CN116300250A - 一种多通道三维准相位匹配方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多通道三维准相位匹配方法与装置，该方法包括：将基频光通过显微物镜进行聚焦，得到聚焦状态得到改变的基频光；将所述聚焦状态得到改变的基频光采用正入射的方式，入射至非线性光子晶体，通过所述非线性光子晶体，得到出射的二次谐波；根据所述出射的二次谐波，最终实现多通道倍频光波的输出。本发明将基频光通过显微物镜聚焦正入射非线性光子晶体，仅通过改变基频光聚焦物镜的数值孔径，使得入射基频波矢的方向范围发生改变，结合三维非线性光子晶体的空间倒格矢组合，满足准相位匹配条件，实现可变多通道倍频。本发明无需结构变化可实现可控的多通道二次谐波产生。

Description

一种多通道三维准相位匹配方法与装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种多通道三维准相位匹配方法与装置。

背景技术

非线性光子晶体是折射率分布均匀，二阶非线性光学系数呈周期或准周期分布的非线性光学材料。当基频光经过非线性光子晶体时，通过三波耦合过程，周期结构在傅里叶空间中提供的倒格矢可与基波产生相互作用，弥补由色散导致的相位失配，从而使能量得以由基波不断流入二次谐波(以倍频过程为例)，实现有效倍频输出。

利用倒格矢补偿相位失配从而实现高效激光频率变换的技术即为准相位匹配，目前已经成为激光频率变换领域的重要技术手段，是产生紫外可见、近红外、中远红外乃至太赫兹光源的有效途径。基于此，准相位匹配在光通讯、非线性全息成像和波前调制领域均有重要潜在应用价值。

三维非线性光子晶体可在三个空间方向上提供倒格基矢，是能最大限度展现准相位匹配技术优势，实现多通道激光频率变换的理想材料。目前，对于特定三维非线性光子晶体结构，其通过三维准相位匹配产生的倍频通道数是由非线性光子晶体的结构决定的，即对于同一种非线性光子晶体所实现的倍频通道数目一定，且不可通过外界条件进行人为控制，从而制了多通道倍频的灵活性和应用价值。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种多通道三维准相位匹配方法与装置。

一种多通道三维准相位匹配方法，包括：

将基频光通过显微物镜进行聚焦，得到聚焦状态得到改变的基频光；

将所述聚焦状态得到改变的基频光采用正入射的方式，入射至非线性光子晶体，通过所述非线性光子晶体，得到出射的二次谐波；

根据所述出射的二次谐波，最终实现多通道倍频光波的输出。

进一步地，如上所述的方法，所述非线性光子晶体为飞秒激光加工的面心立方点阵结构的三维非线性光子晶体，点阵周期为20微米。

进一步地，如上所述的方法，所述非线性光子晶体加工基质采用铌酸锶钡晶体。

进一步地，如上所述的方法，所述非线性光子晶体前后表面平行，且经过抛光处理，以减少对入射和出射光的散射。

进一步地，如上所述的方法，所的三维非线性光子晶体尺寸为200μm×200μm×200μm。

进一步地，如上所述的方法，所述将基频光通过显微物镜进行聚焦，得到聚焦状态得到改变的基频光包括：

改变显微物镜数值孔径，通过改变所述显微物镜的数值孔径来改变基频光的聚焦状态。

进一步地，如上所述的方法，所述根据所述出射的二次谐波，最终实现多通道倍频光波的输出包括：

将所述二次谐波通过放置在远场的光屏进行接收，通过所述光屏滤光后，最终得到多通道倍频的光波。

进一步地，如上所述的方法，在入射至于所述显微物镜的基频光聚焦由弱到强聚焦过程中通道数增加一倍。

本发明还提供一种多通道三维准相位匹配方法，包括：

聚焦单元，用于将基频光通过显微物镜进行聚焦，得到聚焦状态得到改变的基频光；

倍频处理单元，用于将所述聚焦状态得到改变的基频光采用正入射的方式，入射至非线性光子晶体，通过所述非线性光子晶体，得到出射的二次谐波；

倍频输出单元，用于根据所述出射的二次谐波，最终实现可变多通道倍频光波的输出。

本发明提供的多通道三维准相位匹配方法与装置，通过不同数值孔径的显微物镜将基频光进行聚焦，使得基频光发生了聚焦状态的变化；再通过将聚焦状态不同的基频光正入射至非线性光子晶体，通过非线性光子晶体诱导其内部产生通道数目不同的倍频过程，从而利用聚焦状态得到改变的基频光最终实现了多通道倍频光波的输出。

附图说明

图1为本发明多通道三维准相位匹配方法流程示意图；

图2为本发明的实验装置示意图；

图3是本发明在数值孔径0.1物镜聚焦基频光下的倍频光斑示意图；

图4是本发明在数值孔径0.3物镜聚焦基频光下的倍频光斑示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明多通道三维准相位匹配方法流程示意图，如图1所示，该方法包括：

步骤101：将基频光通过显微物镜进行聚焦，得到聚焦状态得到改变的基频光。

具体地，物镜数值孔径决定了其对光的聚焦程度，数值孔径不同的物镜对基频光的聚焦程度不同，高数值孔径的物镜聚焦能力强，基频光波矢方向范围大；低数值孔径的物镜聚焦能力弱，基频光波矢方向范围小，本发明通过将基频光通过显微物镜进行聚焦，从而使得基频光的聚焦状态得到了改变。

步骤102：将所述聚焦状态得到改变的基频光采用正入射的方式，入射至非线性光子晶体，通过所述非线性光子晶体，得到出射的二次谐波。

具体地，本发明通过显微物镜聚焦基频光正入射非线性光子晶体，由于聚焦镜作用，基频光实际传播方向有一定的角度范围。通过改变聚焦物镜的数值孔径，基频光的传播方向覆盖的空间角将发生变化，结合三维非线性光子晶体所提供倒格矢，实现多通道倍频过程中的通道数目可控。

本发明采用正入射方式的原因在于：可以获得对称的倍频光斑，防止由于光斑不对称造成的通道缺失，从而提高倍频过程能量转换的效率。

步骤103：根据所述出射的二次谐波，最终实现多通道倍频光波的输出。

具体地，由于传统二次谐波产生仅在一个方向，而本发明多通道倍频可在空间多个方向上获得倍频光输出。具体地，本发明将基频光通过显微物镜聚焦正入射非线性光子晶体，仅通过改变基频光聚焦物镜的数值孔径，使得入射基频波矢的方向范围发生改变，同时结合三维非线性光子晶体的空间倒格矢组合，满足准相位匹配条件，实现可变多通道倍频。本发明无需结构变化实现多通道倍频，且通道数目可控。

三维非线性光子晶体所提供的倒格矢为三维倒格矢，由空间三个倒格基矢组成，其相互叠加可以获得在空间任意方向的倒格矢。当基频光入射三维非线性光子晶体时，可产生的倍频光方向(即通道数)由基频波矢和倒格矢共同决定。传统上，若将基频波矢方向由原方向调整至新方向，虽可获得新的倍频通道，但原有倍频通道将不再产生。本发明仅改变物镜的数值孔径，当数值孔径由低变高时，即可在保留原有倍频通道的同时获得新的倍频通道，且改变的仅有聚焦物镜一个光学元器件，因此，本发明无需改变装置结构，仅仅通过改变显微物镜的数值孔径即可实现多通道倍频，操作简便。

进一步地，所述非线性光子晶体为飞秒激光加工的面心立方结构的三维非线性光子晶体。

具体地，本发明采用面心立方结构的三维非线性光子晶体的原因在于点阵分布密度低，方便加工，能够使三维非线性光子晶体提供的倒格矢与密度更大的面心立方结构相同。

进一步地，所述非线性光子晶体加工基质采用铌酸锶钡晶体。

具体地，由于铌酸锶钡晶体是负单轴晶，在近红外和可见波段透过率高，能够提高实验的可重复性。

进一步地，所述非线性光子晶体前后表面平行，且经过抛光处理，以减少对入射和出射光的散射。

具体地，本发明通过抛光处理，防止由于前后表面不平行导致的结构加工及倍频观测误差,从而提高多通道倍频光斑的观测精度；通过减少对入射和出射光的散射来提高倍频效率，以进一步提高多通道倍频光斑的观测精度。

进一步地，所的三维非线性光子晶体尺寸为200μm×200μm×200μm。

具体地，由于三维非线性光子晶体尺寸太小会导致于基频光与非线性光子晶体相互作用范围小，则会导致倍频效率过低而影响观测，本发明采用该尺寸的三维非线性光子晶体能够提高倍频转换效率，提高观测精度。

进一步地，通过改变所述显微物镜的数值孔径来改变基频光的聚焦状态。多通道在激光由弱到强聚焦过程中通道数增加一倍。

具体地，根据实验观测，结合准相位匹配理论分析，当强聚焦时，更宽范围的基频波矢方向可使原有仅有一阶倒格矢匹配的过程实现一阶和二阶倒格矢同时匹配，从而使倍频通道数增加一倍。

进一步地，将所述二次谐波通过放置在远场的光屏进行接收，通过所述光屏滤光后，最终得到多通道倍频的光波。

具体地，本发明通过远场的光屏收集多通道倍频光斑，以便于观测。

如图2所示，左侧为入射的基频光，基频光经过显微物镜聚焦正入射晶体。由于显微物镜存在强聚焦特性，故实际入射晶体的基频光存在一定的入射角度范围，在图2中以左侧的双箭头表示。

本发明以面心立方结构的三维非线性光子晶体为例，结构周期为20微米。非线性光子晶体是折射率空间分布均匀，但二阶非线性光学系数呈周期调制的非线性光学材料。利用铁电畴壁两侧二阶非线性系数符号相反的特性，通过飞秒激光三维铁电畴调控可实现面心立方结构三维非线性光子晶体的制备。本实施例的非线性光子晶体的加工基质为铌酸锶钡铁电晶体，晶体为四方晶系4mm点群，晶体整体尺寸为5×5×1mm³，晶体为z切，即基频光沿z轴入射晶体，晶体前后表面平行且抛光至光学级。

本实施例入射晶体的基频光波长为1560nm，沿铌酸锶钡晶体的x轴偏振，利用铌酸锶钡晶体的二阶非线性光学系数d31激发的二阶非线性极化产生倍频光，通过面心立方结构三维非线性光子晶体所提供的空间倒格矢弥补色散导致的相位失配实现倍频光波的有效输出。相位匹配方式为一类o+o→e.

出射倍频光被放置在远场的半透明光屏接收，光屏与晶体前后表面平行，光屏后放置滤光片避免基频光的干扰，并用带有镜头的工业相机对倍频光斑图样进行记录。本实施例中基频光斑波长为1560nm。

当利用数值孔径为0.1的显微物镜对基频光进行聚焦时，典型倍频光斑如图3所示。整体多通道倍频信号呈圆形分布是由于纵向倒格矢带来的相位匹配造成的。此时如将所有在x轴上坐标相同的点定义为一列，将整个圆环的圆心处定义为0，可见圆环对应最大x轴坐标为7。

当利用数值孔径为0.3的显微物镜对基频光进行聚焦时，典型倍频光斑如图4所示。整体多通道倍频信号呈圆形分布仍然是由于纵向倒格矢带来的相位匹配造成的，且二者为同一非线性光子晶体产生，图多通道倍频实际分布的圆环半径与数值孔径0.1聚焦时一致。此时如将所有在x轴上坐标相同的点定义为一列，将整个圆环的圆心处定义为0，可见圆环对应最大x轴坐标为14，即倍频信号通道数目是数值孔径0.1物镜聚焦时的二倍。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种多通道三维准相位匹配方法，其特征在于，包括：

将基频光通过显微物镜进行聚焦，得到聚焦状态得到改变的基频光；

将所述聚焦状态得到改变的基频光采用正入射的方式，入射至非线性光子晶体，通过所述非线性光子晶体，得到出射的二次谐波；

根据所述出射的二次谐波，最终实现多通道倍频光波的输出。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非线性光子晶体为飞秒激光加工的面心立方点阵结构的三维非线性光子晶体，点阵周期为20微米。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述非线性光子晶体加工基质采用铌酸锶钡晶体。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述非线性光子晶体前后表面平行，且经过抛光处理，以减少对入射和出射光的散射。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所的三维非线性光子晶体尺寸为200μm×200μm×200μm。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将基频光通过显微物镜进行聚焦，得到聚焦状态得到改变的基频光包括：

改变显微物镜数值孔径，通过改变所述显微物镜的数值孔径来改变基频光的聚焦状态。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述出射的二次谐波，最终实现多通道倍频光波的输出包括：

将所述二次谐波通过放置在远场的光屏进行接收，通过所述光屏滤光后，最终得到多通道倍频的光波。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在入射至所述显微物镜的基频光聚焦由弱到强聚焦过程中通道数增加一倍。

9.一种多通道三维准相位匹配方法，其特征在于，包括：

聚焦单元，用于将基频光通过显微物镜进行聚焦，得到聚焦状态得到改变的基频光；

倍频处理单元，用于将所述聚焦状态得到改变的基频光采用正入射的方式，入射至非线性光子晶体，通过所述非线性光子晶体，得到出射的二次谐波；

倍频输出单元，用于根据所述出射的二次谐波，最终实现多通道倍频光波的输出。

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