諧波轉換裝置的原理示意圖。

圖2為準相位匹配前三倍頻功率隨光纖的演化。

圖3為準相位匹配后三倍頻功率隨光纖的演化。

圖4為實現(xiàn)準相位匹配所需的對向傳輸脈沖序列振幅。

圖5為實現(xiàn)準相位匹配所需的對向傳輸脈沖序列相位。

圖6為前向傳輸泵浦光每傳輸10個相干長度與一個對向傳輸脈沖相遇時三倍頻功率隨光纖的演化(各脈沖載波包絡相位以固定的增量遞變)。

圖7為前向傳輸泵浦光每傳輸102個相干長度與一個對向傳輸脈沖相遇時三倍頻功率隨光纖的演化(各脈沖載波包絡相位相同)。

圖中P₀為輸入泵浦光功率；P₃為三倍頻光功率；L_c為相干長度。

具體實施方式

以下結合附圖1、2、3、4、5、6、7對本實用新型作詳細說明，但不應以此限制本實用新型的保護范圍。

本實用新型基于光纖的準相位匹配基模三次諧波轉換裝置，包括有產(chǎn)生基頻光的第一激光器，產(chǎn)生反向傳輸?shù)募す饷}沖序列的第二激光器，第一激光器產(chǎn)生的基頻光在光纖中前向傳輸，產(chǎn)生基模三次諧波，第二激光器導入與基頻光具有相同中心波長的反向傳輸?shù)募す饷}沖序列。

本實施例中，上述第二激光器導入的激光脈沖序列與第一激光器產(chǎn)生的基頻光具有相同空間光場模式。

上述第一激光器是連續(xù)激光器，第二激光器是脈沖激光器。本實施例中，上述脈沖激光器是光纖激光器，或是鈦寶石激光器。上述光纖是微納光纖。上述微納光纖是由普通光纖通過絕熱拉伸而成的光纖。光纖將傳導光的模場約束在波長甚至亞波長尺寸量級，大大提高了光功率密度，在較低的輸入光功率及較短的傳輸距離下就能夠產(chǎn)生較強的非線性效應。本實施方式在微納光纖內(nèi)進行三倍頻轉換，本實用新型的原理是：準連續(xù)的基頻光(泵浦光)在微納光纖中前向傳輸，產(chǎn)生三倍頻輸出；與基頻光具有相同中心波長的激光脈沖序列反向傳輸?？偟谋闷止鈭鰹榍跋蚺c反向傳輸基頻光之和，泵浦光與三倍頻光遵守以下的耦合傳輸方程

其中A₁和A₃分別是泵浦光與三倍頻光的模場振幅，J₁-J₅為不同模式間的非線性重疊積分，n⁽²⁾為光纖材料的非線性折射率系數(shù)，k₁＝ω₁/c為泵浦光在真空中的傳輸常數(shù)，δβ＝β₃-3β₁為相位失配量(β₁與β₃分別為基頻光與三倍頻光在光纖中的傳輸常數(shù))。L_c＝π/δβ稱為相干長度。

光纖中總的泵浦光場可寫為

其中與分別為前向與對向傳輸光場的振幅，F(xiàn)₁(x,y)為光纖中的光場模式。設前向傳輸?shù)娜肷涔夤β蕿镻₀，對向傳輸光場與前向傳輸光場的振幅比值為在慢變包絡近似下，三倍頻的振幅可解得為

設m為整數(shù)，若無對向傳輸光場(即r＝0)，當2mL_c≤z≤(2m+1)L_c時，前向泵浦光與三倍頻光同相，三倍頻功率隨傳輸距離增大；當(2m+1)L_c≤z≤2(m+1)L_c時，前向傳輸泵浦光與三倍頻光異相，三倍頻功率隨傳輸距離下降。因此，三倍頻功率沿光纖快速振蕩，無法獲得積累，見圖2。

若引入合適的對向傳輸脈沖序列，當2mL_c≤z≤(2m+1)L_c時，前向泵浦光與三倍頻光同相，令r＝0，三倍頻功率隨傳輸距離增大；當(2m+1)L_c≤z≤2(m+1)L_c時，前向傳輸泵浦光與三倍頻光異相，令r具有特定的幅度與相位，使由(3)式解得的三倍頻振幅A₃為零，從而抑制三倍頻功率的振蕩趨勢，使其持續(xù)增長，見圖3。

對向傳輸脈沖序列的參數(shù)可如下確定：

1、振幅與相位

r為一個復數(shù)，即r＝|r|exp(iφ_r)，令(3)式等于零，可解得其幅度與相位的具體值。其中各個脈沖的振幅相等，見圖4，第一個脈沖的載波包絡相位為φ_r0，其后各個脈沖的載波包絡相位以固定的增量Δφ_r依次遞變，第N個脈沖的相位可表示為見圖5。

φ_r0與Δφ_r均可直接求解，其中Δφ_r也可通過如下關系推導：設Φ＝2β₁·L_c＝n·2π+Δ，其中n為整數(shù)，Δ為一個不足2π的相位余量(決定于基頻光與三倍頻光的傳輸常數(shù))。當前向傳輸泵浦光每傳輸q個相干長度與一個對向傳輸脈沖相遇時，各脈沖的載波包絡相位增量為Δφ_r＝q·Δ。

2、脈沖寬度

脈沖寬度可根據(jù)實際情況靈活設計。若前向傳輸泵浦光與對向傳輸脈沖的相遇長度為pL_c(p為奇數(shù))，則脈沖的空間展寬為2pL_c，脈沖寬度為τ＝2pL_c/v，其中v為光速。

3、脈沖重復周期

脈沖重復周期可靈活設計，增大脈沖重復周期會降低三倍頻轉換效率，但是對脈沖激光器的要求也隨之降低。若前向傳輸泵浦光每傳輸q個相干長度與一個對向傳輸脈沖相遇，q為偶數(shù)，脈沖重復周期T＝2qL_c/v。例如，圖6中前向傳輸泵浦光每傳輸10個相干長度與一個對向傳輸脈沖相遇，T＝20L_c/v。另外，各脈沖載波包絡相位以固定的增量Δφ_r遞變在實際操作中存在技術難度，若選擇合適的脈沖重復周期，使Δφ_r逼近2π的整數(shù)倍，即Δφ_r＝q·Δ≈m·2π(m為整數(shù))則相當于無需改變各脈沖的相位，實施起來更為簡單。例如，圖7中前向傳輸泵浦光每傳輸102個相干長度與一個對向傳輸脈沖相遇，T＝204L_c/v，Δφ_r≈10π，所有脈沖的載波包絡相位均設為φ_r0即可。盡管在這種情形下，因為與嚴格的相位條件有細微偏差，三倍頻輸出功率在總體上存在振蕩行為，但是三倍頻可增長的光纖長度延長了4個量級，三倍頻的輸出功率也提高了4個量級，表明本實用新型提供的準相位匹配裝置作用顯著。

本實用新型通過導入對向傳輸?shù)募す饷}沖序列，控制基頻光與三倍頻光相位失調(diào)區(qū)間的諧波效應，使三次諧波轉換效率獲得有效提高。本實用新型所提供的裝置適用于結構簡單的階躍型光纖，無需對光纖作物理預處理，可獲得基模三次諧波輸出，倍頻器可直接與其他通用光學設備兼容。本實用新型提供的裝置也適用于提高光纖中其他光場模式間的三次諧波轉換效率，并可推廣至其他級次諧波轉換過程。