一种回音壁型腔位相匹配系统及方法与流程

本申请涉及光参量振荡器技术领域，尤其涉及一种回音壁型腔位相匹配系统及方法。

背景技术：

光参量振荡器（Optical Parametric Oscillator，OPO）是一个振荡在光学频率的参量振荡器。它将输入的泵浦光，通过二阶非线性光学相互作用，转换成两个的频率较低的输出光，即信号光和闲频光。回音壁光学微腔的模式体积小，品质因子高，能极大增强光与物质的相互作用；并且回音壁光学微腔集成性好，被认为在集成光学器件领域具有重大应用前景。

回音壁型腔一般是由折射率高的材料制备而成的，如聚二甲基珪氧烧，玻璃等，它主要利用光在微腔内界面上不断发生的全内反射将光束缚在腔内。当光沿着回音壁型腔内表面传播一周后，如果波长满足干涉相长条件便会在微腔内形成稳定的行波传输模式，最终实现对光场的一种强囚禁。采用铌酸锂等非线性晶体制作的回音壁型腔，具有二阶非线性效应，在泵浦光作用下会产生非线性增益，从而形成光参量振荡器。

但上述光参量振荡器必须进行位相匹配，以补偿在传输过程中产生的位相失配。传统的位相匹配方法主要有双折射位相匹配方法和准位相匹配方法。在回音壁型腔中，双折射位相匹配方法并不适合，因为此种匹配方式会带来空间走离，影响振荡光传输的角度，破坏回音壁传输模式。

通常采用的准位相匹配方式是沿回音壁型腔的光传输方向极化具有周期的畴结构，通过周期畴结构提供倒空间的波矢，补偿位相失配。由于准位相匹配的畴结构调制的非线性系数只能为±1，在倒空间的波矢不仅仅有一个，而是无限多的序列，并且最高倒格矢的强度也会下降。多个倒格矢会产生多个波长的振荡，影响输出光谱的纯净度，倒格矢强度的下降也会降低非线性转换的强度，降低回音壁光参量振荡器的输出效率。

技术实现要素：

本申请提供了一种回音壁型腔位相匹配系统及方法，以解决传统系统无法使倒格矢强度达到最大，同时倒格矢不具有唯一性的问题。

一方面，本申请提供一种回音壁型腔位相匹配系统，包括：

回音壁型腔，为圆盘形结构，包括两个半圆腔，两个半圆腔的极化方向相反，以通过非线性作用将泵浦光激发信号光和闲频光，信号光和闲频光在回音壁腔中谐振，以及通过非线性增强，形成光参量振荡；

棱镜，设置在所述回音壁型腔的侧面，以对输入的泵浦光进行耦合输入至所述回音壁型腔；

数据处理装置，用于根据泵浦光波长和回音壁型腔材料参数，计算对应的倒格矢，包括：

根据准位相匹配原理生成有效非线性系数变化函数；

对所述有效非线性系数变化函数进行傅里叶变换；

根据傅里叶变换结果计算倒格矢强度，以及确定材料的最大非线性系数。

可选的，所述数据处理装置还用于，根据倒格矢强度的计算结果，调整回音壁型腔两个半圆的极化方向，以及入射的泵浦光偏振方向。

可选的，根据准位相匹配原理生成有效非线性系数变化函数的步骤后，所述数据处理装置还用于：

获取回音壁型腔的半径，生成极化周期；

根据有效非线性系数变化函数，生成有效非线性系数与周期的关系图。

可选的，所述回音壁型腔的下方具有设有直径小于所述回音壁型腔直径的支撑块，所述支撑块用于使所述回音壁型腔与基底隔离。

可选的，所述棱镜为三棱镜，以通过三棱镜的折射使泵浦光通过棱镜耦合进入回音壁型腔，沿所述回音壁型腔的侧壁传播。

另一方面，本申请还提供一种回音壁型腔位相匹配方法，包括：

设定回音壁型腔基质材料，以及泵浦光波长；

根据基质材料类型，搭建回音壁型腔，以及在回音壁型腔侧面设置棱镜以进行光的耦合输入输出；

根据准位相匹配原理计算信号光和闲频光的波长，生成有效非线性系数变化函数；

对所述有效非线性系数变化函数进行傅里叶变换；

根据傅里叶变换结果计算倒格矢强度，以及确定材料的最大非线性系数；

通过搭建的回音壁型腔验证所述最大非线性系数。

可选的，在根据准位相匹配原理计算信号光和闲频光的波长，生成有效非线性系数变化函数的步骤中，泵浦光、信号光和闲频光的波长满足如下关系：

式中，λp为泵浦光波长；λs为信号光波长；λi为闲频光波长；

np、ns和ni分别为所述回音壁型腔材料对泵浦光、信号光和闲频光的折射率；

Λ为所述回音壁型腔极化等效周期。

可选的，根据傅里叶变换结果计算倒格矢强度的步骤后，还包括：

根据傅里叶变换结果，确定倒格矢强度与倒格矢位置之间的关系函数；

根据所述关系函数，确定是否存在倒格矢强度最大值，以及倒格矢数量值；

如果所述倒格矢数量为有限多个，且存在倒格矢强度最大值，确定材料的最大非线性系数。

可选的，根据傅里叶变换结果计算倒格矢强度的步骤后，还包括：

如果所述倒格矢数量值为无限多个，且不存在倒格矢强度最大值，调整回音壁型腔两个半圆的极化方向，以及入射的泵浦光偏振方向；

重新计算倒格矢强度，以及根据重新计算的结果确定材料的最大非线性系数。

可选的，根据准位相匹配原理计算信号光和闲频光的波长，生成有效非线性系数变化函数的步骤，包括：

获取调制函数；

根据所述调制函数，生成有效非线性系数随传输过程的变化函数；

获取回音壁型腔的半径，生成极化周期；

根据有效非线性系数的变化函数，生成有效非线性系数与周期的关系图。

由以上技术方案可知，本申请提供一种回音壁型腔位相匹配系统及方法，利用回音壁微腔本身的周期性，将回音壁微腔的畴反转分为两个半圆，畴反转方向相反的回音壁型腔结构验证计算所得的倒格矢强度和数量，以确定材料的最大非线性系数。通过本申请提供回音壁型腔位相匹配系统，可以获得最大非线性系数，避免因畴结构造成的非线性系数损失，同时获得唯一的倒格矢，使输出波长唯一，消除其他倒格矢产生的杂散光。使得振荡器在极化过程中不需要制备周期性结构，减小极化工艺的复杂性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一种回音壁型腔位相匹配系统结构示意图；

图2为本申请一种回音壁型腔位相匹配系统管路示意图；

图3为本申请矩形周期性非线性系数变化关系示意图；

图4为本申请另一种回音壁型腔位相匹配系统结构示意图；

图5为本申请另一种回音壁型腔位相匹配系统管路示意图；

图6为本申请非线性极化张量在偏振方向上的投影示意图；

图7为本申请余弦型周期性非线性系数变化关系示意图。

具体实施方式

下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。

本申请提供的技术方案中，所述倒格矢，即倒格子矢量，是一种固体物理学专业术语，用来描述声子电子的晶格动量。通常定义为倒格矢与正格空间的晶面垂直，并且长度等于晶面间距倒数的2π倍；或者，倒格矢与正格空间的晶面垂直，并且长度等于晶面间距的倒数。本申请由于只确定大小，因此上述两种定义只是具体数值不同，均可以作为本申请倒格矢的强度计算依据。

所述回音壁型腔，即回音壁光参量振荡器，是一种能够使光沿回音壁侧壁环形振荡的光参量器件，为了实现位相匹配，一般采用准位相匹配方式，将晶体的铁电畴按照周期反转，在倒空间行程倒格矢，匹配失配的位相。这种周期性反转的畴结构提供多个倒格矢，匹配的最高倒格矢未达到最大非线性系数，而且杂散倒格矢容易形成设计之外的光参量振荡波长，影响光参量振荡器光谱的纯度。为了解决这一问题，本申请通过一种特殊的畴反转结构，即采用在回音壁型光参量振荡器内极化正反两个半圆畴的形式，使得匹配的倒格矢达到最大，且没有杂散倒格矢。

参见图1，为本申请一种回音壁型腔位相匹配系统的结构示意图。

参见图2，为本申请一种回音壁型腔位相匹配系统管路示意图。

由图1、图2可知，本申请提供的一种回音壁型腔位相匹配系统，包括：回音壁型腔、棱镜以及数据处理装置。

其中，回音壁型腔，为圆盘形结构，包括两个半圆腔，两个半圆腔的极化方向相反，以通过非线性作用将泵浦光激发信号光和闲频光，信号光和闲频光在回音壁腔中谐振，以及通过非线性增强，形成光参量振荡。棱镜，设置在所述回音壁型腔的侧面，以对输入的泵浦光进行耦合输入至所述回音壁型腔。本申请提供的技术方案中，采用铁电体晶体构成回音壁微腔，对微腔进行正反半圆形极化，形成两个半圆形畴，通过控制回音壁微腔的半径进行特定波长的位相匹配。

进一步地，为了更好的实现光参量振荡作用，在本申请的部分实施例中，所述回音壁型腔的下方具有设有直径小于所述回音壁型腔直径的支撑块，所述支撑块用于使所述回音壁型腔与基底隔离。通过支撑块，可以将回音壁型腔进行支撑，一方面可以适应泵浦激光的入射位置，使回音壁型腔能够被输入最合适的泵浦激光；另一方面还可以满足多个泵浦激光的入射角度要求，以便灵活进行入射泵浦激光的调整。

所述棱镜可以为三棱镜，以通过三棱镜的折射使泵浦光通过棱镜耦合进入回音壁型腔，沿所述回音壁型腔的侧壁传播。通过三棱镜各个面的折射作用，可以将泵浦光以指定的方向入射到回音壁型腔中，并且在需要进行入射方式调整时，还可以通过调整三棱镜的放置角度，使折射的光方向发生改变。另外，通过三棱镜的折射作用，还可以避免部分环境光也入射到回音壁型腔中，减少外界干扰情况。

数据处理装置，用于根据泵浦光波长和回音壁型腔材料参数，计算对应的倒格矢，具体包括如下步骤：

根据准位相匹配原理生成有效非线性系数变化函数；

对所述有效非线性系数变化函数进行傅里叶变换；

根据傅里叶变换结果计算倒格矢强度，以及确定材料的最大非线性系数。

需要说明的是，本申请所述的数据处理装置仅仅是一种能够实现计算功能的装置，例如，计算机、服务器、终端设备等。实际应用中，为了实现上述数据处理过程，还可以依托于任何一种数据处理的应用程序软件，或者其他能够获得计算结果的设备或方式。本领域的技术人员在上述处理过程的基础上，无论采用硬件设备进行数据处理和分析，还是通过人工计算、软件分析的方式，只要其数据处理过程符合上述步骤，都属于本申请的保护范围。

为了便于描述，本申请建立空间直角坐标系，空间直角坐标系中的x、y轴组成的平面平行于回音壁型腔圆盘形状对应的平面，z轴垂直于回音壁型腔圆盘形状对应的平面。示例地，如图2所示，在本实施例中，回音壁微腔分为两个半圆，一半极化方向沿+Z轴，一半极化方向沿-Z轴，相应的，棱镜耦合的泵浦光偏振方向沿+Z轴或-Z轴。

波长为λp的泵浦光，通过棱镜耦合入回音壁微腔之后，激发的信号光和闲频光波长分别为λs和λi。回音壁微腔材料对三个波长的折射率分别为np、ns和ni。信号光和闲频光沿回音壁侧壁传播，经过一周后回到原点，因此，所述回音壁型腔极化方式具有等效的周期Λ。

根据准位相匹配原理，当三个波长满足如下关系时，位相得到补偿：

式中，λp为泵浦光波长；λs为信号光波长；λi为闲频光波长；

np、ns和ni分别为所述回音壁型腔材料对泵浦光、信号光和闲频光的折射率；

Λ为所述回音壁型腔极化等效周期，由于回音壁型腔为圆盘形，因此等效周期为2πr，r为圆盘形回音壁型腔的半径。本申请提供的技术方案中，信号光和闲频光的折射率和波长的比值之和，加上极化周期的倒数，等于泵浦光的折射率与波长的比值，当满足上述关系时进行位相匹配，即位相得到补偿。

将材料的有效非线性系数记为，则随着传输过程的有效非线性系数的变化函数为。与非线性张量元的关系可写为：

其中，变化函数是指非线性张量元与有效非线性系数的关系，函数关系式代表着一种变化关系，即变现为矩形函数：

即实际计算中，如果x的绝对值大于1/2，rect（x）的值等于0；如果x的绝对值小于1/2，rect（x）的值等于1。进一步地，根据有效非线性系数变化函数，生成有效非线性系数与周期的关系图，即，将上式与传输距离作图，可获得如图3所示的矩形周期性非线性系数变化，周期，其中r为回音壁微腔的半径。

将符号计为傅里叶变换符号，则在倒空间的倒格矢强度可由傅里叶变换获得：

上式中的k为倒格矢的位置，而是倒格矢的强度。

根据分立的倒格矢位置：,其中，N=1，2，3…，则可以得到在这些分立位置的倒格矢强度为：

例如：

可见，上述位相匹配方式可以提供倒格矢，但是倒格矢具有无限多个，而且最高倒格矢强度为，未达到最大值。

进一步地，所述数据处理装置还用于，根据倒格矢强度的计算结果，调整回音壁型腔两个半圆的极化方向，以及入射的泵浦光偏振方向。

示例地，如图4所示，回音壁微腔的两个半圆的极化方向沿Y轴，分别为+Y方向和-Y方向，入射的泵浦光偏振方向在X、Y轴组成的平面内，与泵浦光的传播方向垂直。因此，通过棱镜耦合进入回音壁微腔的泵浦光偏振方向沿回音壁微腔的侧壁旋转，如图6所示，同样激发的信号光和闲频光的偏振方向也沿回音壁微腔的侧壁旋转。

相应的，有效非线性系数为晶体的非线性极化张量d33在偏振方向上的投影，如图6所示，计为：

而根据角度与传输距离的关系：，确定调制函数具有如下形式：

同理，将上式与传输距离作图，可获得如图7所示的余弦型周期性非线性系数变化。

将此种有效非线性系数的调制做傅里叶变换，可得到在倒空间对应的倒格矢为：

从上式分析，只有倒格矢位置为：

此时，倒格矢的强度为：

因此，这种位相匹配仅具有两个倒格矢，并且倒格矢强度可达到最高。另外，在实际位相匹配过程中，由于材料性能的限制，k=-1/r的倒格矢很难发生，因此可以得到唯一的匹配倒格矢，即可获得纯净的输出光谱。在本申请中，根据傅里叶变换结果计算倒格矢强度后，还可以进一步确定材料的最大非线性系数。

基于上述系统，本申请还提供一种回音壁型腔位相匹配方法，包括以下步骤：

S1：设定回音壁型腔基质材料，以及泵浦光波长；

S2：根据基质材料类型，搭建回音壁型腔，以及在回音壁型腔侧面设置棱镜以进行光的耦合输入输出；

S3：根据准位相匹配原理计算信号光和闲频光的波长，生成有效非线性系数变化函数；

S4：对所述有效非线性系数变化函数进行傅里叶变换；

S5：根据傅里叶变换结果计算倒格矢强度，以及确定材料的最大非线性系数；

S6：通过搭建的回音壁型腔验证所述最大非线性系数。

由以上步骤可知，本申请提供的技术方案可以先根据预测量的回音壁型腔基质材料，按照所述回音壁型腔位相匹配系统中的回音壁型腔结构，搭建回音壁型腔。并且根据实际泵浦光形式，设定泵浦光波长。根据准位相匹配原理，可以根据泵浦光波长和当前基质材料的反射率，确定信号光和闲频光的波长，并且结合调制函数，可以确定有效非线性系数变化函数。

进一步地，根据准位相匹配原理计算信号光和闲频光的波长，生成有效非线性系数变化函数的步骤，还包括以下步骤：

S301：获取调制函数；

S302：根据所述调制函数，生成有效非线性系数随传输过程的变化函数；

S303：获取回音壁型腔的半径，生成极化周期；

S304：根据有效非线性系数的变化函数，生成有效非线性系数与周期的关系图。

本实施例中，可以根据有效非线性系数的变化函数，生成有效非线性系数与周期的关系图。根据生成的关系图，可以辅助进行倒格矢强度和位置的判断，以便后续步骤中确定最大非线性系数。

在生成有效非线性系数变化函数后，可以通过傅里叶变换获得函数（谐振作用）的幅频特性，以用于判断倒格矢强度和数量。

在本申请的部分实施例中，根据傅里叶变换结果计算倒格矢强度的步骤后，还包括：

S401：根据傅里叶变换结果，确定倒格矢强度与倒格矢位置之间的关系函数；

S402：根据所述关系函数，确定是否存在倒格矢强度最大值，以及倒格矢数量值；

S403：如果所述倒格矢数量为有限多个，且存在倒格矢强度最大值，确定材料的最大非线性系数。

实际应用中，由于不同的基质材料拥有不同的光参量振荡特性，因此，在一次计算中，很有可能出现无法确定倒格矢强度和数量的情况，即根据关系函数确定的计算倒格矢数量为无限多个，这种情况下往往不存在倒格矢强度的最大值。对于这种情况，需要重新调整回音壁型腔，使两个半圆的极化方向发生改变，并且调整入射的泵浦光偏振方向，再次进行计算。即在本申请的部分实施例中，根据傅里叶变换结果计算倒格矢强度的步骤后，还包括：

S404：如果所述倒格矢数量值为无限多个，且不存在倒格矢强度最大值，调整回音壁型腔两个半圆的极化方向，以及入射的泵浦光偏振方向；

S405：重新计算倒格矢强度，以及根据重新计算的结果确定材料的最大非线性系数。

以采用铌酸锂材料作为回音壁微腔的基质材料为例，如果回音壁微腔的周长为30µm，半径为4.78 µm，厚度为10 µm。按照上述位相匹配方式，将回音壁微腔的电畴极化方向反向，形成极化方向相反的两个半圆。

泵浦光波长为1.064 µm，偏振方向在圆盘所在平面内且垂直于光传播方向。泵浦光通过金红石高折射率棱镜耦合进入回音壁微腔并沿回音壁传输，在传输过程中偏振方向在圆盘所在平面内且与传播方向垂直。

根据位相匹配方程：

并将三个波长的折射率、、和回音壁半径r=4.78 µm带入上式，计算得到匹配的信号光和闲频光波长为 µm、 µm。按照上文分析，此种方式匹配的有效非线性系数 ，达到材料的最大非线性系数。

需要说明的是，上述实施例仅仅作为一种示例，实际应用中，根据实际应用环境可以自行调整各种输入数据，以及调整搭建回音壁型腔所采用的基质材料类型、结构尺寸等参数，只需要将适应性改变的参数再通过上述计算过程即可。

由以上技术方案可知，本申请提供的回音壁型腔位相匹配系统，利用回音壁微腔本身的周期性，将回音壁微腔的畴反转分为两个半圆，畴反转方向相反。通过本申请提供回音壁型腔位相匹配系统，可以获得最大非线性系数，避免因畴结构造成的非线性系数损失，同时获得唯一的倒格矢，使输出波长唯一，消除其他倒格矢产生的杂散光。使得振荡器在极化过程中不需要制备周期性结构，减小极化工艺的复杂性。

本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。