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,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
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
- 电极化制作PPLN
- 大块PPLN的实现
- 单束光单晶体直接三倍频
- 三原色激光器
相关文献
一维
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2.准周期结构
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二维
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参考资料
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.