一种增加中红外差频转换带宽的方法与流程

本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种增加中红外差频转换带宽的方法。

背景技术：

中红外差频激光具有较宽的波长调谐范围(3微米-5微米)，在激光光谱学、中红外光谱区痕量气体检测等领域有着较为广泛的应用，对此现有技术文献中已经有相关的论述，如[1、Masashi Abe，Yoshiki Nishida，Osamu Tadanaga，Akio Tokura，Hirokazu Takenouchi，Optics Letter，2016 41 1380-1383]、[2、M.Vainio，L.Halonen，Physical Chemistry Chemical Physics，2012 00 1-3]。但是，在利用准相位匹配技术产生中红外差频激光时，要求所使用的非线性晶体要具有较大的接受带宽。针对这一问题，国内外提出了很多解决方案，如相位调制方案，参见文献[Baihong Li，Yonggang Xu，Haifei Zhu，Fukun Lin，Yongfang Li，Physical Review A，2015 91，023827]，啁啾结构方案，参见文献[C.R.Phillips，B.W.Mayer，L.Gallmann，M.M.Fejer，U.Keller，Optics Express，2014 22 9627-9658]，温度渐变方案，参见文献[Jianhua Chang，Zhenbo Yang，Qing Sun，OPTIK，2015 126 1123-1127]等方法都着眼于拓展中红外差频带宽。

然而上述几种方法中存在的主要问题是波长的转换带宽的拓展与带宽的平坦性仍然不能得到统一的解决，即带宽在变大的同时，顶部却会变的不平坦。

经过对现有技术文献的检索发现，利用周期极化晶体的色散特性和准相位匹配技术能得到可调谐高效宽带差频光转换，而非周期极化晶体突破了周期极化晶体对于周期性的限制，可以灵活高效地提供多个倒格矢，同时实现多个准位相匹配过程。但现有技术文献中还没有发现利用准相位匹配原理，通过提供大量倒格矢以满足准相位匹配过程的非周期极化晶体，来实现较大的转换带宽和较好平坦性的尝试。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种增加中红外差频转换带宽的方法，该方法中所使用的非周期极化晶体的最优结构通过遗传算法计算得出，可在群速度匹配点附近提高差频光转换带宽且保持较好的平坦性。本发明从准相位匹配技术和群速度匹配原理出发，利用非周期极化晶体，旨在得到更宽且平坦的差频光转换带宽。

为实现上述目的，本发明提出的技术方案为一种增加中红外差频转换带宽的方法，使用的晶体的材料是5mol％掺氧化镁的铌酸锂晶体，该晶体具有非周期结构，可在满足准相位匹配的条件下，在群速度匹配点附近实现较大且顶部较为平坦的宽带，晶体形状呈长方体结构，使用时光束的入射方向与极化方向垂直，且沿着光束的入射方向被极化为长度相等的单元畴。

进一步，上述单元畴的极化方向可选择向上或向下。

连续几个方向相同的单元畴组成一个正畴或负畴。

该晶体的最优结构由遗传算法计算得出。

作为优选，上述光束为平面光束。

作为优选，上述晶体通过室温下电场极化技术制备。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1，本发明从群速度匹配技术和准相位匹配技术出发，通过遗传算法计算得出最优的非周期极化晶体结构，得到较宽且较平坦的准相位匹配带宽。

2，本发明通过群速度匹配技术和优化后的非周期极化晶体，可实现较大且平坦的差频光转换带宽，以固定信号光时的差频为例，在0型(e+e→e)和I型(o+o→e)准相位作用下利用设计的非周期极化铌酸锂晶体实现了796纳米和747纳米的带宽，相对于周期结构分别增加了513纳米440纳米纳米。

附图说明

图1是5mol％掺氧化镁铌酸锂晶体群速度矢谐量及极化周期与波长关系曲线图。

图2是利用周期极化晶体得到的归一化差频转化效率。

图3是通过遗传算法计算得到的近似最优的5mol％掺氧化镁非周期极化铌酸锂晶体结构示意图。

图4是优化后的5mol％掺氧化镁非周期极化铌酸锂晶体在0型准相位匹配下的归一化差频光转化效率。

图5是优化后的5mol％掺氧化镁非周期极化铌酸锂晶体在I型准相位匹配下的归一化差频光转化效率。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步详细的说明。应当理解的是，此处所描述的优选实例仅用来说明和解释本发明，并不用于限定该发明。

本发明中，晶体使用的材料是5mol％掺氧化镁的铌酸锂晶体，该晶体具有非周期结构，在泵浦光或信号光其中一个固定的情况下，能在特定的波长范围内同时满足群速度匹配和准相位匹配条件。晶体形状呈长方体结构，使用时平面光束的入射方向与极化方向垂直，且沿着光束的入射方向被极化为长度相等的单元畴，每个畴的长度相等，每个单元畴的极化方向可选择向上或向下，连续几个方向相同的畴组成一个正畴或负畴。晶体的最优结构通过遗传算法计算得出。入射的平面光束方向垂直极化方向和每个单元畴的界面。晶体由室温下电场极化技术制备，晶体总长度为10毫米左右，每个畴的长度为3微米，总共3333个畴。

对于周期极化铌酸锂，差频光的输出功率正比于sin c²(Δk_QPML/2)，其中波矢矢谐量Δk_QPM由下式给出：

Δk_QPM＝Δk-G＝2π(n_p/λ_p-n_s/λ_s-n_i/λ_i-1/Λ)..............(1)

式中，Δk为相位矢谐量，G为晶体提供的倒格矢，Λ为晶体的极化周期，λ_p,s,i和n_p,s,i分别为泵浦光、信号光和差频光的波长和折射率，n_p,s,i由Sellmeier[O.Gayer，Z.Sacks，E.Galun，A.Arie，Appl.Phys.B，2008，91，343–348]给出。当满足准相位匹配时，Δk_QPM＝0，则极化周期为：

Λ＝1/(n_p/λ_p-n_s/λ_s-n_i/λ_i)..............(2)

对于群速度矢谐量，在此我们假设将信号光固定，将波矢矢谐量对差频光的角频率求导可得：

其中第一项为：

式中，v_g,p和v_g,i分别为泵浦光和差频光的群速度。若满足群速度条件，则dΔk/dω_i＝0此时意味着泵浦光和差频光的群速度一样大，所对应的波长为群速度矢谐量为0的波长。

假设入射光波为平面波，为了利用晶体中的最大非线性系数，入射光方向垂直极化方向和每个畴的界面，假设泵浦光和信号光在传播过程中的能量损失可以忽略不计，在小信号近似和慢变振幅近似下，差频光的转化效率为，三波耦合方程为：

其中，E_p、E_s、E_i分别是泵浦光、信号光和闲频光的电场强度，对公式(4c)进行积分可得：

其中，则差频转换效率为：

其中，d(z)是描述畴反转结构的归一化常数，当d(z)＝1时表示极化方向向上，当d(z)＝-1时表示极化方向向下，L为晶体长度，c为光速，ε₀为真空电容率。定义有效非线性系数d_reff(λ)可用来描述差频光的转换效率，设每个单元畴的长度为ΔL，晶体由N个长度相同的畴组成，晶体总长L＝NΔL，则：

其中q＝0,1,2,3,……N,每个单元畴位于z_q和z_q+1内。通过对d(z)的优化即可得到理想的非周期极化晶体结构。

本发明中，将用于描述差频光的输出效率的有效非线性系数用分贝表示为η＝10×lg(d_reff²)dB，转化带宽定义为差频转换效率-3dB时差频光的波长范围。

基于以上理论知识，本发明从群速度匹配技术和准相位匹配技术出发，提出了一种利用非周期极化晶体来实现更宽且平坦的差频光转换带宽的方法。以下以5mol％掺氧化镁非周期极化铌酸锂晶体为最优实施例进行说明。具体计算过程如下：

步骤1：对于同时满足群相位匹配和准相位匹配的中心波长以及5mol％掺氧化镁周期极化铌酸锂晶体的极化周期可通过以下方法求得：为了说明本方法，在本发明中将信号光固定为1.550微米(下同)。在本发明中晶体的温度设定为20度，晶体的长度取1厘米，根据sellmeier方程以及公式(3)可以计算出群速度矢谐量为0时的中心波长，该波长为满足群速度匹配的波长。然后根据公式(2)计算出群速度匹配的波长所对应的极化周期，此时群速度匹配和准相位匹配条件同时得到了满足,计算结果由图1给出，其中实线表示群速度矢谐量，虚线表示准相位匹配极化周期。由图可以看出，对于0型和I型准相位匹配，群速度匹配波长分别为3.338微米和4.767微米，所对应的极化周期分别为30.63微米和18.43微米。

步骤2：根据sinc²(Δk_QPML/2)以及公式(1)可以计算出5mol％掺氧化镁周期性极化铌酸锂晶体的归一化转换效率曲线，如图2所示，可以看出在满足群速度匹配的条件下对于0型和I型准相位匹配带宽分别为283nm和307nm。

步骤3：根据公式(7)，利用遗传算法对能用来描述非周期极化晶体差频转换带宽的函数dreff进行设优化。经过优化后可得到近似最优的非周期结构畴结构，其部分畴结构如图3所展示，其中箭头向上表示正畴，箭头向下表示负畴。

步骤4：对于0型(e+e→e)准相位匹配，将信号光固定为1.550微米，泵浦光从1.053微米到1.099微米每隔5纳米取一个波长，使这9个泵浦光沿垂直于晶体极化方向的每个畴的界面正入射，可得到如图4所示的差频转换效率与差频光波长关系示意图，从图中可看出，差频光的转换带宽为796纳米纳米，且保持较高的转换效率与平坦度。

步骤5：对于I型(o+o→e)准相位匹配，将信号光固定为1.550微米，泵浦光从1.149微米到1.189微米每隔5纳米取一个波长，使这8个泵浦光沿垂直于晶体极化方向的每个畴的界面正入射，可得到如图5所示的差频转换效率与差频光波长关系示意图，从图中可看出，差频光的转换带宽为747纳米纳米，且保持较高的转换效率与平坦度。

综上所述，本发明提出一种增加中红外差频频转换带宽的方法中所展示的极化晶体的群速度矢谐量以及周期性极化晶体的极化周期由群速度匹配原理和准相位匹配原理计算得出。另外，本发明中所使用的最优的非周期极化晶体结构通过遗传算法优化得出，可在群速度匹配点附件保持较高且平坦的差频转换效率而且还能提高差频转换带宽，并实现了，并在0型(e+e→e)和I型(o+o→e)准相位作用下利用本发明提出的非周期极化铌酸锂晶体实现了实现了796纳米和747纳米的带宽，相对于周期结构分别增加了513纳米440纳米纳米。