准相位匹配

准相位匹配(Quasi-phase-matching)是非线性光学频率转换的一种重要技术,其思想最早由J. Armstrong等人于1962年提出,V. Berger于1998年将它推广到二维结构,并提出非线性光子晶体的概念。非线性频率转化中要求动量守恒,在普通非线性晶体中由于色散的存在较难实现,特别是同时多个非线性相互作用的,而非线性周期性结构提供的倒格矢则能较容易地实现相位匹配。通过在非线性介质中构造周期性的结构(非线性光子晶体),它能有效的实现非线性频率转化。相对通常的完美相位匹配(温度匹配,角度匹配),这种方法称为准相位匹配,它能更容易利用较大的非线性系数。因此,现在这种技术已广泛应用于非线性光学领域,并且实现了一些普通晶体中难以做到的现象。

准相位匹配需要在非线性光子晶体中实现,在非线性光学发展初期,这种技术主要停留在理论阶段。20世纪90年代,随着非线性晶体生长和极化技术的提高,非线性光子晶体的制作得到极大发展。1993年,Yamada等人首次利用电极化反转的方法制作出光学超晶格;1995年,M. Fejer等人制作出大块周期性极化铌酸锂periodically poled lithium niobate, PPLN); 1997年,闵乃本等人(N.B. Ming et al.)制作出准周期极化光学超晶格,并用首次利用单束光单块晶体实现了三倍频绿光的产生;1999年,N. Broderick等人制作出第一个二维非线性光子晶体英语Nonlinear photonic crystal,并验证了非线性布拉格衍射。现在,非线性光子晶体中的准相位匹配技术已广泛应用于二次,三次和高次谐波的产生,波长转换,参量转换等过程。

原理编辑

非线性过程通过非线性系数实现耦合。除能量守恒,非线性耦合还要求动量守恒,即相位匹配,当相位匹配时,可以获得很高的转换效率,反之,非线性过程就很弱。通常可以采用角度匹配,温度匹配,准相位匹配等方法实现相位匹配。但前二者对光波的传播方向和偏振态要明确要求,一般也不能利用到晶体较大的非线性系数,同时对于不同波长的匹配也很困难,多个非线性过程同时实现更是困难。而准相位匹配则能较好解决这些问题。可以通过一个三波耦合说明准相位匹配原理。考虑一个三波( , , )的相互作用 ,它们的波矢分别为 , , ,通常,由于频率色散的存在,它们的相位不匹配,即相位失配量 。而在准相位匹配结构中,由于非线性系数被周期性调制,因此它是空间 的函数。通常可以用一个结构函数 来描述这种周期性调制。对结构函数 可进行傅里叶展开, ,其中, 准相位结构提供的倒格矢, 为相应的傅里叶系数,m,n 为整数。可以看到,准相位匹配结构可以提供多个倒格矢,这样可以需要选择和合适的倒格矢,从而实现相位匹配。例如选择合适的 ,可以得到 ,即相位匹配,从而获得高效率的非线性频率转换。

重要成果编辑

  1. 电极化制作PPLN
  2. 大块PPLN的实现
  3. 单束光单晶体直接三倍频
  4. 三原色激光器

相关文献编辑

一维

1. 综述文章 Y.Y. Zhu and N.B. Ming, "Dielectric superlattices for nonlinear optical effects ",Optical and Quantum Electronics,31,1093-1128,(1999),doi:10.1023/A:1006932103769.

2.准周期结构

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3.非周期结构 B. Y. Gu, B. Z. Dong, Y. Zhang, and G. Z. Yang, “Enhanced harmonic generation in aperiodic optical superlattices,” Appl. Phys. Lett. 75, 2175-2177 (1999).doi:10.1063/1.124956

4.非周期结构 H. Liu, Y. Y. Zhu, S. N. Zhu, C. Zhang, and N. B. Ming, “Aperiodic optical superlattices engineered for optical frequency conversion,” Appl. Phys. Lett. 79, 728-730 (2001)doi:10.1063/1.1381569

5. 非周期结构 T. Kartaloğlu, Z. Gürkan Figen, and O. Aytür, “Simultaneous phase matching of optical parametric oscillation and second-harmonic generation in aperiodically poled lithium niobate,” J. Opt. Soc. Am. B 20, 343-350 (2003)doi:10.1364/JOSAB.20.000343

6.啁啾结构 K. L. Baker, “Single-pass gain in a chirped quasi-phase-matched optical parametric oscillator,” Appl. Phys. Lett. 82, 3841-3843 (2003). doi:10.1063/1.1579848

二维

1. 综述文章 A. Arie, A. Bahabad and N. Habshoosh, “Nonlinear interactions in periodic and quasi-periodic nonlinear photonic crystals,” in Ferroelectric Crystals for Photonic Applications (eds. P. Ferraro, S. Grilli and P. De Natale ) ch.10,259-294 (Springer Verlag, 2008).doi:10.1007/978-3-540-77965-0

2.第一块二维非线性光子晶体 N. G. R. Broderick, G. W. Ross, H. L. Offerhaus, D. J. Richardson, and D. C. Hanna, “Hexagonally poled lithium niobate: a two-dimensional nonlinear photonic crystal,” Phys. Rev. Lett. 84, 4345–4348 (2000).doi: 10.1103/PhysRevLett.84.4345

参考资料编辑

1.^ J.A. Armstrong, N. Bloembergen, J. Ducuing, P.S. Pershan (1962). "Interaction between light waves in a nonlinear dielectric". Physical Review 127: 1918. doi:10.1103/PhysRev.127.1918.

2.^ V. Berger (1998). "Nonlinear photonic crystals". Physical Review Letters 81: 4136. doi:10.1103/PhysRevLett.81.4136.