一种单块极化晶体中超宽带中红外激光产生方法与流程

1.本发明涉及强激光非线性频率变换技术领域，特别是涉及一种单块极化晶体中超宽带中红外激光产生方法。


背景技术：

2.3～5μm中红外激光由于具有的光子能量的特殊性，在基础研究、生物医疗、光通信、大气探测等方面有着广泛的应用价值。然而，受制于中红外波段的增益介质，传统的激光产生及放大的方法如再生放大等已经不适用。二阶非线性频率转换，如二次谐波产生(shg)、和频产生(sfg)、差频产生(dfg)、光学参量振荡(opo)和放大(opa)过程等，已经广泛应用于激光频率扩展。通过差频转换，将波长较短且较易获取的近红外波段激光转换为中红外激光，能够实现传统激光器难以实现的目标。


技术实现要素：

3.为解决上述问题，本发明提供一种能够同时实现1.6～5μm波段中红外激光的产生，且具有使用方便；结构可控；设计灵活的优点；克服了传统红外激光调谐困难，占面积大，且无法向中红外扩展等缺点的单块极化晶体中超宽带中红外激光产生方法。
4.本发明所采用的技术方案是：一种单块极化晶体中超宽带中红外激光产生方法，该方法基于准相位匹配技术，利用准相位匹配技术在极化晶体中进行差频过程；所述差频过程中使用的泵浦光波长为800nm，信号光波长为0.95～1.6μm，在晶体中差频能够得到1.6～5μm的中红外激光；具体步骤如下：
5.步骤1：根据差频过程中泵浦光与信号光在极化晶体中的折射率色散公式，计算得出差频过程中各个波长的中红外激光产生的相位失配量；
6.步骤2：根据相位失配量设定极化晶体结构，确定极化晶体具体参数，确定极化晶体具体参数为晶体初始极化周期、晶体极化周期和晶体啁啾极化周期；
7.步骤3：根据准相位匹配技术要求，将所需泵浦光与信号光以e偏振重叠并垂直入射极化晶体，实现宽带波长转换，通过入射不同波长的信号光，获得对应的不同波长中红外激光产生效率，在单一晶体中实现超宽带中红外激光的产生。
8.对上述方案的进一步改进为，所述步骤2中，极化晶体为5％mgo掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体(cppln)；所述啁啾周期极化铌酸锂晶体呈长方体形状，上下表面平行且抛光，长宽为20mm*6mm，厚度为1～2mm。
9.对上述方案的进一步改进为，所述啁啾周期极化铌酸锂晶体包括一系列长度不等的畴结构，每一畴结构的长度为晶体的极化周期，所述一系列畴结构中，每个畴结构分别包含一对极化方向相反长度相等的正畴和负畴；
10.即λ＝l

l-，
11.正畴和负畴分别代表该区域二阶非线性系数的符号。
12.对上述方案的进一步改进为，所述一系列畴结构的长度沿着光传播方向按照连续
的啁啾变化而改变。
13.对上述方案的进一步改进为，啁啾周期极化铌酸锂晶体满足的准相位匹配条件要求飞秒脉冲激光为垂直入射非线性晶体，非线性晶体为晶体z向切割，且入射光偏振方向为e偏振。
14.对上述方案的进一步改进为，所述步骤1中，根据泵浦光与信号光波长，利用sellmeier方程计算得到差频过程的相位失配量δk0，根据相位失配量δk0得到啁啾周期极化铌酸锂晶体所需要提供的倒格矢gm＝δk0。
15.对上述方案的进一步改进为，所述步骤2中，晶体初始极化周期λ0由得到，其中g0为gm中对应的最小值。
16.对上述方案的进一步改进为，所述步骤2中，晶体啁啾极化周期dg由得到，其中g
max
为gm中对应的最大值。
17.对上述方案的进一步改进为，所述步骤2中，晶体极化周期λ(z)由公式得到，其中z为晶体通光方向的位置。
18.对上述方案的进一步改进为，所述步骤3中，为了获得中红外激光的转换效率，利用一下非线性耦合波方程组进行求解：
[0019][0020][0021][0022]
其中，ep、es、em分别为泵浦光、信号光、中红外光波的电场振幅，c为光速。χ
(2)
(z)为根据啁啾极化周期λ＝l

l-对应的非线性系数分布。
[0023]
本发明的有益效果是：
[0024]
(1)本发明从准相位匹配技术的原理出发，提出一种基于准相位匹配的单块极化晶体中超宽带中红外激光产生方法，基于啁啾周期极化晶体结构，能够在单块非线性晶体中同时实现1.6～5μm的宽带中红外激光输出。
[0025]
(2)本发明利用了基于准相位匹配技术的非线性频率变换差频产生，使用泵浦光波长为800nm，信号光波长为0.95～1.6μm，能够在单块晶体中同时产生1.6～5μm的宽带中红外激光输出。由于准相位匹配的有点，该方法在使用过程中无需改变入射激光的入射角度、偏振等参数，没有复杂的光路要求，同时输出的激光偏振保持与入射激光相同。同时，本发明使用了啁啾周期极化晶体，其相比于双折射晶体或者固定周期极化晶体，在同一方向上能够提供更多的相位失配补偿，从而使本发明具有极大的工作带宽。
[0026]
(3)本发明在单块晶体中实现了以往需要复杂的光路系统才能够实现的功能，相
比过去的红外光激光器，能够向中红外波段扩展，并且无需复杂光路设置及较大占用面积，同时稳定性也显著提高，这大大降低了成本，有利于产业化。
附图说明
[0027]
图1为本发明啁啾周期极化铌酸锂晶体产生中红外激光的示意图；
[0028]
图2为本发明计算得到的不同波长中红外激光产生所需要对应的极化周期；
[0029]
图3为本发明计算得到的不同波长中红外激光产生所对应的相位失配量；
[0030]
图4为本发明设计的啁啾周期极化铌酸锂晶体的倒格矢分布与中红外激光产生的相位失配量；
[0031]
图5为本发明中红外激光在设计的啁啾周期极化铌酸锂晶体中5mm处的转换效率；
[0032]
图6为本发明中红外激光在设计的啁啾周期极化铌酸锂晶体中10mm处的转换效率；
[0033]
图7为本发明中红外激光在设计的啁啾周期极化铌酸锂晶体中15mm处的转换效率；
[0034]
图8为本发明中红外激光在设计的啁啾周期极化铌酸锂晶体中20mm处的转换效率。
具体实施方式
[0035]
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
[0036]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
[0037]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
[0038]
如图1～图8所示，本发明提出了一种基于准相位匹配的单块极化晶体中超宽带中红外激光产生方法，该方法基于准相位匹配技术，利用准相位匹配技术在极化晶体中进行差频过程，所述差频过程中使用的泵浦光波长为800nm，信号光波长为0.95～1.6μm，在晶体中差频能够得到1.6～5μm的中红外激光。具体步骤如下：
[0039]
步骤1：根据差频过程中泵浦光与信号光在极化晶体中的折射率色散公式，计算得出差频过程中各个波长的中红外激光产生的相位失配量；
[0040]
步骤2：根据相位失配量设定极化晶体结构，确定极化晶体具体参数，如晶体初始极化周期、晶体极化周期、晶体极化啁啾周期等；
[0041]
步骤3：根据准相位匹配技术要求，将所需泵浦光与信号光以e偏振重叠并垂直入射极化晶体，实现宽带波长转换，通过入射不同波长的信号光，获得对应的不同波长中红外激光产生效率，在单一晶体中实现超宽带中红外激光的产生。
[0042]
极化晶体为5％mgo掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体，所述啁啾周期极化铌酸锂晶体呈长方体形状，上下表面平行且抛光，长宽为20mm*6mm，厚度为1～2mm。所述啁啾周期极化铌酸锂晶体包括一系列长度不等的畴结构，每一畴结构的长度为晶体的极化周期λ，所述一系列畴结构中，每个畴结构分别包含一对极化方向相反长度相等的正畴和负畴，即λ＝l

l-，正畴和负畴分别代表该区域二阶非线性系数的符号，所述一系列畴结构的长度沿着光传播方向按照连续的啁啾变化而改变。所述啁啾周期极化铌酸锂晶体满足的准相位匹配条件要求飞秒脉冲激光为垂直入射非线性晶体，非线性晶体为晶体z向切割，且入射光偏振方向为e偏振。
[0043]
实现超宽带中红外激光产生方法，所述步骤1中，根据泵浦光与信号光波长，利用sellmeier方程计算得到差频过程的相位失配量δk0，根据相位失配量δk0得到啁啾周期极化铌酸锂晶体所需要提供的倒格矢gm＝δk0。
[0044]
更具体地，本实施例中，对于不同波长的中红外激光的产生，计算得到了所需要的极化周期和相位失配如图2和图3所示。可以看到，在1.6～5μm范围内，相位失配量有一极值点，则此时两端的不同波长能够共用同一倒格矢，从而所需的倒格矢带宽相对较小。
[0045]
实现超宽带中红外激光产生方法，其特征在于，所述步骤2中，晶体初始极化周期λ0由得到，其中g0为gm中对应的最小值。
[0046]
实现超宽带中红外激光产生方法，其特征在于，所述步骤2中，晶体极化周期啁啾度dg由得到，其中g
max
为gm中对应的最大值。
[0047]
实现超宽带中红外激光产生方法，其特征在于，所述步骤2中，晶体极化周期λ(z)由公式得到，其中z为晶体通光方向的位置。
[0048]
如图4所示，设定初始极化周期λ0＝22.5μm、啁啾度dg＝1.5
×
10-6
μm-2
、啁啾极化铌酸锂晶体长度l＝20mm，则极化周期分布范围为22.5～20.2μm，可以得到周期极化铌酸锂晶体的倒格矢分布与中红外激光产生的相位失配量。能够看到，此时的倒格矢分布完全覆盖了中红外激光产生所需的相位失配，从而能够在单块晶体中支持1.6～5μm的中红外激光的产生。
[0049]
实现超宽带中红外激光产生方法，所述步骤3中，为了获得中红外激光的转换效率，利用一下非线性耦合波方程组进行求解：
[0050][0051][0052][0053]
其中，ep、es、em分别为泵浦光、信号光、中红外光波的电场振幅，c为光速。χ
(2)
(z)
为根据啁啾极化周期λ＝l

l-对应的非线性系数分布。
[0054]
设定800nm泵浦光的输入电场强度为3*107v/m，对应的功率密度为0.12gw/cm2，信号光中心波长由0.95～1.6μm范围内，每一单波长信号光输入电场强度均假设为107v/m，对应的功率密度为13.26mw/cm2。铌酸锂晶体的非线性系数为27.2pm/v。则对耦合波方程组求解后，得到如图5-8所示为晶体不同位置时中红外激光的转换效率。可以看出，随着激光在晶体中传播距离的不同，啁啾周期极化铌酸锂晶体能够提供的倒格矢带也不同，并且随着传播距离越长，相应的转换带宽也越宽。如图5，此时激光在晶体中的传播距离为5mm，晶体的有效带宽为2.8-4.2μm。如图6，随着激光传播距离增大到10mm，中红外激光的带宽有着明显的展宽，此时晶体的有效带宽扩展为2.2-4.8μm。如图7、8，随着激光传播距离的进一步增大，晶体的有效带宽扩展程度逐渐减小，最终完全覆盖了1.6～5μm波段。由以上能够看出，该啁啾周期极化铌酸锂晶体结构能够支持超宽带中红外波段的产生。
[0055]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种单块极化晶体中超宽带中红外激光产生方法，其特征在于：该方法基于准相位匹配技术，利用准相位匹配技术在极化晶体中进行差频过程；所述差频过程中使用的泵浦光波长为800nm，信号光波长为0.95～1.6μm，在晶体中差频能够得到1.6～5μm的中红外激光；具体步骤如下：步骤1：根据差频过程中泵浦光与信号光在极化晶体中的折射率色散公式，计算得出差频过程中各个波长的中红外激光产生的相位失配量；步骤2：根据相位失配量设定极化晶体结构，确定极化晶体具体参数，确定极化晶体具体参数为晶体初始极化周期、晶体极化周期和晶体啁啾极化周期；步骤3：根据准相位匹配技术要求，将所需泵浦光与信号光以e偏振重叠并垂直入射极化晶体，实现宽带波长转换，通过入射不同波长的信号光，获得对应的不同波长中红外激光产生效率，在单一晶体中实现超宽带中红外激光的产生。2.根据权利要求1所述的单块极化晶体中超宽带中红外激光产生方法，其特征在于：所述步骤2中，极化晶体为5％mgo掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体(cppln)；所述啁啾周期极化铌酸锂晶体呈长方体形状，上下表面平行且抛光，长宽为20mm*6mm，厚度为1～2mm。3.根据权利要求2所述的单块极化晶体中超宽带中红外激光产生方法，其特征在于：所述啁啾周期极化铌酸锂晶体包括一系列长度不等的畴结构，每一畴结构的长度为晶体的极化周期，所述一系列畴结构中，每个畴结构分别包含一对极化方向相反长度相等的正畴和负畴；即λ＝l

l-，正畴和负畴分别代表该区域二阶非线性系数的符号。4.根据权利要求3所述的单块极化晶体中超宽带中红外激光产生方法，其特征在于：所述一系列畴结构的长度沿着光传播方向按照连续的啁啾变化而改变。5.根据权利要求1所述的单块极化晶体中超宽带中红外激光产生方法，其特征在于：啁啾周期极化铌酸锂晶体满足的准相位匹配条件要求飞秒脉冲激光为垂直入射非线性晶体，非线性晶体为晶体z向切割，且入射光偏振方向为e偏振。6.根据权利要求5所述的单块极化晶体中超宽带中红外激光产生方法，其特征在于：所述步骤1中，根据泵浦光与信号光波长，利用sellmeier方程计算得到差频过程的相位失配量δk0，根据相位失配量δk0得到啁啾周期极化铌酸锂晶体所需要提供的倒格矢g
m
＝δk0。7.根据权利要求6所述的单块极化晶体中超宽带中红外激光产生方法，其特征在于：所述步骤2中，晶体初始极化周期λ0由得到，其中g0为g
m
中对应的最小值。8.根据权利要求7所述的单块极化晶体中超宽带中红外激光产生方法，其特征在于：所述步骤2中，晶体啁啾极化周期d
g
由得到，其中g
max
为g
m
中对应的最大值。9.根据权利要求8所述的单块极化晶体中超宽带中红外激光产生方法，其特征在于：所述步骤2中，晶体极化周期λ(z)由公式得到，其中z为晶体通光方向的位置。
10.根据权利要求1所述的单块极化晶体中超宽带中红外激光产生方法，其特征在于：所述步骤3中，为了获得中红外激光的转换效率，利用一下非线性耦合波方程组进行求解：所述步骤3中，为了获得中红外激光的转换效率，利用一下非线性耦合波方程组进行求解：所述步骤3中，为了获得中红外激光的转换效率，利用一下非线性耦合波方程组进行求解：其中，ep、es、em分别为泵浦光、信号光、中红外光波的电场振幅，c为光速。χ
(2)
(z)为根据啁啾极化周期λ＝l

l-对应的非线性系数分布。

技术总结
本发明涉及强激光非线性频率变换技术领域，具体涉及一种单块极化晶体中超宽带中红外激光产生方法，该方法使用了波长为800nm的激光作为泵浦光，波长为0.95～1.6μm的激光作为信号光，在极化晶体中发生差频转换过程，从而产生1.6～5μm的中红外激光。该方法中使用了啁啾周期结构的极化晶体，即晶体的极化周期随着晶体中位置变化而连续变化。所述的极化晶体为5％氧化镁掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体。本发明利用准相位匹配技术，能够使用啁啾周期铌酸锂晶体最大的有效非线性系数，使其在不同波长泵浦时无需改变晶体角度或者激光的偏振等；克服目前中红外波段激光器受限于增益介质而波长难以扩展的缺点。而波长难以扩展的缺点。而波长难以扩展的缺点。


技术研发人员：李志远 李铭洲 洪丽红
受保护的技术使用者：广东晶启激光科技有限公司
技术研发日：2022.03.22
技术公布日：2022/5/25