切換基波、二倍頻與三倍頻激光的超晶格結(jié)構(gòu)設(shè)置方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了切換基波、二倍頻與三倍頻激光的超晶格結(jié)構(gòu)設(shè)置方法，在級聯(lián)周期結(jié)構(gòu)的光學(xué)超晶格中，利用諧波非線性相互作用的偏振特性，針對倍頻與和頻過程分別設(shè)計不同的偏振組合，使得通過調(diào)控入射基波偏振角，即可在光學(xué)超晶格中實現(xiàn)基波、二倍頻與三倍頻三波長激光的高效選擇性輸出。本發(fā)明具有諧波產(chǎn)生效率高，切換速度快的優(yōu)點，通過對光學(xué)超晶格進行特別的設(shè)計，只要利用基波偏振片即可以進行切換調(diào)節(jié)。由于不需要利用電光效應(yīng)或者溫度調(diào)諧，既避免了使用高壓設(shè)備，也避免了溫度調(diào)諧的緩慢低效，具有一定的實用性與優(yōu)越性。
【專利說明】切換基波、二倍頻與三倍頻激光的超晶格結(jié)構(gòu)設(shè)置方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開了一種在級聯(lián)周期結(jié)構(gòu)的光學(xué)超晶格中產(chǎn)生二倍頻與三倍頻激光并利用入射基波偏振進行基波、二倍頻與三倍頻激光高效切換的超晶格結(jié)構(gòu)設(shè)置方法，涉及非線性光學(xué)與超晶格材料技術(shù)的交叉領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]為了拓展激光器的用途，一臺激光器有時需要輸出不同波長的激光。對基波的二倍頻與三倍頻是拓展激光波長范圍的最有效的方法之一[參考文獻:s.N.Zhu, Y.Y.Zhu, Y.Q.Qin, H.F.Wang, C.Z.Ge, and N.B.Ming, Physical Review Letters78, 2752 (1997)；S.N.Zhu, Y.Y.Zhu, and N.B.Ming, Science278, 843 (1997)]。目前商用 Nd:YAG/YV04 激光器的基波、二倍頻與三倍頻之間的切換是通過更換激光晶體來實現(xiàn)的[參考文獻:D.Eimerl, J.M.Auerbach, and P.ff.Milonni, Journal of Modern 0ptics42, 1037 (1995)]。頻繁地更換激光晶體不僅容易影響光路和出光效率，也容易造成晶體的污染與損壞。
[0003]光學(xué)超晶格通過疇結(jié)構(gòu)的設(shè)計，可以基于準相位匹配原理利用基波直接產(chǎn)生二倍頻[參考文獻:S.N.Zhu, Y.Y.Zhu, and N.B.Ming, Science278, 843 (1997)]，還可以通過基波與二倍頻的耦合在超晶格中直接產(chǎn)生三倍頻。在申請?zhí)枮?0119006.7的專利文獻“雙周期超晶格及其在激光變頻中的應(yīng)用”中提出以鐵電晶體為基質(zhì)，通過一種特定雙調(diào)制結(jié)構(gòu)的設(shè)置，能夠同時提供用來匹配倍頻與和頻波矢失配的兩個倒格矢，從而使三倍頻能夠持續(xù)的增長，實現(xiàn)高效的三倍頻。具有這種結(jié)構(gòu)的鉭酸鋰超晶格可用于對Nd:YAG/YV04激光器的1064nm激光實行三倍頻，輸出355nm的紫外激光。
[0004]在二倍頻與三倍頻的切換方面，在超晶格的光軸方向上施加外加電場，可以利用晶體的電光效應(yīng)對二倍頻與三倍頻的產(chǎn)生過程進行調(diào)制[參考文獻:c.P.Huang, Y.H.Wang, and Y.Y.Zhu, Applied 0ptics44, 4980 (2005) ；F.Xu, J.L.He, J.Liao, Q.Wang, Q.Xu, N.H.Shen, Η.T.Wang, and N.B.Ming, Physical Review A68, 053803 (2003)]。但由耦合效應(yīng)的存在，這兩個過程耦合在一起，相互影響，很難實現(xiàn)高效率的切換。同時由于電光效應(yīng)需要加的電壓通常較高，因而限制了其實際的應(yīng)用。在申請?zhí)枮?7107134.9的專利文獻“準位相匹配光學(xué)參量過程中的周期加場電調(diào)諧方法及其應(yīng)用”中利用了超晶格樣品制備時的周期性電極，通過周期性外加電場調(diào)制樣品的折射率，實現(xiàn)了準位相匹配光學(xué)參量過程的電光調(diào)諧，在0.5mm厚鈮酸鋰光學(xué)超晶格上施加4KV電壓實現(xiàn)了 20nm的波長調(diào)諧。
[0005]利用二倍頻與三倍頻準相位匹配溫度的差異，用溫度調(diào)諧的辦法也可以實現(xiàn)二倍頻與三倍頻的切換[參考文獻:G.Z.Luo, S.N.Zhu, J.L.He, Y.Y.Zhu, H.T.Wang, Z.ff.Liu, C.Zhang, and N.B.Ming, Applied Physics Letters78, 3006 (2001)]。但溫度調(diào)諧存在著調(diào)諧精度不高，調(diào)諧速度慢的問題。另外溫度調(diào)諧的本質(zhì)是改變晶體的折射率，從而影響匹配波矢失配的倒格矢，這一過程很難避免耦合過程中相位失配的增大，因此切換效率往往不高。在申請?zhí)枮?00710170773.4的專利文獻“可溫度調(diào)諧的周期性光學(xué)超晶格多波長濾波器”中將周期性光學(xué)超晶格表面分為兩個不同的溫度區(qū)域，分別平鋪有第一溫度控制裝置和第二溫度控制裝置，每一個區(qū)域作為一個單波長索科型濾波器。配合超晶格兩端的兩個正交偏振片，可以在較大的波長范圍內(nèi)實現(xiàn)多個中心波長的可調(diào)諧輸出。調(diào)諧效率為約-0.598nm/°C，可調(diào)諧波長范圍達幾十納米。該專利利用了溫度調(diào)諧，但實現(xiàn)的是濾波的功能,并且效率較低。
[0006]綜上所述，光學(xué)超晶格可以利用基波單獨產(chǎn)生高效率的二倍頻或者三倍頻，也可以利用電光效應(yīng)或者溫度調(diào)諧實現(xiàn)二倍頻與三倍頻的切換，但由于耦合效應(yīng)的存在，切換效率始終不高。目前尚沒有方案可以在同一個超晶格結(jié)構(gòu)中既可以產(chǎn)生高效率的二倍頻也可以產(chǎn)生高效率的三倍頻，并且基波、二倍頻與三倍頻三者之間可以方便地進行切換。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種由入射基波偏振方向調(diào)控的可以實現(xiàn)基波、二倍頻與三倍頻三波長激光高效切換的超晶格結(jié)構(gòu)設(shè)置方法。
[0008]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案，切換基波、二倍頻與三倍頻激光的超晶格結(jié)構(gòu)設(shè)置方法:在級聯(lián)周期結(jié)構(gòu)的光學(xué)超晶格中，對倍頻過程與和頻過程分別設(shè)計相應(yīng)的偏振組合模式，通過調(diào)控入射基波偏振角，在光學(xué)超晶格中實現(xiàn)基波、二倍頻波長激光或者三倍頻波長激光的選擇性輸出，其中:
[0009]所述的級聯(lián)周期結(jié)構(gòu)為相連的兩段周期性結(jié)構(gòu)，第一段周期性結(jié)構(gòu)針對倍頻過程，第二段周期性結(jié)構(gòu)針對和頻過程；
[0010]所述的偏振組合模式具體表達如下，
[0011 ] 倍頻過程表示為:A+A — C ；
[0012]和頻過程表不為:B+C — D ；
[0013]其中，A指水平或垂直方向偏振的入射基波分量，B指入射基波中偏振方向垂直于A的另一分量，C指二倍頻波長激光，D指三倍頻波長激光；
[0014]在光學(xué)超晶格中實現(xiàn)基波、二倍頻波長激光或者三倍頻波長激光的選擇性輸出的具體方法如下:
[0015](I)當入射基波只有B分量時，第一段周期性結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生二倍頻波長激光C，第二段周期性結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生三倍頻波長激光D，光學(xué)超晶格的出射端獲得基波；
[0016](2)當入射基波只有A分量時，第一段周期性結(jié)構(gòu)將入射基波的A分量全部轉(zhuǎn)化為二倍頻波長激光C，第二段周期性結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生三倍頻波長激光D，光學(xué)超晶格的出射端獲得二倍頻波長激光C ；
[0017](3)當入射光處于上述(I)、(2)兩種情況之外的其他偏振角度時，入射基波同時具有A分量和B分量，在第一段周期性結(jié)構(gòu)中，入射基波的A分量通過A+A — C過程產(chǎn)生二倍頻波長激光C，在第二段周期性結(jié)構(gòu)中，入射基波的B分量和二倍頻波長激光C通過B+C — D過程產(chǎn)生三倍頻波長激光D，通過調(diào)整入射基波偏振的角度，使得光學(xué)超晶格的出射端獲得三倍頻波長激光D。
[0018]作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選方案，在所述第一段周期性結(jié)構(gòu)中，由倒格矢G1補償波矢相位失配，從而產(chǎn)生倍頻過程A+A — C，并且不產(chǎn)生其余的非線性過程，根據(jù)入射基波的強度和光學(xué)超晶格對應(yīng)晶體在A+A — C過程對應(yīng)非線性系數(shù)的大小確定第一段周期性結(jié)構(gòu)的長度，使得入射基波A分量全部轉(zhuǎn)化為二倍頻波長激光C，[0019]所需的倒格矢G1和周期A1分別為:
【權(quán)利要求】
1.切換基波、二倍頻與三倍頻激光的超晶格結(jié)構(gòu)設(shè)置方法，其特征在于:在級聯(lián)周期結(jié)構(gòu)的光學(xué)超晶格中，對倍頻過程與和頻過程分別設(shè)計相應(yīng)的偏振組合模式，通過調(diào)控入射基波偏振角，在光學(xué)超晶格中實現(xiàn)基波、二倍頻波長激光或者三倍頻波長激光的選擇性輸出，其中: 所述的級聯(lián)周期結(jié)構(gòu)為相連的兩段周期性結(jié)構(gòu)，第一段周期性結(jié)構(gòu)針對倍頻過程，第二段周期性結(jié)構(gòu)針對和頻過程； 所述的偏振組合模式具體表達如下， 倍頻過程表不為:A+A — C ； 和頻過程表不為:B+C — D ； 其中，A指水平或垂直方向偏振的入射基波分量，B指入射基波中偏振方向垂直于A的另一分量，C指二倍頻波長激光，D指三倍頻波長激光； 在光學(xué)超晶格中實現(xiàn)基波、二倍頻波長激光或者三倍頻波長激光的選擇性輸出的具體方法如下: (1)當入射基波只有B分量時，第一段周期性結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生二倍頻波長激光C，第二段周期性結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生三倍頻波長激光D，光學(xué)超晶格的出射端獲得基波； (2)當入射基波只有A分量時，第一段周期性結(jié)構(gòu)將入射基波的A分量全部轉(zhuǎn)化為二倍頻波長激光C，第二段周期性結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生三倍頻波長激光D，光學(xué)超晶格的出射端獲得二倍頻波長激光C ； (3)當入射光處于上述(I)、(2)兩種情況之外的其他偏振角度時，入射基波同時具有A分量和B分量，在第一段周期性結(jié)構(gòu)中，入射基波的A分量通過A+A — C過程產(chǎn)生二倍頻波長激光C，在第二段周期性結(jié)構(gòu)中，入射基波的B分量和二倍頻波長激光C通過B+C — D過程產(chǎn)生三倍頻波長激光D，通過調(diào)整入射基波偏振的角度，使得光學(xué)超晶格的出射端獲得三倍頻波長激光D。
2.如權(quán)利要求1所述的切換基波、二倍頻與三倍頻激光的超晶格結(jié)構(gòu)設(shè)置方法，其特征在于， 在所述第一段周期性結(jié)構(gòu)中，由倒格矢G1補償波矢相位失配，從而產(chǎn)生倍頻過程A+A — C，并且不產(chǎn)生其余的非線性過程，根據(jù)入射基波的強度和光學(xué)超晶格對應(yīng)晶體在A+A —C過程對應(yīng)非線性系數(shù)的大小確定第一段周期性結(jié)構(gòu)的長度，使得入射基波A分量全部轉(zhuǎn)化為二倍頻波長激光C， 所需的倒格矢G1和周期A1分別為:
3.如權(quán)利要求1所述的切換基波、二倍頻與三倍頻激光的超晶格結(jié)構(gòu)設(shè)置方法，其特征在于，在所述第二段周期性結(jié)構(gòu)中，通過對倒格矢G2的控制，產(chǎn)生滿足B+C — D的非線性過程，并且使得其余的非線性過程無法實現(xiàn)相干增強，第二段周期性結(jié)構(gòu)的長度需滿足入射基波的B分量和第一段周期性結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的二倍頻波長激光C全部轉(zhuǎn)換為三倍頻波長激光D， 所需的倒格矢G2和周期A2分別為:
4.如權(quán)利要求1所述的切換基波、二倍頻與三倍頻激光的超晶格結(jié)構(gòu)設(shè)置方法，其特征在于，所述光學(xué)超晶格為鈮酸鋰超晶格、鉭酸鋰超晶格或者磷酸氧鈦鉀超晶格中的一種。
5.如權(quán)利要求1所述的切換基波、二倍頻與三倍頻激光的超晶格結(jié)構(gòu)設(shè)置方法，其特征在于，所述入射基波的波長具體為1.319 μ m、1.342 μ m或者1.064 μ m中的一種。
【文檔編號】H01S3/109GK104009384SQ201410220517
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月22日
【發(fā)明者】朱鼎, 張超, 秦亦強, 巴志新 申請人:南京工程學(xué)院