准相位匹配 Quasi-phase matching

2022-10-28 11:02:53 浏览:548

定义

一种使用周期性结构实现一种相位匹配的技术。

准相位匹配是一种实现与非线性相互作用相位匹配相似结果的技术,特别是对于基于χ(2)非线性。代替均匀的非线性晶体材料,使用具有空间调制非线性特性的材料。这个想法本质上是允许在某个传播距离上出现相位不匹配,但在否则相互作用将以错误的转换方向发生的位置逆转(或破坏)非线性相互作用。与双折射相位匹配相比,所涉及的波不必具有不同的偏振状态;事实上,最常见的是具有相等的极化状态。(有时使用术语“0 型相位匹配”。

图1:添加晶体不同部分的振幅贡献。通过准相位匹配,可以实现高转换效率。

图1用绿色箭头说明了非线性晶体不同部分对倍频器谐波的复振幅贡献。在没有相位匹配的情况下,这些贡献不能在晶体中的相当长的距离上相加。通过准相位匹配,贡献的符号在某个点上颠倒,否则它们会减小总振幅。(在一个所谓的相干长度上传播后就是这种情况。这样,总幅度可以越来越大,尽管不如实际相位匹配那么快。

与完全相位匹配的情况相比,如果非线性系数相同,QPM会导致较低的转换效率:有效非线性系数 deff 减少 2 / π 倍,该系数的平方与转换效率相关。然而,QPM通常可以对所有相互作用的波使用相同的极化方向,这通常对应于使用更强的非线性张量元素。实际上,转换效率可以大大高于真正的相位匹配。例如,考虑铌酸锂(LiNbO3),其中双折射相位匹配通常利用系数d31= 4.35 pm/V,而 QPM 通常使用更高的d33= 27 pm/V,考虑到上述系数2 / π,这有效地导致17 pm/V。由于转换效率通常与非线性系数的平方成正比(在低转换状态下),因此使用d33在无法使用非常高的光学强度的情况下,例如由于泵浦功率有限,取得了重大进展。QPM现在广泛用于倍频(例如绿色和蓝色激光源)以及参数化器件,如光学参数振荡器。

图2:QPM用于光学参量振荡器,在室温下基于周期极化铌酸锂(PPLN),所有波沿z轴偏振。曲线对应于 10 μm(最左侧曲线)和 35 μm(右侧)之间的极化周期。虚线表示信号和空闲频率的退化。

QPM开启了许多有吸引力的可能性。原则上,它允许具有任意高的“自然”相位失配的有效非线性相互作用,尽管较大的相位失配可能导致不切实际的小极化周期。通常,传播方向是沿晶轴(非临界相位匹配),这样就可以避免空间走开,并且接受角很大。另外,可以调整准相位匹配周期,以获得方便的相位匹配温度。因此,通常可以在室温或接近室温的情况下工作,而无需诉诸临界相位匹配或非线性相位匹配。这些选项对于波导中的非线性相互作用也很重要,其中非共线光束和与空间走开的相互作用通常不能使用。

请注意,可以在单个晶体中安排多个准相位匹配的非线性相互作用。例如,这可以通过使用具有多个极化周期的周期性极化晶体,或者通过在单个极化结构中利用不同次相匹配来实现。(当占空比偏离50%时,偶数阶过程也成为可能。这种多重相互作用可能很有趣,例如用于实现紧凑的RGB源,但它们也可能无意中发生并导致各种寄生过程。

在某些情况下,寄生的高阶过程可能会令人不安。例如,由铌酸锂或钽酸锂制成的参数振荡器和发生器中的寄生二次谐波产生相对强的绿光,这些振荡器和发生器在 1 μm 光谱区域中泵浦。这可能是有害的,特别是在绿色诱导的红外吸收(→光变暗的情况下)。另一方面,弱可见寄生束有助于此类器件的对准。

作为历史笔记,QPM早在1962年就被发明了[1],但当时无法使用,因为当时还没有开发出合适的制造技术(见下文)。因此,长期以来,双折射相位匹配是唯一使用的技术。然而,在1980年代,QPM开始得到越来越广泛的使用。其关键是开发用于周期性极化的先进技术。

好处和问题概述

简而言之,QPM可能带来的好处是:

  • 它可以处理非常广泛的非线性相互作用(即使在例如双折射太弱而无法进行双折射相位匹配的晶体中),并且这是在方便的温度下并且没有空间走开。
  • 由于周期极化方法可以精确地应用于非线性度特别高的晶体材料,并且QPM通常还可以利用比双折射相位匹配更大的非线性系数,因此许多非线性转换过程可以非常高效。
  • 周期性极化晶体可能具有降低光折射问题的趋势,如果不同取向域中的效应相互抵消。

限制是:

  • 制造具有高质量和可靠确认质量的周期性极化晶体(见下文)具有挑战性,并且只有使用某些晶体材料才能实现。所需程序的细节和成功率在很大程度上取决于材料细节——不仅是材料类型,还有缺陷密度、化学计量、表面处理等。
  • 周期性极化只能应用于厚度相当有限的晶体,不包括具有非常高功率水平的大孔径器件。
  • 对于不同的工艺,需要许多不同的极化周期。这使得制造商不太可能有所需的晶体库存。即使所需的期限原则上没有问题,新值也可能需要昂贵的新光刻掩模。另请注意,精确预测所需极化周期需要精确的折射率(Sellmeier)数据。
  • 寄生高阶过程可以产生额外波长的光,这可能以各种方式令人不安。

使用啁啾QPM晶体进行脉冲整形和压缩

准相位匹配的扩展涉及非线性材料的轻微非周期(非均匀)极化。当使用光刻掩模完成极化时,非周期极化并不比精确周期极化更难实现。

当使用啁啾QPM晶体进行非线性频率转换时,转换脉冲和/或未转换脉冲的时间形状可以大幅修改。对于适当设计的啁啾结构,可以获得具有定制时间形状的脉冲。

非周期结构的一个特殊情况是“啁啾”结构,其中极化周期沿光束方向单调变化。这种啁啾QPM结构的一种可能应用是一种特殊的脉冲压缩方法[4],例如用于啁啾脉冲放大。在这里,强啁啾脉冲经过频率转换,使得产生的脉冲不会啁啾,因此时间要短得多。这种非线性压缩机可以处理高脉冲能量,但不幸的是,在最大输入脉冲持续时间方面相当有限。

准相位匹配非线性晶体的制备

生成准相位匹配晶体的最常用技术是铁电非线性晶体材料的周期极化,例如铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)和钛基磷酸钾(KTP,KTiOPO4)通过铁电域工程。在这里,使用微结构电极对晶体施加强电场一段时间,因此晶体取向和非线性系数的符号仅在电极手指下方永久反转。极化周期(电极图案的周期)决定了某些非线性过程可以准相位匹配的波长。典型的极化周期在 5 到 50 μm 之间。有关更多详细信息,请参阅有关周期性极化的文章。

最近,在取向图案砷化镓(OP-GaAs)中对QPM进行了有趣的工作。这种材料具有非常高的非线性系数和0.9-17μm的宽透明度范围,使其非常有吸引力,例如在中红外光谱范围内发射的光学参量振荡器[6]。有几种不同的技术可以制造这种材料 - 请参阅有关取向图案半导体的文章。

参考文献

[1] J. A. Armstrong, “Interactions between light waves in a nonlinear dielectric”, Phys. Rev. 127 (6), 1918 (1962), doi:10.1103/PhysRev.127.1918
[2] L. Gordon et al., “Diffusion-bonded stacked GaAs for quasiphase-matched second-harmonic generation of a carbon dioxide laser”, Electron. Lett. 29 (22), 1942 (1993), doi:10.1049/el:19931293
[3] M. J. Angell et al., “Growth of alternating <100>/<111>-oriented II-VI regions for quasi-phase-matched nonlinear optical devices on GaAs substrates”, Appl. Phys. Lett. 64, 3107 (1994), doi:10.1063/1.111362
[4] A. Galvanauskas et al., “Chirped-pulse-amplification circuits for fiber amplifiers, based on chirped-period quasi-phase-matching gratings”, Opt. Lett. 23 (21), 1695 (1998), doi:10.1364/OL.23.001695
[5] L. A. Eyres et al., “All-epitaxial fabrication of thick, orientation-patterned GaAs films for nonlinear optical frequency conversion”, Appl. Phys. Lett. 79 (7), 904 (2001), doi:10.1063/1.1389326
[6] K. L. Vodopyanov et al., “Optical parametric oscillation in quasi-phase-matched GaAs”, Opt. Lett. 29 (16), 1912 (2004), doi:10.1364/OL.29.001912
[7] C. Zhang et al., “Perfect quasi-phase matching for the third-harmonic generation using focused Gaussian beams”, Opt. Lett. 33 (7), 720 (2008), doi:10.1364/OL.33.000720
[8] M. Charbonneau-Lefort et al., “Optical parametric amplifiers using chirped quasi-phase-matching gratings I: practical design formulas”, J. Opt. Soc. Am. B 25 (4), 463 (2008), doi:10.1364/JOSAB.25.000463
[9] M. Charbonneau-Lefort et al., “Optical parametric amplifiers using nonuniform quasi-phase-matched gratings. II: Space–time evolution of light pulses”, J. Opt. Soc. Am. B 25 (5), 680 (2008), doi:10.1364/JOSAB.25.000680
[10] A. Tehranchi and R. Kashyap, “Engineered gratings for flat broadening of second-harmonic phase-matching bandwidth in MgO-doped lithium niobate waveguides”, Opt. Express 16 (23), 18970 (2008), doi:10.1364/OE.16.018970
[11] C. R. Phillips et al., “Apodization of chirped quasi-phasematching devices”, J. Opt. Soc. Am. B 30 (6), 1551 (2013), doi:10.1364/JOSAB.30.001551

非线性光学

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