专利名称：用于光变换的晶体的制作方法
技术领域：
本发明在其一些实施例中涉及在光变换中使用的光频率变换器，并且更特别地， 但不是专门涉及高效宽带光变换。
背景技术：
可调谐频率光辐射的产生通常依赖于晶体中的非线性频率变换。在该过程中，两 个频率或两种颜色的光被引入到非线性晶体中，导致具有它们的和或差频率的第三种颜色 的产生。也被称为上变频或下变频的这些过程通常对输入频率非常敏感，如此需要角度、温 度或其它调谐机制以便支持高效的频率变换。当试图高效地变换宽带频率光信号时，这一 难点特别重要，因为难以同时使宽频范围的相位匹配。目前，大多数高效频率变换设备依赖于单个非线性晶体，其被温度或角度调谐以 增强效率。典型地，这仅导致被高效变换的窄的光谱带。其中非线性晶体被周期性修改的 准相位匹配(QPM)导致改进的效率，但是仍在窄的预定频带中。已示出分段的周期性结构 [1]或非周期性的准相位匹配[2]改进了带宽响应，但是代价是大大降低的效率。Fejer及其同事已将非周期性QPM结构用于由超短脉冲产生的二次谐波产生 (SHG)信号的啁啾(chirp)调谐。他们表明通过使用这样的结构，不仅增强了 SHG信号，而 且还可以控制过程中的暂时啁啾增益[3]。最近Baudrier-Raybaut及其同事所使用的结构 是完全杂乱的材料(随机准相位匹配)，其导致极端松散的频率选择性并且引起宽范围频 率内的转换(inversion)，不过同样它具有非常低的效率[4]。因此，虽然实现了宽带频率 变换，但是具有非常低的效率。迄今就我们所知道的，已证明宽带频率变换是低效率的，并 且高效的变换器是窄带的。目前，不知道宽带和高效变换的结合。另外的背景技术包括[1]K. Mizuuchi, K. Yamamoto, M. Kato,禾口 H.Sato 的 Broadening of the Phase-Matching Bandwidth in Quasi—Phased—Matched Second Harmonic Generation, IEEE Journal of Quantum Electronics 30 (7)，15961604 (1994).[2]M. M. Fejer, G. A. Magel, D. H. Jundt,禾口 R. L. Byer 的 Quasi—Phase—Matched Second Harmonic Generation Tuning and Tolerances, IEEE Journal of Quantum Electronics 28(11),2631-2654 (1992) ；M. L. Bortz, M.Fujimura,禾口 M. M.Fejer 的 Increased acceptance bandwidth for quasi-phasematched second harmonic generation in LiNb03waveguides, Electronics Letters 30 (1),34-35 (1994) [3]M. A. Arbore, A. Galvanauskas, D. Harter, M. H. Chou,禾口 M. M. Fejer 的 Engineerable compression of ultrashort pulses by use of second-harmonic generation in chirped—period—poled lithium niobate, Optics Letters 22(17), 13411343(1997).[4]M. Baudrier-Raybaut, R. Haidar, Ph. Kupecek, Ph. Lemasson,禾口 E. Rosencher 白勺 Random quasi phase matching in bulk polycrystalline isotropic nonlinearmaterials, Nature 432 (7015)，374—376(2004).[5]R. ff. Boyd, Nonlinear Optics(Academic Press,2005)第 79—83 页 [6]A. Messiah, Quantum Mechanics Vol. II(Wiley,1963)第 739—759 页
发明内容
本实施例意图提供高效宽带频率变换。使用强的泵浦激光强度，并且晶体具有绝 热结构，如将在下面解释的那样。一种提供绝热结构的方式是通过沿着晶体逐渐改变调谐特性来修改QPM晶体结 构。如将要示出的那样，结果是宽频率范围上的高效频率变换。除了 QPM之外，还包括实现 沿着晶体的相位失配(mismatch)参数的绝热改变的任何其他技术。根据本发明的一个方面，提供一种用于波长变换的晶体，所述晶体在第一端 和第二端之间具有纵向维度，并且具有包括多个调谐周期的周期性极化结构(pole structure)，其中相应周期的调谐沿着所述纵向维度从所述第一端到所述第二端绝热地变 化。该晶体可以包括准相位匹配晶体。该晶体可以被配置成与处于足以使得非耗竭泵浦近似(imcbpleted pump approximation)适用的强度下的激光泵浦光束一起使用。在一个实施例中，所述调谐是对用于所述第一端处的变换的输入光频率的强负失 配，并且是对所述第二端处的所述频率的强正失配。在一个实施例中，所述调谐是对所述第一端处的输入光频率的强正失配并且是对 所述第二端处的所述频率的强负失配。在一个实施例中，所述绝热变化是沿着所述维度连续递增的。在一个实施例中，每个周期具有所感兴趣的光波长的数量级内的周期长度。晶体可以具有沿着所述纵向维度的所述波长的幅度的基本上七个数量级的长度。晶体可以是利用第一调谐向入射光提供例如周期的组群(group)，之后是接连 (succeeding)组群，其中与相应的在前组群相比，每一个接连组群在所述调谐中具有边际 变化(marginal change) 0可替换地，每个周期可以稍微与其前任偏移。典型地，选择的可 替换方案取决于制造容限并且有可能制造的最小可能增量。在一个实施例中，所述调谐根据相应周期的长度而提供。根据本发明的第二方面，提供一种用于高效带宽波长变换的装置，其包括准相位匹配的非线性晶体，其具有在所述晶体的长度上绝热调谐的周期；相干光源输入端，其用于以频率范围内的输入频率接收光源光；泵浦激光器输入端，其用于以预定泵浦频率接收激光；以及输出端，其用于以输出频率输出光，所述输出频率是所述输入频率和所述泵浦频 率的函数。在一个实施例中，所述函数包括和函数。在一个实施例中，所述函数包括差函数。 在一个实施例中，所述泵浦激光器输入端以基本上高得足以证明非耗竭泵浦近似 有效(justify)的强度提供激光。
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泵浦激光器可以在相对窄频率范围上提供光。根据本发明的第三方面，提供一种制造用于波长变换的晶体的方法，包括利用反向偏振区的层的行进(progression)来生长所述晶体；在行进期间逐渐改变所述层的厚度，以便形成准匹配非线性晶体。除非另有定义，本文所使用的所有技术和/或科学术语都具有本发明所属的领域 的普通技术人员通常所理解的相同含义。尽管类似或等同于本文所述的那些的方法和材料 可以用于实行或测试本发明的实施例，但是在下文中描述示例性方法和/或材料。在冲突 的情况下，则遵照专利说明书(包括定义)。此外，材料、方法和示例仅是说明性的并且不意 图成为必要的限制。
在本文中，参考附图仅以示例的方式描述本发明的一些实施例。现在将详细参考 附图，要强调的是为了本发明实施例的说明性讨论，以示例的方式示出特定细节。就这一点 来说，利用附图的描述使得本领域技术人员认识到可以如何实行本发明的实施例。图1是示出被设计成用于频率位移的传统和频产生(sre)过程的晶体的简化示意 图；图2是示出根据本发明的第一优选实施例的具有绝热结构的晶体的简化示意图；图3是示意性地示出被设计成引起沿着晶体中的传播方向接近于零的有效相位 匹配的周期性极化晶体的简化图；图4A是用于和频产生过程的非周期性极化晶体的示意图；图4B是用于差频产生过程的非周期性极化晶体的示意图；图5是示出对于周期性和非周期性极化晶体的情况、沿着晶体的长度的相位差的 简化图；图6A和图6B分别是两个晶体长度的简化图，示出对于周期性和绝热非周期性的 情况在一定输入频率范围上的频率变换过程的效率；图7A和图7B分别是两个晶体长度的简化图，示出对于周期性和绝热非周期性的 情况在一定输入角度范围上的频率变换过程的效率；图8A和图8B分别是两个晶体长度的简化图，示出对于周期性和绝热非周期性的 情况在一定泵浦强度范围上的频率变换过程的效率；图9是示出在相同绝热非周期性晶体上使用两个不同泵浦频率的简化图；图10A-C是图示根据本发明的从信号到闲散(idler) (SFG或上变换)的全能量转 移的情况的简化示意图，其中图10A示出晶体，图10B示出映射到布洛赫球面上的动态特 性，并且图10C示出动态特性到z轴上的映射以得到变换效率；图11A-C是示出在绝热情况中从信号到闲散的全能量转移的简化示意图，其中图 11A示出相位失配参数的连续绝热变化，图11B示出布洛赫球面上的投影，并且图11C示出 z轴上的投影；图12是图示作为输入波长的函数的变换效率的曲线图，其中所示出的结果是仿
真和实验结果二者；图13A、B和C是对于信号到闲散或上变换、分别针对三个不同激光强度440、80和4MW/cm2的轨迹(trajectory)的示意布洛赫球面，图13D是图示三个相应的轨迹到z轴上 的投影以得到变换效率的曲线图，并且图13e图示了可以使用相位失配参数的连续绝热变 换来实现这一结果的晶体，在这种情况下沿着传播方向缓慢改变极化周期性；图14A是根据本发明优选实施例的包括具有缓慢改变的极化周期性的晶体的绝 热和频变换装置的简化框图；图14B是示出在使用图14A的装置增加泵浦强度时变换光束的生长和输入光束的 减少之间的关系的曲线图；图15A示出使用图14A的装置时作为输入波长和晶体长度的函数的变换效率；图15B示出对于17mm和20mm晶体长度的光谱响应的实验结果；图16A示出使用60MW/cm2的泵浦强度的绝热周期性极化KTP晶体设计时作为晶 体温度的函数的变换效率，其中温度和输入波长被绘制在两个轴上并且颜色被用来编码变 换效率；图16B是对于图16a中的实验设置的变换效率，但是这次是针对恒定波长，并且示 出实验和仿真之间的一致性；图17A图示根据本发明实施例的温度可调谐性的实验结果，其中当温度在50°C和 110°C之间移位时变换效率峰值被明显移位；以及图17B图示通过改变泵浦波长的可调谐性，在这种情况下看到针对1047nm、 1064nm和1159nm的效率曲线明显偏移。
具体实施例方式本发明在其一些实施例中涉及在光变换中使用的晶体，并且更特别地，但不是专 门涉及高效宽带光变换。经由使用强泵浦强度和绝热晶体结构来实现高效带宽效率变换。准相位匹配是用于实现绝热改变的高效晶体结构，因为该结构具有可以被修改成 在从高度负失配到高度正失配的一系列相位失配上变化以便升高或降低频率的周期。将晶 体结构从高度正失配修改成高度负失配可以实现所期望的上变换/下变换。如所提到的那样，本实施例通过沿着晶体逐渐改变调谐特性来修改QPM晶体结 构。如将示出的那样，结果是宽频率范围上的高效频率变换。本实施例通过沿着晶体逐渐改变调谐特性来修改QPM晶体结构。如将示出的那 样，结果是宽频率范围上的高效频率变换。在下文中，提供一种实现效率和宽带二者的技术。将要描述的设备可以基于下 文所述的定相匹配值的绝热改变方法来获得高效超宽带波长变换。该设备工作于这样 的区(regime)中，在所述区中强窄带泵浦连同要被变换的较弱脉冲一起被引入到晶体 中。可以使用被称为非耗竭泵浦近似的近似来处理上述操作。遵照下文所提供的设计条 件的该绝热结构可以导致超宽的、高效的以及鲁棒的频率变换。该结构可以在根本不影 响泵浦的情况下实现从探测信号到闲散分量或从闲散分量到探测信号的完全或高效布居 (population)转移。通过准相位匹配非线性晶体来实现这种执行频率变换的方式，其中沿 着所述准相位匹配非线性晶体的长度来将其周期从强负相位失配绝热地调谐到强正相位 失配。相位失配还可以从强正相位失配变化到强负相位失配。这两种结构都适合于升高和
7或降低频率。这样的设备具有经由上变换或经由下变换高效转移较弱脉冲的能力，只要其 整个带宽满足绝热性条件，并且泵浦是强并且窄的。该设备的一种可能实现方式可以是绝 热啁啾的周期性极化结构，其也被称为CPPLN。以这种方式，对于跨越超过可见光-NIR区域 中的倍频程(octave)的带宽来说，变换过程可以达到90%的效率(闲散/信号功率)。照 此，该设备可以用于宽带信号以及超短脉冲的高效频率变换。与当前技术相比，设备实施例的另一个优点是对晶体温度、泵浦强度和对准偏差 (例如输入光束的入射角)相对不敏感。因为对泵浦频率相对不敏感，所以有可能有目的地改变泵浦频率以便实现不同的 变换，如将在下文中更详细解释的那样。具体来说，下文中关于图17a和图17b的实验数据 示出如何在调谐中使用泵浦频率和温度。在详细解释本发明的至少一个实施例之前，应该理解本发明没必要将其应用限于 在下面的描述中所阐述的和/或在附图和/或示例中所说明的部件和/或方法的构造和布 置的细节。本发明能够具有其它实施例或者能够以各种方式来实行或实施。利用非耗竭泵浦近似的sre现在参考图1，其示出被设计用于传统和频产生(sre)过程的晶体10。将两个频 率的光引入到非线性晶体10中，导致具有它们和频的第三颜色的产生。该示以非耗竭 泵浦近似的和频产生。非耗竭泵浦近似是其中一个输入场远强于其它输入场的情况。《2 的振幅(粗体箭头)远大于(^、(^的振幅。输出光束是《1、《2*sre信号《3。在该过 程中，《3中的弱输入光束(虚线)也可以被考虑。该较强的频率被称为泵浦频率并且在下面我们将泵浦选为《2。振幅沿着晶体内 的传播方向保持恒定，即A2 (z = 0) >> A, (z = 0)(1)A2(z)=A2(z = 0)⑵通过定义下面的量[5]
权利要求
一种用于波长变换的晶体，所述晶体在第一端和第二端之间具有纵向维度，并且具有包括多个调谐周期的周期性极化结构，其中相应周期的调谐沿着所述纵向维度从所述第一端绝热变化到所述第二端。
2.根据权利要求1所述的晶体，其是准相位匹配晶体。
3.根据权利要求1所述的晶体，其被配置成与具有足以使得应用非耗竭泵浦近似适用 的强度的激光泵浦光束一起使用。
4.根据权利要求1所述的晶体，其中所述调谐包括对用于所述第一端处的变换的输入 光频率的强负失配和对所述第二端处的所述频率的强正失配。
5.根据权利要求1所述的晶体，其中所述调谐包括对所述第一端处的输入光频率的强 正失配和对所述第二端处的所述频率的强负失配。
6.根据权利要求2所述的晶体，其中所述绝热变化是沿着所述维度连续递增的。
7.根据权利要求1所述的晶体，其中每个周期具有所感兴趣的光波长的数量级内的周 期长度。
8.根据权利要求1所述的晶体，具有沿着所述纵向维度的所述波长的幅度的基本上七 个数量级的长度。
9.根据权利要求5所述的晶体，被配置成利用第一调谐向入射光提供至少一个周期的 组群，之后是至少一个周期的接连组群，与相应的在前组群相比，每一个接连组群在所述调 谐中具有边际变化。
10.根据权利要求1所述的晶体，其中所述调谐根据相应周期的长度而提供。
11.一种用于高效宽带波长变换的装置，包括具有物理参数的晶体，所述物理参数具有在所述晶体的长度上绝热改变的相位失配；相干光源输入端，其用于以频率范围内的输入频率接收光源光；泵浦激光器输入端，其用于以预定泵浦频率接收激光；以及输出端，其用于以输出频率输出光，所述输出频率是所述输入频率和所述泵浦频率的 函数。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述晶体被构造成非线性晶体。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述非线性晶体被构造成是准相位匹配的。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述相位失配包括沿着晶体长度的周期的逐渐改变。
15.根据权利要求11所述的装置，其中所述相位失配包括将所述晶体设置在从该晶体 的第一端到其第二端的温度梯度内。
16.根据权利要求11所述的装置，其中所述晶体具有第一端和第二端，并且所述绝热 改变包括在所述第一端和所述第二端之间的高度正失配到高度负失配之间的改变。
17.根据权利要求11所述的装置，其中所述函数包括和函数。
18.根据权利要求11所述的装置，其中所述函数包括差函数。
19.根据权利要求11所述的装置，其中所述泵浦激光器输入端以基本上高得足以证明 非耗竭泵浦近似有效的强度提供激光。
20.根据权利要求19所述的装置，其中泵浦激光器在相对窄的频率范围上提供光。
21.一种制造用于波长变换的晶体的方法，包括利用第一端和第二端之间的反向偏振区的层的行进来从所述第一端到所述第二端生 长所述晶体；沿着行进逐渐地改变所述层的特性，以便形成绝热改变的准匹配非线性晶体。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述特性是层厚度。
全文摘要
一种用于波长变换的高效宽带晶体，所述晶体是准相位匹配的非线性晶体，其具有非周期性极化的结构，每个周期被调谐，并且其中所述调谐沿着所述晶体的长度从其中所述调谐是强负失配的第一端绝热地变化到其中所述调谐是强正失配的第二端，或者反过来。所述晶体能够在一定频率范围上提供高效波长变换。
文档编号H01S5/06GK101978316SQ200980110317
公开日2011年2月16日 申请日期2009年3月25日 优先权日2008年3月25日
发明者H·苏乔夫斯基, Y·西尔伯贝格 申请人:耶达研究及发展有限公司