一种用于精细调控二阶非线性光学过程的方法

摘要

本发明公开了一种通过人工微结构设计精细调控二阶非线性光学过程的方法。传统的准相位匹配（QPM）理论通过设计光学超晶格对非线性过程提供相位匹配，其中光学超晶格的周期由非线性过程中的波矢失配所决定。理论计算表明这种方法无法严格确保非线性过程中能量和相位变换的单向性，在高转换效率的情况会产生显著误差，并且难以在相位匹配的同时对谐波相位进行调控。本发明提出在设计超晶格结构时引入相对相位差角这一参量，通过选取合适的相对相位差角，可以精细调控非线性过程中的倍频波或基波的能量变化和相位变化，在提高非线性过程转换效率方面有重要应用。

权利要求

1.一种可以同时实现能量和相位精细调控的相位匹配改进方法，适用于倍频非线性光学过程，其特征是在设计超晶格结构时除了考虑波矢失配以外还引入了一个重要参量：相对相位差角，此方法所对应的超晶格结构函数可以表示为：f(x)是超晶格畴结构函数；

A1、A2分别是基波和倍频波的复振幅；

Δk为倍频过程中的波矢失配，Δk＝k2‑2k1；

φ是相对相位差角，代表的是非线性光学过程中非线性极化波和倍频波之间的相位差值，

φ连续取值0～2π，对应不同类型的能量和相位的精细调控。

说明书

一种用于精细调控二阶非线性光学过程的方法

技术领域

[0001] 本发明属于非线性光学领域，具体涉及人工微结构材料中的非线性光学能量控制和相位匹配技术，其中所使用的光学超晶格可以根据预设的倍频波和基频波设计。

背景技术

[0002] 非线性光学是现代光学中的一个重要领域，是研究强光和介质之间相互作用的一门学科。倍频、和频、差频等二阶非线性光学效应一直是该领域关注的热点。利用天然非线
性材料的二阶非线性系数，可实现频率转换等二阶非线性过程。然而，由于材料的色散导致
相位失配，降低了转换效率。以倍频光为例，Δk＝k2‑2k1，表示倍频过程的相位失配，只有当
Δk＝0的时候，基波的能量才能持续转换为二次谐波，实现有效的转换效率。

[0003] 1962年，Armstrong和Bloembergen提出了准相位匹配概念(QPM)，通过人工调制微结构，引入倒格矢弥补相位失配，从而实现相位匹配，获得有效的非线性光学效应。实现这
种相位匹配方法的非线性材料被称为光学超晶格。传统的QPM条件是相位失配量Δk＝G，G
是由光学超晶格提供的倒格矢。在小信号近似下，QPM方法可以获得良好的相位匹配效果。
然而在转换效率较高而小信号近似不成立的情况下，理论计算表明传统QPM条件并不能严
格保证倍频波能量持续增加。图1计算了一个典型的光学超晶格中的倍频演化情况，其中传
统QPM条件得以满足，从中可以看出随着传播距离的增加，基波(FW)能量逐渐转移到倍频波
(SHG)中，而倍频波能量达到最大值时候，能量出现回流，倍频波开始变小，基波变大。

[0004] 为了解决这个问题，文献Sci.Rep.6,27457(2016)提出了一种新型的超晶格设计方法，称为严格准相位匹配理论(Rigorous Quasi Phase Matching condition，RQPM)，该
方法的出发点是倍频耦合波方程：

[0005]

[0006] 其中K是耦合系数，f(x)是光学超晶格的结构函数，A1和A2是基波和倍频的复振幅。

[0007] RQPM条件的推导是非常简单的。基于不同目的，可以得到四种不同的相位匹配条件，分别称为Type‑I、Type‑II、Type‑III和Type‑IV RQPM条件。

[0008] 其中Type‑I RQPM条件和传统QPM条件较为类似，可以让倍频过程中倍频波能量单调递增。相反的，Type‑II RQPM条件可以保证倍频波能量单调递减，整个倍频过程只需要满
足 通过这两种不同的超晶格结构设计，可以控制能量转换方向。这种控制能量
转移方向的能力对于参量下转换过程是非常有用的，比如差频过程和光参量放大。

[0009] 非线性光学中另一个非常重要的现象是非线性相移，Type‑III和Type‑IV RQPM条件可以控制非线性过程中倍频的相移方向。然而，现有的RQPM方法只能对非线性过程的能
量或相位之一进行控制，不能连续控制和同时精细调控倍频波的能量和相位。

发明内容

[0010] 为了解决传统QPM和RQPM方法在非线性过程中不能连续控制和同时精细调控能量和相位的问题，本发明提出了一种改进方法，具体改进方案如下：

[0011] 在非小信号近似条件下，引入相对相位差角参量，设计具有如下结构函数的光学超晶格结构对非线性过程进行调控：

[0012]

[0013] f(x)是超晶格畴结构函数；

[0014] A1、A2分别是基波和倍频波的复振幅；

[0015] Δk为倍频过程中的波矢失配，Δk＝k2‑2k1；

[0016] φ是相对相位差角，代表非线性光学过程中非线性极化波和倍频波之间的相位差值。φ连续取值0～2π，对应不同类型的能量和相位的精细调控。

[0017] 本发明具有有益效果。本发明通过连续改变非线性极化波和倍频波之间的相位差值，同时实现倍频波能量和相位的精细调控。与传统QPM方法和RQPM方法相比具有更大的调
控自由度。超晶格的结构可以根据预设的倍频波和基频波来设计。当相对相位差角φ取某
些特殊值时，所得结构可以满足RQPM匹配条件(如φ＝0对应于Type‑I RQPM条件)，而当相
对相位差角φ取一般值时两者结构和性质具有显著不同，因此本方法可视为RQPM方法在一
般情况下的推广。

附图说明

[0018] 图1是传统QPM方法对应的光学超晶格中的倍频过程能量转换。

[0019] 图2是对于本发明的超晶格结构，出射端倍频波和基波能量随φ变化的示意图。

[0020] 图3是对于本发明的超晶格结构，出射端倍频和基波相位随φ变化的示意图。

[0021] 图4是随φ变化，在不同区间，倍频波和基波在超晶格传输过程中能量和相位的变化示意图。

具体实施方式

[0022] 下面结合说明书附图和具体实施例，对本发明的技术方案做进一步详细说明。

[0023] 具体参数设置如下：超晶格的长度0.3cm，波长为1064nm的基波从超晶格的左端面入射，通过超晶格产生波长为532nm的倍频波。

[0024] 图2显示，在0≤φ＜π/2时，随着φ的增加，超晶格出射端倍频波转换效率减少；在3π/2＜φ≤2π时，随着φ的增加，超晶格出射端倍频波转换效率增加。以上两种情况能流方
向均为基波向倍频波转移，因此均可实现有效的倍频波输出。

[0025] 图3显示，在0≤φ＜π/2和3π/2＜φ≤2π时，通过设置适当的φ值，可以在实现有效的谐波输出的同时实现对相位的调控。

[0026] 图4显示，在四个象限任意取φ，各象限表示同时精细调控能量和相位。其中，当φ位于第1、4象限时，倍频波能量单调递增；当φ位于第2、3象限时，倍频波能量单调递减；当
φ位于第1、2象限时，倍频波相位单调递减；当φ位于第3、4象限时，倍频波相位单调递增。
当φ位于x轴正负轴和y轴正负轴时，则恰好可以满足4类RQPM条件。