实现中红外波段激光光源三次级联高效频率转换的非线性耦合方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种激光光源禪合方法，具体是指一种实现中红外波段激光光源Ξ次 级联高效频率转换的非线性禪合方法，用来产生一些极具利用价值的中红外波段激光光 源。
【背景技术】
[0002] 2-5皿中红外光源在多个方面一直有着重要的应用，而目前获取中红外光源的主 要方法就是非线性光学的频率转换，如ΟΡΟ，差频转换等。
[0003]非线性光学在频率转换W及获得新福射光源领域扮演重要的角色。在波长转化进 程中，不同频率的两束光入射到非线性介质材料中，会W倍频(SHG)，混频W及级联的形式 产生第Ξ束光。在非线性晶体射角度、溫度和其他调谐机制都十分敏感。因此在现实中很难 实现高效的频率转化，为了实现高效的频率转换，需要满足相位匹配条件，该条件对入射光 频率、入射角有很高的要求。
[0004] 2008年化imSuchowski教授首次将"绝热演化"理论从原子物理领域借鉴到非线 性光学中。他通过类比原子布局中快速绝热通道(RAP)的方法，提出了一种可在和频中获得 高效能量转化W及大的带宽响应的绝热方案，并且给出了其对应的绝热条件。运种方法不 仅可W解决宽频带光场之间的转化问题，还能同时获得近乎完全的转化。
[0005] 随后，GilPorat等人基于绝热理论中的暗态理论给出了两个Ξ波混频过程同时 发生的理论分析，并利用准相位匹配技术调制出晶体在实验上实现了激光上转换过程，该 实验实现了近乎100%的频率转化。在实现两个级联的方法中，非线性晶体的禪合系数只需 满足反直观序列和绝热条件即可，由于Ξ个或多个级联过程设及的禪合系数较多，其调制 的序列也与两个级联的不同。一直W来都没有人给出Ξ重或多重级联的非线性晶体禪合系 数调制方法。
[0006]Ξ次级联过程为频率为ω1和频率为ωP1的累浦光发生第一次Ξ波混频产生频率 为ω2的光，然后频率为ω2的光与累浦光ωΡ2发生第二次Ξ波混频产生频率为ω3的光，频率 为ω3的光与累浦光ωΡ3发生第Ξ次级联产生频率为ω4的输出光。
[0007]图1为Ξ个差频(DFG)的过程。
[000引在平面波累浦无耗近似的情况下，Ξ次级联过程中频率为ωι，《2,《3,《4光的振 幅满足下面的方程
[0009]
[0010]运里
[0011]
[001^ 其中I林=[所，4山=1，2,3,4)为光振幅，
[001：3] Ki2=[x(2)(c0i,c0pi,c02)wi2/kic2][Re(4pi)+i Ιηι(Φρ?)]，
[0014] K23=[xU)(wi,c0pi，c02)wi^kic2][Re(4pi)+iIm(4pi)]，K34=[xU)(wi,c0pi，c02) wi2/kic2][Re(i])pi)+i Ιηι(Φρ?)]
[001引Kij= (ωAj/ω )Kji*(i，j= 1，2，3，4，i辛j)为每个过程中的禪合强度，
[0016] Δ ki = ki -kpi -k2, A k2= ki -kp2-k2and Δ k3 = ki -kp3 -k2为每个过程中的相位 失配山= η^ω^)ω八为波数。
[0017]在准相位匹配条件下即Aki=Ak2=Ak3 = 0,当禪合强度满足[001引Ki2=Kiexp(-(z-L/2-s)^wi2)
[0019] Κ23 = Κι
[0020] Κ34 =Koexp(-(z-L/2+s)Vwi^)
[0021] κ〇，κι为禪合常数，S决定禪合最大值的位置并且决定禪合的顺序即反值观顺序，W1 决定且禪合变化率的位置，L为晶体的长度。κ〇<<κι时，我们就能实现高效的转化，而多重 准相位匹配和禪合强度的调节可W通过晶体的设计而实现。
[0022] 多重准相位匹配技术，是通过设计光学超晶格光栅结构来实现多重准相位匹配， 它需要在同一块晶体上设计特定的畴反转结构，来同时实现多个准相位匹配过程。
[0023]无周期光学超晶格是一种没有固定周期的超晶格结构，它是小畴宽W-定规律的 构建而成。该结构在同一块晶体中可W提供多个倒格矢，W同时实现多个变频过程。若能提 供适当的禪合系数，便可使转换效率大大提高。在结构设计过程中，每一种结构都与一个结 构函数相对应，当结构函数确定下来，超晶格的结构也就同时被确定下来了。
【发明内容】
[0024]本发明的目的是提供一种实现中红外波段激光光源Ξ次级联高效频率转换的非 线性禪合方法，该方法能够解决Ξ次级联非线性高效频率转换的禪合强度的设计调制方法 和多重准相位匹配的问题，并且能够获得极具利用价值的中红外波段激光光源。
[0025]本发明的上述目的通过如下技术方案来实现的：一种实现中红外波段激光光源Ξ 次级联高效频率转换的非线性禪合方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
[0026] (1)激光光源W及PPLN晶体的选取；
[0027] (2)对PPLN晶体进行处理，实现光波在PPLN晶体中传输的准相位匹配：
[002引（3)设定PPLN晶体的正反畴宽度，实现恒量式跨越式禪合强度Κ12，Κ23，Κ34的调制：
[0029] (4)禪合强度Κ12，Κ23，Κ34高斯形式的调制；
[0030](5)光波的转换过程，实现信号光源向中红外波段波长的转化。
[0031 ]本发明中，所述步骤(1)的具体过程如下：
[0032] 选取四个激光光源，它们分别为：
[0033] 信号光源频率为ωι，波长为605皿，光强为lOOMW/cm2，
[0034] 累浦光源1频率为ωρ?，波长为1550皿，光强为2GW/cm2，
[0035] 累浦光源2频率为ωp2，波长为2700皿，光强为20GW/cm2，
[0036] 累浦光源3频率为ωp3，波长为2900皿，光强为2GW/cm2，
[0037] 选取3.5畑1的？?^^曰日体，
[0038] 所述步骤(2)的具体过程如下：
[0039] 首先Ξ个相位失配为Aki，Δk2，Ak3，设定Ξ个极化周期A1 =h+l2,A2 =li' + b'，八3 = 1"1+1"2,其中，h，h'，h"为正畴宽度，I2，l2'，l2"为反转畴宽度然后在PPLN晶体 设计中极化周期长度设定为Λ1=Δ?α，Λ2=Δk2,Λ3=Δ 个极化周期连着然后再重 复直到PPLN晶体达到3.5cm，则相位匹配就得到满足，
[0040] 所述步骤(3)的具体过程如下：
[OOW调制恒量式跨越式禪合强度K12，K23，K34，S设定为5mm，Wi设定为9mm模拟的S个禪 合强度K12，K23，K34分别为：
[0045] κι> >κ〇
[0046] Ki，是与光的κ〇频率和强度、折射率及非线性系数相关的参数，通过累浦光强来控 制κι> >κ〇,ωpi的光强等于ωρ3，ωρ2的光强控制在ωpi的光强的14到22倍之间，从而满足Κ1 >>κ日的条件，
[0047] 所述步骤(4)的具体过程如下：
[0048] 采用不同的正畴宽度来控制有效非线性系数使得满足禪合强度所需要的条件，定 义A 为占空比，Di，化和化决定着每个过程有效非线性系数幅值大小，从而控制着禪合 强度，对于每个极化周期里面化都是不一样的，设定每个占空比为化由0.5到1缓慢渐变，即 1油八l/^2渐变到八l，
[0049] 〇2-直为1，〇3由0.6到1，再从0.6到0.5缓慢渐变，即h"由3Λ3/5渐变到Λ3再由3 八3作渐变到Λ3，调制之后Ξ个禪合强度满足所需要的禪合强度，
[0050] 所述步骤(5)的具体过程如下：
[0051] Ξ个累浦光和输入信号光同时通过PPLN晶体，累浦光1和输入信号光在PPLN晶体 中通过禪合强度Κ12发生差频产生波长为lOOOnm的光波，然后产生的lOOOnm的光波与累浦光 2通过禪合强度K23第二次发生差频产生波长为1640nm的光波，最后由1640nm的光与累浦光3 通过禪合强度K34发生第Ξ次差频产生3800nm的光，Ξ个过程都是同时发生的；
[0052] 通过上述步骤实现从波长607nm到中红外波长3800nm的Ξ次级联转化。
[0053]按照本发明提出的禪合强度调制方法，如图2所示，禪合强度K12和K34满足反直观 序列，K23是一个恒量，并且K23>>K12，K34,我们称之为恒量式"跨越"禪合调制。运种调制方 法可W延伸到多个级联过程的禪合系数调制中，只需在满足反直观序列的情况下，使得中 间的禪合系数为恒量，并且数值远大于首尾两个禪合系数的峰值。
[0054]我们用无周期光学超晶格的方法实现了Ξ重级联过程中的相位匹配。在晶体的极