一种在光学超晶格中同时实现激光倍频和线聚集的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及非线性光学与超晶格材料技术的交叉领域，特别涉及一种在光学超晶 格中同时实现激光倍频和线聚集的方法。
【背景技术】
[0002] 在激光热处理、激光切割等实际应用中，经常需要线聚焦的光束。在线性光学中， 通常利用轴棱锥来实现光束的线聚焦。轴棱锥将入射光束进行等倾弯折，通过光波的干涉 效应抵消了衍射效应，使得产生的出射光束在一定距离内有近似衍射不变的特点，亦即光 束的线聚焦。但由于轴棱锥是锥体结构，因此存在加工难度大、成本高等缺点，且无法实现 激光的频率变换。
[0003] 最近，有人从菲涅尔透镜得到启发，制作出了菲涅尔轴棱锥。相对于传统轴棱锥， 菲涅尔轴棱锥可以由塑料压片制造，重量轻成本低，便于大量生产。虽然有成本低的优势， 但由于原理上的固有缺陷，菲涅尔轴棱锥在干涉区域内会出现大量光强很低的"空洞"区， 线聚焦光束质量没有传统轴棱锥高。
[0004] 另一方面，在非线性光学中，基于准相位匹配原理设计的光学超晶格，能在特定的 方向上同时完成激光的倍频、和频与差频等多种功能。不久前，南京大学的秦亦强等人进一 步拓展了光学超晶格的功能，通过畴结构的设计实现了倍频波的点聚焦，用非线性光学的 方法实现了线性光学中凸透镜的点聚焦功能。
[0005] 利用准相位匹配原理设计光学超晶格，通过非线性光学的方法实现激光的线聚 焦，一方面可以克服轴棱锥曲面加工复杂昂贵的缺点，通过成熟的光刻与极化工艺低成本 地制作具有任意畴结构的光学超晶格；另一方面又可以克服菲涅尔轴棱锥有衍射空洞的缺 点，线聚焦光束质量更加优良。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题是，提供一种集成化程度高、成本低的且在光学超晶格 中同时实现激光倍频和线聚集的方法。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，在光学超晶格中通过畴结构的 设计，用准相位匹配的原理实现线性光学的目标，具体包括以下步骤：
[0008] (1)在超晶格中设计上下两部分周期相同的倾斜的畴结构，且以晶体通光方向为 轴成对称分布；
[0009] (2)当基波垂直入射超晶格中，所述超晶格的上半部分会产生向下弯折的激光倍 频波，下半部分会产生向上弯折的激光倍频波，且上半部分产生的激光倍频波和下半部分 产生的激光倍频波的弯折角度相同，强度相同；这样在上半部分和下半部分的交叠区域就 会产生类似于轴棱锥的线聚焦干涉图样；
[0010] (3)激光进入超晶格后，超晶格的畴结构提供的倒格矢可以补偿基波和激光倍频 波之间的波矢失配，从而形成波矢匹配的三角形。
[0011] 通过上述技术方案，在超晶格中设计上下两部分周期相同的倾斜畴结构（超晶格 中的畴结构为周期性对称倾斜的树叶纹理状形态），并以晶体通光方向为轴成对称分布； 当基波垂直入射超晶格中，由于上下两部分畴结构具有不同方向的倒格矢，超晶格上半部 分会产生向下弯折的倍频波，下半部分会产生向上弯折的倍频波，两部分激光的弯折角度 相同，强度相同，这样在两者交叠的区域就会产生类似于轴棱锥的线聚焦干涉图样；激光进 入超晶格后，由于基波和倍频波之间存在波矢失配，需要超晶格的畴结构提供的倒格矢来 弥补，由于是非共线匹配，因此形成一个波矢匹配的三角形，即通过光学超晶格中周期性对 称倾斜的畴结构，以畴结构的周期匹配激光的波长，以畴结构的倾斜角度调节线聚焦的长 度，可以同时实现激光的倍频和线聚焦；不仅集成化程度高，而且可以有效地降低生产成 本。
[0012] 进一步的改进在于，所述步骤（3)中构成的波矢匹配的三角形，采用&和K2分别 表示基波和激光倍频波的波矢，G表示超晶格的畴结构提供的倒格矢，基波的波矢K1和激光 倍频波的波矢1(2与倒格矢G三者在准相位匹配的条件下形成一个闭合三角形。
[0013] 进一步的改进在于，所述基波的传播方向和超晶格内激光倍频波传播方向、超晶 格外激光倍频波传播方向所形成的夹角分别为α和Θ。
[0014] 进一步的改进在于，所述超晶格的畴结构的倾斜方向与超晶格畴结构提供的倒格 矢G的方向垂直，所述超晶格的畴结构的倾斜方向与基波所形成的夹角为β。
[0015] 进一步的改进在于，所述超晶格的畴结构的倾斜方向和水平方向的周期分别为 Λ JP Λ 2，倒矢格G与基波的波矢K1和激光倍频波的波矢K 2的关系式为：
[0017] 周期G的关系式为：Λ 1= 2 31/G ;
[0018] 周期A1与周期Λ 2的关系式为：Λ 2= Λ /sine ;
[0019] 而畴结构的倾斜方向与基波所形成的夹角为β与倒矢格G和基波的波矢K1和激 光倍频波的波矢K2的关系式为：
[0020] β + Ji /2 = arccos ((^/+G2-K22) /^1G)；
[0021] 其中n2 sin a = Ii1 sin θ，Θ的大小由入射基波的半径和线聚集长度可以得到； Ii1，n2分别为激光倍频波在空气中和光学超晶格中的折射率。
[0022] 进一步的改进在于，所述超晶格的材料为二方晶系的畸变|丐钦矿结构材料或正交 晶系的非线性光学晶体材料。
[0023] 作为本发明的优选方案，所述三方晶系的畸变钙钛矿结构材料为铌酸锂或钽酸 锂，所述正交晶系的非线性光学晶体材料为磷酸钛氧钾。
[0024] 作为本发明的优选方案，所述基波的波长为1. 064 μ m ;当所述超晶格的材料为铌 酸锂时，匹配温度为150°C。为了避免光折变效应，匹配温度选用150°C。
[0025] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于非线性光学的原理，以超晶格 畴结构的制备取代了复杂的光学曲面的制造；通过光学超晶格中周期性对称倾斜的畴结 构，可以同时实现激光的倍频和线聚焦；不仅集成化程度高，而且可以有效地降低生产成 本。
【附图说明】
[0026] 下面结合附图和本发明的实施方式进一步详细说明：
[0027] 图1是本发明光学超晶格中激光倍波频线聚焦示意图；
[0028] 图2是本发明的光束波矢匹配示意图；
[0029] 图3是本发明以铌酸锂超晶格为例的畴结构局部图；
[0030] 图4是本发明的激光倍频波在超晶格外传播情况图。
【具体实施方式】
[0031] 该在光学超晶格中同时实现激光倍频和线聚集的方法，具体包括以下步骤：
[0032] (1)在超晶格中设计上下两部分周期相同的倾斜的畴结构，且以晶体通光方向为 轴成对称分布；
[0033] (2)当基波垂直入射超晶格中，所述超晶格的上半部分会产生向下弯折的激光倍 频波，下半部分会产生向上弯折的激光倍频波，且上半部分产生的激光倍频波和下半部分 产生的