專(zhuān)利名稱(chēng)：具有偏振無(wú)關(guān)光參量放大特性的矢量光束放大與產(chǎn)生器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及周期極化鈮酸鋰(PPLN)超晶格中的電光相互作用、光參量放大作用，以及基于這兩種作用的一種新型的具有偏振無(wú)關(guān)光參量放大特性的矢量光束放大與產(chǎn)生器件。具體而言，是一種通過(guò)結(jié)合電光效應(yīng)和光參量放大，使對(duì)應(yīng)光波的偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)、能量得到放大，最終實(shí)現(xiàn)任意偏振的信號(hào)光均可光參量放大的器件，可以用來(lái)解決復(fù)雜偏振態(tài)如矢量光束等的放大問(wèn)題。
背景技術(shù)：
周期極化鈮酸鋰(PPLN)在非線性光學(xué)、電光效應(yīng)(E0)、壓電效應(yīng)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。由于其周期鐵電疇結(jié)構(gòu)，PPLN呈現(xiàn)出許多獨(dú)特的性質(zhì)比如準(zhǔn)位相匹配(QPM)頻率轉(zhuǎn)換，偏振旋轉(zhuǎn)，聲子極化激發(fā)等。最近的研究趨勢(shì)已經(jīng)向考察多種過(guò)程的相互耦合作 用轉(zhuǎn)變。比如，結(jié)合非線性光學(xué)和電光效應(yīng)的快速響應(yīng)光參量振蕩(OPO)已經(jīng)被理論和實(shí)驗(yàn)上證實(shí)。但是，大多數(shù)非線性和其他耦合過(guò)程呈現(xiàn)出偏振相關(guān)，只有特定偏振入射的光波才能實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)化。此問(wèn)題來(lái)源于一些物理本質(zhì)，比如，利用非線性系數(shù)d33決定了只能是z方向偏振的信號(hào)光才可以實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)化的QPM過(guò)程。但是如果二階非線性過(guò)程能夠?qū)崿F(xiàn)偏振無(wú)關(guān)，那將具有良好的前景和廣泛應(yīng)用。具體來(lái)說(shuō)，位相匹配是實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的關(guān)鍵因素。在利用非線性晶體的光參量放大效應(yīng)中，由于存在色散，如果不采取位相匹配措施，其轉(zhuǎn)換效率將是很低的。為了提高轉(zhuǎn)換效率，必須使轉(zhuǎn)換過(guò)程滿足一定的位相匹配條件。過(guò)去，通常采用雙折射位相匹配(BPM)的方法。但BPM技術(shù)本身有一些不可避免的缺陷，如晶體需要沿特殊方向切割、需要特定的工作溫度、只能在一定波段范圍內(nèi)起補(bǔ)償作用等。再者從物理上分析，BPM需要參與相互作用的光波具有不同的偏振方向，這樣就只能利用晶體非線性系數(shù)中較小的系數(shù)，影響了頻率轉(zhuǎn)移的效率。為解決這一問(wèn)題，1962年Bloembergen等就提出了非線性光學(xué)中的準(zhǔn)位相匹配(QPM)概念。其主要思想是利用周期調(diào)制的正負(fù)疇結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的倒格矢來(lái)補(bǔ)償能量交換光波之間的位相失配，準(zhǔn)位相匹配技術(shù)由于其優(yōu)良的性質(zhì)，已經(jīng)在鈮酸鋰(LN)、鉭酸鋰(LT)等材料中獲得了廣泛的應(yīng)用。只需要根據(jù)入射光的波長(zhǎng)，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的周期結(jié)構(gòu)，就可以快速實(shí)現(xiàn)一些在雙折射體系中不容易實(shí)現(xiàn)的特性，正是因?yàn)槠渚哂蠦PM不可比擬的特性，才在非線性光學(xué)領(lǐng)域獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。同樣,矢量光束作為一種具有特殊偏振態(tài)的光束在時(shí)空演化以及和物質(zhì)的相互作用中起重要作用，表現(xiàn)出不同于標(biāo)量光束的一些新穎特性，因此矢量光束的研究有重要的科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用意義。比如，由于徑向偏振光完美的軸對(duì)稱(chēng)分布，使得它與線偏振光和圓偏振光相比有著許多顯著不同的特性。如徑向偏振光具有沿光軸對(duì)稱(chēng)的電場(chǎng)分布以及中空的圓環(huán)型光束結(jié)構(gòu)；它們?cè)赾切向晶體中傳播時(shí)，不會(huì)發(fā)生串?dāng)_；徑向偏振光在高數(shù)值孔徑透鏡聚焦時(shí)可以產(chǎn)生超越衍射極限的極小得焦點(diǎn)，比線偏振光和圓偏振光的聚焦點(diǎn)小得多，而且焦點(diǎn)區(qū)域的縱向電場(chǎng)變得非常強(qiáng)?？梢詰?yīng)用在引導(dǎo)和捕捉粒子引、粒子加速、提高顯微鏡的分辨率、金屬切割、以及提高存儲(chǔ)密度等方面。隨著人們矢量光束的不斷認(rèn)識(shí)，它將在越來(lái)越多的方面得到應(yīng)用。參考文獻(xiàn)如下
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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提出了一種具有偏振無(wú)關(guān)光參量放大特性的矢量光束放大器件。這種方法對(duì)任意偏振的信號(hào)光都有相同的放大能力，解決了矢量光束難以放大和特殊波段矢量光束難以產(chǎn)生等問(wèn)題，器件結(jié)構(gòu)緊湊，易于集成，實(shí)用性強(qiáng)，具有突出的應(yīng)用前景。
本發(fā)明的技術(shù)方案是具有偏振無(wú)關(guān)光參量放大特性的矢量光束放大與產(chǎn)生器件
包括按不同周期極化的鈮酸鋰晶體(PPLN)或鈮酸鉀分為四部分，第一、四部分實(shí)現(xiàn)光參量放大，并產(chǎn)生閑頻光，利用其周期極化結(jié)構(gòu)提供的倒格矢補(bǔ)償泵浦光、信號(hào)光、閑頻光之間的相位失配；第二部分利用周期極化結(jié)構(gòu)的倒格矢來(lái)補(bǔ)償信號(hào)光極化耦合的波矢失配；第三部分倒格矢為滿足閑頻光的電光偏轉(zhuǎn)準(zhǔn)位相匹配過(guò)程而設(shè)計(jì)，補(bǔ)償閑頻光極化耦合的波矢失配，;在結(jié)構(gòu)上，第一、四兩部分周期長(zhǎng)度為I1,周期數(shù)為N1，根據(jù)放大倍數(shù)要求的改變而有所增減；第二部分周期長(zhǎng)度為I2，周期數(shù)為N2;第三部分周期長(zhǎng)度為I3，周期數(shù)為N3;
不同周期極化的鈮酸鋰晶體(PPLN)或鈮酸鉀的中間第二、三部分兩部分在垂直于光傳播方向的y面上加外部直流電源實(shí)現(xiàn)電光系數(shù)的周期性調(diào)制，設(shè)置第二部分與第三部分周期極化鈮酸鋰晶體的外部直流電源電場(chǎng)值均為E，第二部分周期極化鈮酸鋰晶體周期為N2,使在器件中傳播的信號(hào)光偏振方向可以完全由原有方向旋轉(zhuǎn)至其正交方向；而第三部分周期為N3,使因光參量放大而產(chǎn)生閑頻光的偏振方向在第三段中旋轉(zhuǎn)至其正交方向；
中間兩段偏振旋轉(zhuǎn)機(jī)制進(jìn)行具體解釋在LN或鈮酸鉀的y面上加外部直流電場(chǎng)，由于電場(chǎng)使晶體電荷中心發(fā)生移動(dòng)，介質(zhì)隔離率張量發(fā)生變化，即折射率橢球發(fā)生變形，表現(xiàn)為折射率橢球主軸的方向和長(zhǎng)度發(fā)生變化；在外部電場(chǎng)E的作用下，折射率橢球主軸偏轉(zhuǎn)角度Θ為，式中r51表示鈮酸鋰晶體的電光系數(shù)，n。、ne表示對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的尋常光與異常光在晶體中傳播時(shí)的折射率，這樣，每一個(gè)周期相當(dāng)于一對(duì)光軸改變方向相反的半波片。半波片可以對(duì)偏振光進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，當(dāng)線偏振光垂直入射到半波片時(shí)，透射光仍為線偏振光，假如入射時(shí)振動(dòng)面和晶體主截面之間的夾角為Θ ,則透射出來(lái)的線偏振光的振動(dòng)面從原來(lái)的方位轉(zhuǎn)過(guò)2 Θ角。根據(jù)這一原理，當(dāng)入射光沿著前偏振器的透射軸入射到第一個(gè)半波片時(shí)，由于入射前透射軸與晶體光軸有Θ的角度，并且考慮到半波片的性質(zhì)，偏振方向發(fā)生2 Θ的旋轉(zhuǎn)；經(jīng)過(guò)第二個(gè)半波片時(shí)，由于極化方向相反，晶體光軸向另一側(cè)偏轉(zhuǎn)了 Θ，而出射光偏轉(zhuǎn)了 4Θ ;由此可得，經(jīng)過(guò)N對(duì)半波片之后，光的偏振角度旋轉(zhuǎn)了 4ΝΘ，當(dāng)4ΝΘ=90°時(shí)即實(shí)現(xiàn)了光的偏振旋轉(zhuǎn)至其正交方向。為確保實(shí)現(xiàn)偏振90°的功能，考察4ΝΘ=90°和兩個(gè)公式，r51是常數(shù)，且在選定的波長(zhǎng)下，n。、ne也是常數(shù)，所以可以改變電場(chǎng)E和周期數(shù)N，設(shè)計(jì)相應(yīng)的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。利用室溫脈沖外電場(chǎng)極化方法形成的周期鐵電疇反轉(zhuǎn)。第二部分利用周期極化結(jié)構(gòu)的倒格矢來(lái)補(bǔ)償信號(hào)光極化耦合的波矢失配；第三部分倒格矢為滿足閑頻光的電光偏轉(zhuǎn)準(zhǔn)位相匹配過(guò)程而設(shè)計(jì)，補(bǔ)償閑頻光極化耦合的波矢失配，電光偏轉(zhuǎn)補(bǔ)償至波矢失配
為實(shí)現(xiàn)光參量放大，輸入z偏振方向的強(qiáng)泵浦光至該器件中；
(1)當(dāng)y偏振的信號(hào)光入射到晶體，在第一部分能量不發(fā)生變化，在第二部分由于偏振旋轉(zhuǎn)，信號(hào)光偏轉(zhuǎn)至z方向，經(jīng)過(guò)第三部分時(shí)由于波矢失配信號(hào)光不發(fā)生變化，在第四部分，z偏振的信號(hào)光與z偏振的泵浦光耦合使信號(hào)光得到放大，并產(chǎn)生z偏振的閑頻光；
(2)當(dāng)z偏振的信號(hào)光入射，在第一部分即與z偏振的泵浦光進(jìn)行光參量放大，得到一個(gè)能量放大的Z偏振信號(hào)光和Z偏振閑頻光。而在第二部分，經(jīng)過(guò)放大的Z偏振信號(hào)光會(huì)旋轉(zhuǎn)為y偏振，第三部分中Z偏振的閑頻光也會(huì)旋轉(zhuǎn)為y偏振。此后，信號(hào)光、閑頻光在第四部分都不發(fā)生變化。如果第一部分和第四部分的周期數(shù)相同，那么無(wú)論是I還是z偏振的信號(hào)光的放大倍數(shù)會(huì)保持一致，從而實(shí)現(xiàn)了偏振無(wú)關(guān)特性。信號(hào)光能量在相差數(shù)千倍的范圍內(nèi)變化而偏振無(wú)關(guān)特性不會(huì)消失且放大倍數(shù)幾乎不變。例如，泵浦光波長(zhǎng)為532nm，光強(qiáng)為lOMW/cm2，信號(hào)光波長(zhǎng)為810nm，光強(qiáng)為IW/cm2,由OPA的相關(guān)計(jì)算可以推出閑頻光波長(zhǎng)為1550nm。根據(jù)準(zhǔn)位相匹配條件，第一、四部分的周期結(jié)構(gòu)提供的倒格矢用來(lái)補(bǔ)償OPA過(guò)程的波矢失配，設(shè)置周期長(zhǎng)度11=7. 45 μ m ;第二部分的周期結(jié)構(gòu)提供的倒格矢用來(lái)補(bǔ)償信號(hào)光極化耦合的波矢失配，設(shè)置周期長(zhǎng)度12=9. 88 μ m ;第三部分的周期結(jié)構(gòu)提供的倒格矢用來(lái)補(bǔ)償閑頻光極化耦合的波矢失配，設(shè)置周期長(zhǎng)度13=20.48 μπι。為實(shí)現(xiàn)大約10倍的放大，經(jīng)過(guò)計(jì)算，設(shè)置周期數(shù)N1=IOOOt5不同周期極化的鈮酸鋰晶體(PPLN)或鈮酸鉀的中間第二、三部分在垂直于光傳播方向的一個(gè)面(如I面)上加外部直流電源實(shí)現(xiàn)電光系數(shù)的周期性調(diào)制，為簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)難度，方便器件的推廣，設(shè)置第二部分與第三部分周期極化鈮酸鋰的外部直流電源電場(chǎng)值均為Ε，第二部分周期極化鈮酸鋰周期數(shù)為N2，使在器件中傳播的信號(hào)光偏振方向可以完全由原有 方向旋轉(zhuǎn)至其正交方向；而第三部分周期數(shù)為N3，使因光參量放大而產(chǎn)生閑頻光的偏振方向在第三段中旋轉(zhuǎn)至其正交方向。例如，泵浦光波長(zhǎng)為532nm，光強(qiáng)為lOMW/cm2，信號(hào)光波長(zhǎng)為810nm，光強(qiáng)為lW/cm2，由OPA的相關(guān)計(jì)算可以推出閑頻光波長(zhǎng)為1550nm。設(shè)置外加電源電場(chǎng)值為710V/mm,為將信號(hào)光的偏振方向在第二部分完全轉(zhuǎn)換為另一正交方向，設(shè)置N2=256 ;為將閑頻光的偏振方向在第三部分完全轉(zhuǎn)換為另一正交方向，設(shè)置N3=250。為利用周期極化鈮酸鋰最大的非線性系數(shù)d33，z偏振方向的強(qiáng)泵浦光至該器件中，y偏振的信號(hào)光入射到晶體，在第一部分能量不發(fā)生變化，在第二部分由于電光效應(yīng)信號(hào)光偏轉(zhuǎn)至z方向，經(jīng)過(guò)第三部分時(shí)由于波矢失配而不發(fā)生變化，在第四部分，z偏振的信號(hào)光與Z偏振的泵浦光相互作用使信號(hào)光得到放大,并產(chǎn)生Z偏振的閑頻光。同樣，Z偏振的信號(hào)光入射，在第一部分即與Z偏振的泵浦光進(jìn)行光參量放大相互作用，得到一個(gè)放大的Z偏振信號(hào)光和Z偏振閑頻光。而在第二部分，經(jīng)過(guò)放大的Z偏振信號(hào)光會(huì)轉(zhuǎn)化為y偏振，第三部分中z偏振的閑頻光也會(huì)轉(zhuǎn)化為y偏振。此后，信號(hào)光、閑頻光在第四部分都不會(huì)發(fā)生變化。如果第一部分和第四部分的周期數(shù)相同，那么無(wú)論是I還是z偏振的信號(hào)光的放大倍數(shù)會(huì)保持一致，從而實(shí)現(xiàn)了偏振無(wú)關(guān)特性。信號(hào)光能量能在很大的范圍內(nèi)變化而偏振無(wú)關(guān)特性不會(huì)消失且放大倍數(shù)幾乎不變。例如，泵浦光波長(zhǎng)為532nm，光強(qiáng)為lOMW/cm2，信號(hào)光波長(zhǎng)為810nm，設(shè)置11=7. 45 μ m、12=9. 88 μ m, 13=20. 48 μ m0為實(shí)現(xiàn)大約10倍的放大，經(jīng)過(guò)計(jì)算，設(shè)置N1=KKKK N2=256、N3=250。信號(hào)光能量密度從lW/cm2變化到2. 5KW/cm2。盡管信號(hào)光能量密度擴(kuò)大了 2500倍，但放大倍數(shù)始終保持在10倍以上且變化不大，偏振相關(guān)度保持在1%以下。本發(fā)明的電光器件和準(zhǔn)位相匹配超晶格器件的原理是
I、PPLN中的電光效應(yīng)(electro-optic effect):在LN或銀酸鉀的y面上加外部直流電場(chǎng)，由于電場(chǎng)使晶體電荷中心發(fā)生移動(dòng)，介質(zhì)隔離率張量發(fā)生變化，即折射率橢球發(fā)生變形，表現(xiàn)為折射率橢球的主軸方向和長(zhǎng)度發(fā)生變化。在外部電場(chǎng)E的作用下，折射率橢球主軸偏轉(zhuǎn)角度Θ為，式中r51表示鈮酸鋰晶體的電光系數(shù)，η。、\表示對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的尋常光與異常光在晶體中傳播時(shí)的折射率。這樣，每一個(gè)疇相當(dāng)于一個(gè)半波片，當(dāng)入射光沿著前偏振器的透射軸入射到第一個(gè)半波片時(shí)，由于入射前透射軸與晶體光軸有Θ的角度，并且考慮到半波片的性質(zhì)，偏振方向發(fā)生2 Θ的旋轉(zhuǎn)；經(jīng)過(guò)第二個(gè)半波片時(shí)，由于極化方向相反，晶軸向另一側(cè)偏轉(zhuǎn)了 Θ，而出射光偏轉(zhuǎn)了 4Θ。由此可得，經(jīng)過(guò)N個(gè)半波片對(duì)之后，角度旋轉(zhuǎn)了 4ΝΘ，從而實(shí)現(xiàn)了 Solc濾波器的作用，實(shí)現(xiàn)了光的偏振旋轉(zhuǎn)。2、準(zhǔn)位相匹配(QPM):其主要思想是利用周期調(diào)制的正負(fù)疇結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的倒格矢來(lái)補(bǔ)償能量交換光波之間的位相失配，準(zhǔn)位相匹配技術(shù)由于其優(yōu)良的性質(zhì)，已經(jīng)在鈮酸鋰(LN)、鉭酸鋰(LT)等材料中獲得了廣泛的應(yīng)用。只需要根據(jù)入射光的波長(zhǎng)，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的周期結(jié)構(gòu)，就可以快速實(shí)現(xiàn)預(yù)定特性。本發(fā)明有益效果本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是(I)通過(guò)在晶體中間兩部分結(jié)構(gòu)的y面加上直流電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)光波偏振方向的旋轉(zhuǎn)，從而設(shè)計(jì)出具有偏振無(wú)關(guān)光參量放大的矢量光束放大與產(chǎn)生器件。(2)整個(gè)制作過(guò)程簡(jiǎn)單，系統(tǒng)呈現(xiàn)單片化，為光集成系統(tǒng)的建立提供方便。(3)對(duì)任意偏振的信號(hào)光波均有光參量放大能力，實(shí)現(xiàn)了偏振無(wú)關(guān)。
(4)信號(hào)光能量在很大的范圍內(nèi)變化而偏振無(wú)關(guān)特性不會(huì)消失且放大倍數(shù)幾乎不變。


圖I為在相位匹配點(diǎn)(圖I中Ca)是信號(hào)光為810nm,能量密度lff/cm2,圖I中(b)是泵浦光為532nm，能量密度lOKW/cm2)處信號(hào)光與閑頻光光強(qiáng)隨著晶體長(zhǎng)度的變化。圖2為任意偏振的信號(hào)光入射時(shí)放大倍數(shù)與偏振和相位角的關(guān)系。圖3是放大倍數(shù)(圖3中(a))及偏振無(wú)關(guān)性能(圖3中(b))隨信號(hào)光能量變化的曲線。圖4是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的具體說(shuō)明，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)得以清楚展現(xiàn)。整個(gè)周期極化鈮酸鋰晶體(PPLN)分為前后緊密相連的四部分。在功能上，第一、四部分實(shí)現(xiàn)光參量放大，并產(chǎn)生閑頻光，利用其周期結(jié)構(gòu)提供的倒格矢補(bǔ)償泵浦光、信號(hào)光、閑頻光之間的相位失配；第二部分利用周期結(jié)構(gòu)的倒格矢來(lái)補(bǔ)償信號(hào)光極化耦合的波矢失配(主要是尋常光和異常光)；第三部分倒格矢為滿足閑頻光的電光偏轉(zhuǎn)準(zhǔn)位相匹配過(guò)程而設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)上，第一、四兩部分周期長(zhǎng)度為I1，周期數(shù)為N1，可以根據(jù)放大倍數(shù)要求的改變而有所增減；第二部分周期長(zhǎng)度為I2;第三部分周期長(zhǎng)度為13。為簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)難度，方便器件的推廣，設(shè)置第二部分與第三部分的外部直流電源電場(chǎng)值均為E，第二部分周期數(shù)為N2，使在器件中傳播的信號(hào)光偏振方向可以完全由原有方向旋轉(zhuǎn)至其正交方向；而第三部分周期數(shù)為N3,使因光參量放大而產(chǎn)生閑頻光的偏振方向在第三段中旋轉(zhuǎn)至其正交方向。下面通過(guò)實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步闡明本發(fā)明方法及應(yīng)用，而不是要用這些實(shí)施例來(lái)限制本發(fā)明。實(shí)施例I :
設(shè)置信號(hào)光波長(zhǎng)為810nm,光強(qiáng)為lW/cm2,泵浦光波長(zhǎng)為532nm,光強(qiáng)為10MW/cm2。根據(jù)準(zhǔn)位相匹配條件，第一、四部分的周期結(jié)構(gòu)提供的倒格矢用來(lái)補(bǔ)償頻率上轉(zhuǎn)換的波矢失配，設(shè)置每周期長(zhǎng)度I1= . 45 μ m ;第二部分的周期結(jié)構(gòu)提供的倒格矢用來(lái)補(bǔ)償信號(hào)光極化耦合的波矢失配，設(shè)置周期長(zhǎng)度12=9. 88 μ m ;第三部分的周期結(jié)構(gòu)提供的倒格矢用來(lái)補(bǔ)償閑頻光極化耦合的波矢失配，設(shè)置周期長(zhǎng)度13=20. 48 μ m。為將信號(hào)光能量放大，設(shè)置周期數(shù)N1=IOOO,第一部分與第四部分的鈮酸鋰光學(xué)超晶格長(zhǎng)度均為I1N1 = 7.45_。設(shè)置施加在第二部分與第三部分的外加電源電場(chǎng)值為710V/mm,為將信號(hào)光的偏振方向在第二部分完全轉(zhuǎn)換為另一正交方向，設(shè)置周期數(shù)N2=256，第二部分鈮酸鋰光學(xué)超晶格長(zhǎng)度為I2N2 =
2.53mm ;為將閑頻光的偏振方向在第三部分完全轉(zhuǎn)換為另一正交方向，設(shè)置周期數(shù)N3=250，第三部分鈮酸鋰光學(xué)超晶格長(zhǎng)度為I3N3 = 5. 12_。鈮酸鋰晶體總長(zhǎng)度為22. 5_。對(duì)于任意偏振的信號(hào)光，此器件均有相同的光參量放大能力，可將信號(hào)光的能量進(jìn)行放大。如果我們選用SlOnm的矢量光束入射，這樣根據(jù)耦合波方程[I]，在經(jīng)過(guò)樣品之后就可以得到一個(gè)能量放大約10倍的810nm的矢量光束。我們將整個(gè)波看成許多具有不同偏振光束的集合，所有的光束都將被以同樣的倍數(shù)放大。當(dāng)所有光束通過(guò)這一晶體后，矢量光束的特征沒(méi)有變而能量卻得到了放大。這樣，就實(shí)現(xiàn)了矢量光束的放大。實(shí)施例2
設(shè)置信號(hào)光波長(zhǎng)為810nm,光強(qiáng)為lW/cm2,泵浦光波長(zhǎng)為532nm,光強(qiáng)為10MW/cm2。根據(jù)準(zhǔn)位相匹配條件，第一、四部分的周期結(jié)構(gòu)提供的倒格矢用來(lái)補(bǔ)償頻率上轉(zhuǎn)換的波矢失 配，設(shè)置周期長(zhǎng)度I1= . 45 μ m ;第二部分的周期結(jié)構(gòu)提供的倒格矢用來(lái)補(bǔ)償信號(hào)光極化耦合的波矢失配，設(shè)置周期長(zhǎng)度12=9. 88 μ m ;第三部分的周期結(jié)構(gòu)提供的倒格矢用來(lái)補(bǔ)償閑頻光極化耦合的波矢失配，設(shè)置周期長(zhǎng)度13=20. 48 μ m。為將信號(hào)光能量放大，設(shè)置周期數(shù)N1=IOOO,第一部分與第四部分的鈮酸鋰光學(xué)超晶格長(zhǎng)度均為I1N1 = 7. 45_。設(shè)置施加在第二部分與第三部分的外加電源電場(chǎng)值為710V/mm,為將信號(hào)光的偏振方向在第二部分完全轉(zhuǎn)換為另一正交方向，設(shè)置N2=256，第二部分鈮酸鋰光學(xué)超晶格長(zhǎng)度為I2N2 = 2. 53mm;為將閑頻光的偏振方向在第三部分完全轉(zhuǎn)換為另一正交方向，設(shè)置周期數(shù)N3=250，第三部分鈮酸鋰光學(xué)超晶格長(zhǎng)度為I3N3 = 5.12mm。鈮酸鋰晶體總長(zhǎng)度為22. 5mm。同樣，對(duì)于810nm矢量光束入射的信號(hào)光，我們也可以得到由1550nm閑頻光組成的矢量光束，能量大約可以為最初信號(hào)光的5倍。眾所周知，受制于技術(shù)缺陷，產(chǎn)生矢量光束并不是一件容易的事情，在某些波段比如紅外波段獲得矢量光束更不容易。所以我們的設(shè)計(jì)也解決了產(chǎn)生特殊波段矢量光束的辦法。綜上所述，我們提出的具有偏振無(wú)關(guān)光參量放大特性的矢量光束放大與產(chǎn)生器件為獲得高能量、新波段的矢量光束打開(kāi)一扇窗。
權(quán)利要求
1.具有偏振無(wú)關(guān)光參量放大特性的矢量光束放大與產(chǎn)生器件其特征是包括按不同周期極化的鈮酸鋰晶體(PPLN)或鈮酸鉀分為四部分，第一、四部分實(shí)現(xiàn)光參量放大，并產(chǎn)生閑頻光，利用其周期極化結(jié)構(gòu)提供的倒格矢補(bǔ)償泵浦光、信號(hào)光、閑頻光之間的相位失配；第二部分利用周期極化結(jié)構(gòu)的倒格矢來(lái)補(bǔ)償信號(hào)光極化耦合的波矢失配；第三部分倒格矢為滿足閑頻光的電光偏轉(zhuǎn)準(zhǔn)位相匹配過(guò)程而設(shè)計(jì)，補(bǔ)償閑頻光極化耦合的波矢失配； 不同周期極化的鈮酸鋰晶體(PPLN)或鈮酸鉀的中間第二、三部分兩部分在垂直于光傳播方向的y面上加外部直流電源實(shí)現(xiàn)電光系數(shù)的周期性調(diào)制，設(shè)置第二部分與第三部分周期極化鈮酸鋰晶體的外部直流電源電場(chǎng)值均為E，第二部分周期極化鈮酸鋰晶體周期為N2,使在器件中傳播的信號(hào)光偏振方向可以完全由原有方向旋轉(zhuǎn)至其正交方向；而第三部分周期為N3,使因光參量放大而產(chǎn)生閑頻光的偏振方向在第三段中旋轉(zhuǎn)至其正交方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有偏振無(wú)關(guān)光參量放大特性的矢量光束放大與產(chǎn)生器件，其特征是為實(shí)現(xiàn)光參量放大，輸入z偏振方向的強(qiáng)泵浦光至該器件中； (1)當(dāng)y偏振的信號(hào)光入射到晶體，在第一部分能量不發(fā)生變化，在第二部分由于偏振旋轉(zhuǎn)，信號(hào)光偏轉(zhuǎn)至z方向，經(jīng)過(guò)第三部分時(shí)由于波矢失配信號(hào)光不發(fā)生變化，在第四部分，z偏振的信號(hào)光與z偏振的泵浦光耦合使信號(hào)光得到放大，并產(chǎn)生z偏振的閑頻光； (2)當(dāng)z偏振的信號(hào)光入射，在第一部分即與z偏振的泵浦光進(jìn)行光參量放大，得到一個(gè)能量放大的z偏振信號(hào)光和z偏振閑頻光； 而在第二部分，經(jīng)過(guò)放大的z偏振信號(hào)光會(huì)旋轉(zhuǎn)為y偏振，第三部分中z偏振的閑頻光也會(huì)旋轉(zhuǎn)為I偏振； 此后，信號(hào)光、閑頻光在第四部分都不發(fā)生變化； 如果第一部分和第四部分的周期數(shù)相同，那么無(wú)論是I還是z偏振的信號(hào)光的放大倍數(shù)會(huì)保持一致，從而實(shí)現(xiàn)了偏振無(wú)關(guān)特性。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的周期性非線性極化率調(diào)制的多周期結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是利用室溫脈沖外電場(chǎng)極化方法形成的周期鐵電疇反轉(zhuǎn)；第二部分利用周期極化結(jié)構(gòu)的倒格矢來(lái)補(bǔ)償信號(hào)光極化耦合的波矢失配；第三部分倒格矢為滿足閑頻光的電光偏轉(zhuǎn)準(zhǔn)位相匹配過(guò)程而設(shè)計(jì)，補(bǔ)償閑頻光極化耦合的波矢失配，電光偏轉(zhuǎn)補(bǔ)償至波矢失配。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的周期性非線性極化率調(diào)制的多周期結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是信號(hào)光能量在相差數(shù)千倍的范圍內(nèi)變化而偏振無(wú)關(guān)特性不會(huì)消失且放大倍數(shù)幾乎不變。
全文摘要
具有偏振無(wú)關(guān)光參量放大特性的矢量光束放大與產(chǎn)生器件包括按不同周期極化的鈮酸鋰晶體(PPLN)或鈮酸鉀分為四部分，第一、四部分實(shí)現(xiàn)光參量放大，并產(chǎn)生閑頻光，利用其周期極化結(jié)構(gòu)提供的倒格矢補(bǔ)償泵浦光、信號(hào)光、閑頻光之間的相位失配；第二部分利用周期極化結(jié)構(gòu)的倒格矢來(lái)補(bǔ)償信號(hào)光極化耦合的波矢失配；第三部分倒格矢為滿足閑頻光的電光偏轉(zhuǎn)準(zhǔn)位相匹配過(guò)程而設(shè)計(jì)，補(bǔ)償閑頻光極化耦合的波矢失配，不同周期極化的鈮酸鋰晶體(PPLN)或鈮酸鉀的中間第二、三部分兩部分在垂直于光傳播方向的y面上加外部直流電源實(shí)現(xiàn)電光系數(shù)的周期性調(diào)制；本發(fā)明在全光交換、光通信領(lǐng)域等都有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G02F1/39GK102768451SQ20121026801
公開(kāi)日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2012年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月31日
發(fā)明者宋曉詩(shī), 徐飛, 胡偉, 邵光灝, 陸延青 申請(qǐng)人:南京大學(xué)