专利名称：基于超晶格的偏振不敏感激光频率变换方法及其器件的制作方法
技术领域：
本发明属于超晶格材料和激光技术领域，具体是一种基于多重位相匹配光学超晶 格的偏振不敏感激光频变的设计方法及器件，用以实现偏振不敏感的二阶非线性过程，包 括和频、差频和光参量放大器等，为基于超晶格的偏振不敏感激光频率变换方法及其器件。
背景技术：
激光的发明是二十世纪最伟大的成就之一。从1960年休斯实验室的科学家 T. H. Maiman [1]发明世界上第一台激光器以来，激光技术的发展日新月异，逐步渗透到科 研、娱乐、医疗、工业和国防等众多领域并产生巨大影响。以激光高技术为核心的相关产业 已成为信息时代的重要驱动力量，并带动了整个高技术产业链的发展。1961年，Franken[2] 将红宝石激光束入射到石英片上，发现出射的光束中不仅有红宝石的694. 3nm光束，在紫 外区还存在另一条光谱线，其波长为347. 2nm，这正好是红宝石激光波长的一半。这个实验 结果揭开了非线性光学研究史的第一页，石英材料是正单轴晶体，该实验中相位匹配条件 并未满足，转换效率很低。1962年，Bloembergen[3]等人提出准位相匹配(QPM)概念，在非 线性光学发展初期，这种技术主要停留在理论阶段。1980年南京大学冯端、闵乃本领导的 课题组，通过在直拉法生长铌酸锂(LiNb03，LN)过程中调制杂质钇离子的浓度诱发出周期 性电畴结构，用电畴的调制实现了二阶非线性系数的调制，首次制成了聚片多畴LN单晶， 并且观察到了 YAG激光的倍频QPM增强效应。这可能是真正意义上的具有特定物理效应的 第一种介电体超晶格材料[4]。20世纪80年代后期到90年代初期，人们在超晶格材料制 备上除了完善原有的Czochralshi生长工艺外[5，6]，又发展了激光基座法[7]、电子束扫 描[8]、外电场诱导[9-11]和杂质离子扩散[12，13]等制备铁电微米超晶格的技术，先后 在块状和波导铌酸锂(LN)、钽酸锂(LT) [14]和磷酸氧钛钾(KTP) [15]中实现了高效的QPM 倍频(SHG) [16]、和频(SFG) [17]、差频(DFG) [18]以及光参量振荡(OPO) [10]。20世纪90 年代后期直到现在，介电体超晶格材料由实验室研究发展到商品化应用，口径由0. 5mm发 展到5mm[19]，结构由一维发展到两维[20]，匹配方式由一个倒格矢发展到多重位相匹配 [21]和局域位相匹配[22]，一些新的实验现象和设计思路层出不穷[23，M]，显示出了巨 大的潜力。但是，位相匹配条件决定了二阶非线性频率转换都需要输入光波具有确定的偏振 方向，否则会影响转换效率，甚至得不到有效的频率转换。然而，很多频率转换过程需要降 低偏振的敏感性，例如未加偏振控制的光纤激光器[25]和Nd:YAG激光器[26]的输出都是 非线偏光；光纤激光传输系统在一些大型光学系统和光通讯系统中得到越来越广泛的应用 [27]，而光纤系统的偏振控制增加了系统的复杂性和成本；在量子光学中，偏振纠缠的双光 子的偏振态是纠缠而不能确定的[28]。在上述应用中，偏振敏感的非线性频率转换会造成 转换效率下降，功率不稳定及纠缠态的破坏等现象，因此需要新型的偏振不敏感的二阶非 线性频率转换器件。偏振不敏感的频率转换方案在半导体材料，准位相匹配材料和光纤中都有报道。J. M. Tang等人报道的基于半导体材料的偏振不敏感的放大器[29]，采用了分束和环状 结构实现两个正交偏振态的参量放大。其他的方案大多基于类似的分束和循环结构，如 Y. Hong等人于2004年用几乎相同的结构实现宽带光参量放大[30]，2000年Μ. M. Fejer 等人在光纤通讯会议(OpticalFiber Communication conference and Exposition, 0FC) 上报道用偏振分束和两个PPLN波导来实现正交偏振态的参量转化过程[31]。2002年， I. Cristiani等人用PPLN波导和法拉第镜(Faraday mirror, FM)实现偏振不敏感的频率 转换[32]。同年，K. K. Y. Wong等人用光纤和偏振分束器实现偏振不敏感光参量放大[33]， 2004年，T. Luo等人在OFC会议上报道了通过使抽运光退偏振的方法实现单抽运光束的偏 振不敏感参量放大[34]。可以看到，不管是用半导体、QPM或者光纤材料，以上的多种方案 大多利用偏振分束、合束和循环结构，增加了系统的复杂性和成本，很难实现光学集成。参考文献UT. H. Maiman, Nature 187,493(1960).2、P. Franken, A. Hill, C. Peters, and G. ffeinreich, Physical Review Letters 7，118(1961).3、J. Armstrong, N. Bloembergen, J. Ducuing, and P. Pershan, Physical Reviewl27,1918(1962).4>D. Feng, N. Ming, J. Hong, Y. Yang, J. Zhu, Z. Yang, and Y. Wang, Applied Physics Letters 37,607(1980).5>N. Ming,J. Hong,and D. Feng,Journal of Materials Science 17,1663(1982).6, Y. Lu, L. Mao, and N. Ming, Optics letters 19,1037(1994).7>G. Magel, M. Fejer, and R. Byer, Applied Physics Letters 56,108(1990).8、H. Ito，C. Takyu，and H. Inaba，Electronics Letters 27,1221 (1991).9>M. Yamada, N. Nada,M. Saitoh,and K. ffatanabe,Applied Physics Letters 62, 435(1993).10、L. Myers, R. Eckardt, M. Fejer, R. Byer, W. Bosenberg, and J. Pierce, Journal of the Optical Societyof America B 12,2102(1995).11、S. Zhu, Y. Zhu, Z. Zhang, H. Shu, H. Wang, J. Hong, C. Ge, and N. Ming, Journal of Applied Physics77,5481(1995).12、J.Webjbm, F. Laurel 1, and G. Arvidsson, IEEE J. Lightwave Technol 7, 1597(1989).13>E. Lim, M. Fejer, and R. Byer, Electronics Letters 25,174(1989).14、S. Zhu, Y. Zhu, Z. Yang, H. Wang, Z. Zhang, J. Hong, C. Ge, and N. Ming, Applied Physics Letters67,320(1995).15、J.Bierlein, D.Laubacher, J. Brown, and C. Van der Poel, Applied Physics Letters 56,1725(1990).16> D. Jundt, G. Magel, M. Fejer, and R. Byer, Appl. Phys. Lett 59,2657(1991).17>X. Hu, G. Zhao, C. Zhang, Z. Xie, J. He, and S. Zhu, Applied Physics B :Lasers and Optics 87,91(2007).18、L Goldberg, W.Burns, and R. McElhanon, Optics letters 20,1280(1995).
19、H.Ishizuki and Τ. Taira, Optics letters 30,2918(2005).20、V. Berger，Physical review letters 81,4136(1998).21、S. Zhu，Y. Zhu，and N. Ming, Science 278,843(1997).22、Y. Qin, C. Zhang, Y. Zhu, X. Hu, and G. Zhao, Physical review letters 100, 63902(2008).23、P. Xu, S. Ji, S. Zhu, X. Yu, J. Sun, H. Wang, J. He, Y. Zhu, and N. Ming, Physical review letters 93,133904(2004).24、Y. Zhang, Z. Gao, Z. Qi, S. Zhu, and N. Ming, Physical review letters 100， 163904(2008).25、C. Liu, A. Galvanauskas, V. Khitrov, B. Samson, U. Manyam, K. Tankala, D. Machewirth, and S. Heinemann,Optics letters 31,17 (2006).26、M.0ka and S. Kubota, Optics letters 13,805(1988).27、李锋，“高功率激光器前端系统模拟设计”，W1. D. thesis，中国科学技术大学 (2006).28> J. Volz, C. Kurtsiefer, and H. Weinfurter, Applied Physics Letters 79, 869(2001).29、J. Tang,P. Spencer,and K. Shore,Applied Physics Letters 75,2710(1999).30、Y. Hong, P. Spencer, and K. Shore, IEEE Journal of Quantum Electronics 40，152(2004).31、I. Brener, M. Chou, E. Chaban, K. Parameswaran, M. Fejer, S. Kosinski, and D. Pruitt, ElectronicsLetters 36,66 (2000).32、I. Cristiani, V. Degiorgio, L. Socci, F. Carbone, and M. Romagnoli, IEEE Photonics TechnologyLetters 14,669(2002).33、K. Wong, M. Marhic, K. Uesaka, and L. Kazovsky, IEEE Photonics Technology Letters 14,1506(2002).34>T. Luo,C. Yu, L. Yan,Z. Pan, Y. Wang, Y. Song, and A. ffillner,in Optical Fiber CommunicationConference,2004. OFC 2004, vol.
发明内容
本发明要解决的问题是偏振敏感的非线性频率转换会造成转换效率下降，功率 不稳定及纠缠态的破坏等现象，因此需要新型的偏振不敏感的二阶非线性频率转换器件， 而现有的多种偏振不敏感的频率转换方案大多利用偏振分束、合束和循环结构，增加了系 统的复杂性和成本，很难实现光学集成。本发明的技术方案为基于超晶格的偏振不敏感激光频率变换方法，用于实现偏 振不敏感的二阶非线性过程，基于多重位相匹配原理，根据需要频率变换的波长，选择两个 光波正交偏振的位相匹配方式，由两个非线性过程的非线性系数确定倒格矢大小，由超晶 格结构实现多重位相匹配，匹配多个偏振状态的频率转换过程，使所述两个非线性过程具 有相同的转化效率，实现偏振不敏感的二阶非线性频率转化过程。多重准位相匹配的实现包括两种方式方式一，级联两个不同周期的超晶格；方式二，利用双周期或啁啾双周期结构超晶格，也就是两个非线性过程的微小不平衡会导致 最后输出的巨大差异时，采用啁啾双周期，利用啁啾双周期来精确的调整倒格矢的强度。采用啁啾双周期结构超晶格时，构成双周期的两个周期函数的周期分别为A1和 A2，倒格矢分别为G1 = ZjiZA1* (}2 = 2π/Λ2，得到的双周期结构超晶格对应的倒格矢 为Glil = G^G2和G1, ！ = G1-G2,首先确定两个倒格矢Glil和G1, ^的位相展宽幅度士 O1和 士 Φ2，得到倒格矢满足的位相差关系，再获取周期随坐标χ的变化关系，从而得到对应超晶 格结构的实空间的周期函数把两个倒格矢的位相AGwL和AGlilL分别展宽到士 (^和 士 Φ2，
权利要求
1.基于超晶格的偏振不敏感激光频率变换方法，用于实现偏振不敏感的二阶非线性过 程，其特征是基于多重位相匹配原理，根据需要频率变换的波长，选择两个光波正交偏振的 位相匹配方式，由两个非线性过程的非线性系数确定倒格矢大小，由超晶格结构实现多重 位相匹配，匹配多个偏振状态的频率转换过程，使所述两个非线性过程具有相同的转化效 率，实现偏振不敏感的二阶非线性频率转化过程。
2.根据权利要求1所述的基于超晶格的偏振不敏感激光频率变换方法，其特征是多重 准位相匹配的实现包括两种方式方式一，级联两个不同周期的超晶格；方式二，利用双周 期或啁啾双周期结构超晶格，其中当非线性过程的增益非常高的时候，也就是两个非线性 过程的微小不平衡会导致最后输出的巨大差异时，采用啁啾双周期，利用啁啾双周期来精 确的调整倒格矢的强度。
3.根据权利要求2所述的基于超晶格的偏振不敏感激光频率变换方法，其特征是采用 啁啾双周期结构超晶格时，构成双周期的两个周期函数的周期分别为Λ1和Λ2，倒格矢分 别为G1 = 2 π / Λ1和(}2 = 2 π / Λ 2，得到的双周期结构超晶格对应的倒格矢为G1,1 = G1+G2 和G1，-1 = G1-G2,首先根据两个倒格矢强度的比值确定两个倒格矢Glil和G^的位相展宽幅 度± Φ1和±Φ2，用公式表示也就是
4.根据权利要求1或2或3所述的基于超晶格的偏振不敏感激光频率变换方法，其特 征是偏振不敏感的二阶非线性过程包括偏振不敏感的和频、差频、光参量放大过程。
5.权利要求1-4任一项所述的基于超晶格的偏振不敏感激光频率变换方法的器件，其 特征是超晶格基底材料为LiTa03、LiNbO3或KTiOPO4，超晶格结构为级联、双周期或啁啾双 周期，二阶非线性过程中辅助光束偏振态不变，偏振随机光束沿超晶格χ或y轴入射，单次 通过超晶格，与辅助光束产生和频、差频、参量放大过程，得到偏振不敏感的二阶频变器件， 或只输入辅助光束，采用光参量产生或光参量振荡的形式，得到偏振随机或偏振纠缠光束 的器件。
6.根据权利要求5所述的基于超晶格的偏振不敏感激光频率变换方法的器件，其特 征是包括(1)和频二阶频变器件，辅助光束为偏振固定的1064nm激光，频率转换波长为 1550nm或1053nm的偏振随机的激光，超晶格采用级联、双周期或啁啾双周期结构，通过和 频过程产生波长为631nm或529nm的激光；( 参量放大过程的二阶频变器件，抽运光源为偏振固定的532nm激光，信号波长为1053nm或1550nm的偏振随机激光，采用光参量放大方 式，得到与偏振无关的光参量放大增益；C3)偏振随机或偏振纠缠光束的器件，抽运光源为 偏振固定的532nm或1064nm激光，通过光参量产生或光参量振荡方式，产生偏振随机或偏 振纠缠的参量下转换光束。
全文摘要
基于超晶格的偏振不敏感激光频率变换方法及其器件，利用超晶格多重位相匹配原理，采用双周期或啁啾双周期结构，使两个偏振正交过程同时实现，两个非线性频率转换的效率相等，实现频率转换的偏振不敏感特性。本发明可用于和频、差频、光参量放大和纠缠态双光子产生等。
文档编号G02F1/35GK102087455SQ20101061133
公开日2011年6月8日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年12月29日
发明者凌文, 吕新杰, 祝世宁, 秦亦强, 袁烨, 谢臻达, 赵刚 申请人:南京大学