周期性極化鈮酸鋰晶體中半非共線型寬帶光學(xué)參變放大理論研究_圖

1、第28卷第1期光學(xué)學(xué)報(bào)Vol. 28, No. 12008年1月J anuary , 2008文章編號(hào):025322239(2008 0120146205周期性極化鈮酸鋰晶體中半非共線型寬帶光學(xué)參變放大理論研究胡B 遠(yuǎn)梁曉燕趙寶真李儒新徐至展(中國(guó)科學(xué)院上海光機(jī)所強(qiáng)場(chǎng)光學(xué)激光國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海201800摘要基于周期性極化鈮酸鋰晶體(PPL N 的準(zhǔn)相位匹配光參變放大過(guò)程, 通過(guò)傾斜周期極化鈮酸鋰晶體中極化域(極化光柵 一定角度, , 并以該匹配方式下的各光矢量幾何關(guān)系得出相位匹配曲線, 的周期極化長(zhǎng)度。并研究其極化傾斜角度與溫度特性, , 532nm 抽運(yùn)光抽運(yùn)的信號(hào)光在800nm 和1

2、064nm 關(guān)鍵詞非線性光學(xué); 準(zhǔn)相位匹配; 光學(xué)參變放大中圖分類(lèi)號(hào)O436. 3收稿日期:2007204204; 收到修改稿日期:2007207215作者簡(jiǎn)介:胡B 遠(yuǎn)(1980- , 男, 博士研究生, 主要從事超強(qiáng)超短激光技術(shù)方面的研究。E 2mail :humingyuan mail.siom. ac. cn導(dǎo)師簡(jiǎn)介:梁曉燕(1967- , 女, 研究員, 主要從事超強(qiáng)超短激光技術(shù)方面的研究。E 2mail :liangxy mail.siom. ac. cnTheo I ga t n o n B r oa d B a n d S e mi 2N o ncolli nea r Op t

3、 ical P a r a A lif ica t i o n i n Pe ri odicall y P oled L i t hi u m Ni oba t eHu Minyuan Liang Xiaoyan Zhao Baozhen Li Ruxin Xu Zhizhan(S t ate K ey L abor a tor y of High Fiel d L aser Physics , S ha nghai I nstit ute of Op tics a n d Fi ne Mecha nics ,Chi nese Aca dem y of Scie nces , S ha ngh

4、ai 201800, Chi n a Abs t r act Based on noncollinear optical paramet ric amplification in periodically poled lithium niobate (PPLN which is realized by quasi 2p hase matching (QPM technology , we consider the possibility of semi 2noncollinear p hase matching method between collinear and noncollinear

5、 geomet ry. With t his configuration and geomet ry of all vectors in periodically poled lithium niobate , p hase matching curves can be obtained. A sure grating period can always be found to satisf y the broad bandwidth optical paramet ric amplification (OPA at fixed wavelengt hs of pump and signal

6、f rom the phase matching curves. By tilting periodically poled lithium niobate 2crystal s parallel grating a sure angle and keeping a sure temperature , numerical simulation with p roper parameter shows broad bandwidth OPA at signal wavelengths of 800nm and 1064nm can be achieved.Key wor ds nonlinea

7、r optics ; optical paramet ric amplification ; quasi 2p hase matching1引言超短脈沖的頻率轉(zhuǎn)換可以應(yīng)用到很多重要的實(shí)際應(yīng)用中去, 比如通信、信號(hào)處理和光譜學(xué)等。同樣的, 關(guān)于近年來(lái)迅速發(fā)展的光學(xué)參變啁啾脈沖放大(OPCPA 的研究也是其中一項(xiàng)重要的應(yīng)用。光學(xué)參變啁啾脈沖放大的主要原理是用能量較大的抽運(yùn)脈沖通過(guò)三波相互作用去放大能量較小的寬帶線性啁啾信號(hào)脈沖, 它的主要優(yōu)勢(shì)在于寬帶增益放大, 高的信噪比, 無(wú)光譜窄化和熱沉積作用13。在光學(xué)參變放大(O PA 中, 除了應(yīng)用光致雙折射技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)相位匹配以外,1962年, Arms

8、t ro ng 等首次提出4, 通過(guò)周期性改變非線性光學(xué)系數(shù)的符號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)有效的頻率轉(zhuǎn)換, 這種方法被稱(chēng)做準(zhǔn)相位匹配(Q PM 。準(zhǔn)相位匹配實(shí)質(zhì)上是在二階非線性介質(zhì)中, 用周期性光柵的附加波矢來(lái)補(bǔ)償基波與諧波之間的相位失配。相比于雙折射相位匹配技 術(shù), 準(zhǔn)相位匹配技術(shù)能夠利用到晶體的最高有效非線性系數(shù)d 33, 并由于允許非嚴(yán)格的相位匹配而消除了信號(hào)光與抽運(yùn)光之間空間走散所造成的作用長(zhǎng)度的限制。1988年首先在鈮酸鋰(LiNbO 3 晶體中建立了準(zhǔn)相位匹配相互作用, 它是用空間調(diào)制的化學(xué)擴(kuò)散和晶體生長(zhǎng), 以產(chǎn)生鐵電疇的周期性反轉(zhuǎn)和非線性系數(shù)符號(hào)的周期性改變, 通常我們將這種特殊制作方式下生長(zhǎng)出的

9、鈮酸鋰晶體稱(chēng)之為周期性極化鈮酸鋰晶體(PPLN 。到目前為止, 國(guó)際上對(duì)于二倍頻(SH G , 光參變放大(OPA 等應(yīng)用已經(jīng)廣泛的利用了該準(zhǔn)相位匹配技術(shù)和鐵電材料晶體57來(lái)獲得所需的寬帶超短脈沖。2圖1線準(zhǔn)相位匹配波矢圖, =-k s -i k g , 式中k p 、k s i 、波矢, k g =2/, 為極化周期。x 軸一定的 角度, 此時(shí)準(zhǔn)相位匹配可以形成如圖2所示的幾何形式, 信號(hào)光的波矢k s 和抽運(yùn)光的波矢k p 是共線的, 但是由于光柵波矢k g 的存在而使得閑頻光的波矢k i 與信號(hào)光波矢k s 并不共線, 它們之間的離分角為。我們稱(chēng)這種新穎的方式為半非共線型相位匹配方式。這

10、種匹配幾何形式的改變最終使得光參變放大中的回流效應(yīng)得到抑制并且仍然能夠得到極高帶寬的輸出光。圖1非共線相位匹配方式的波矢幾何關(guān)系Fig. 1Vector geometry of noncollinear phase matching在0 類(lèi)相位匹配方式下, 所有的參與相互作用的波的偏振方向都沿著z 軸方向并在x 軸方向上傳播, 此時(shí)剛好能利用到周期性極化鈮酸鋰晶體最大的非線性系數(shù)d 33=27p m/V , 由傅里葉展開(kāi)式, 可以得到有效非線性系數(shù)8:d Q =d eff G m ,(1圖2半非共線相位匹配方式的波矢幾何關(guān)系Fig. 2Vector geometry of semi 2nonc

11、ollinear phase matching這里m =d (2, , D =l/表示每個(gè)極化域的長(zhǎng)度占。從(2 式中可知, 只有奇數(shù)階的準(zhǔn)相位匹配過(guò)程能得到最有效的頻率轉(zhuǎn)換, 當(dāng)m 為偶數(shù)并且D 為0. 5時(shí), 有效非線性系數(shù)d Q 為0。使用一階準(zhǔn)相位匹配, 占空比定為0. 5, 則此時(shí)有效非線性系數(shù)可以被簡(jiǎn)化為d Q =d 33, (3同時(shí), 在光參變放大過(guò)程中能量守恒和動(dòng)量守恒條件必須同時(shí)滿足h p = h s +h i , k p =k s +k i +k g ,(4由(4 式和半非共線相位匹配方式的幾何關(guān)系, 推導(dǎo)出如下表達(dá)式:1/p =1/s +1/i ,k i sin =k g

12、 sin ,k p =k s +k g co s +k i cos .(5在慢變振幅近似和忽略抽運(yùn)光衰減的條件下,可以由耦合波方程組算得光參變放大增益帶寬的解析解。信號(hào)脈沖的增益強(qiáng)度(G 和相位( 可以表述為G =1+(L 2(sinh B/B 2,=arctan B cos A cosh B +A sin A sinh ,(6式中A =kL /2, B =L 2-(kL /2 2, 增益系數(shù)=4d eff p /(20n p n s n i c s i , L 為晶體的長(zhǎng)度, d eff 為有效非線性系數(shù), I p 為抽運(yùn)光強(qiáng)度, 相位失配量可以表示為9k (s =k (s = 2i (s

13、-io (so , (7741式中io 和so 分別代表著實(shí)現(xiàn)相位匹配時(shí)的閑頻光和信號(hào)光波長(zhǎng), n i (s 和i (s 則是信號(hào)光中心波長(zhǎng)處周?chē)催_(dá)成相位匹配時(shí)的波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的閑頻光折射率和閑頻光波長(zhǎng)。3相位匹配曲線分析目前的光學(xué)參變放大系統(tǒng)信號(hào)光源的波長(zhǎng)多集中在800nm 和1064nm 上, 本文的研究也就是關(guān)于在這兩個(gè)波長(zhǎng)下。使用前面所述的半非共線性準(zhǔn)相位匹配方式, 放大系統(tǒng)增益的光譜特性隨著極化光柵的傾斜角度和溫度的變化特性, 找到能獲得穩(wěn)定高帶寬增益輸出的理想情況。本文計(jì)算模擬是基于以下條件:抽運(yùn)光的波長(zhǎng)為532nm , 強(qiáng)度為40MW/cm 2。信號(hào)光的波長(zhǎng)為800nm 和1064

14、兩種情況, 信號(hào)光與抽運(yùn)光共線入射色散和抽運(yùn)光的衰減。(3 (Sellmeier 傾斜角度。分別截取重點(diǎn)研究的信號(hào)光中心波長(zhǎng)處周?chē)欢? 并選取一些不同的周期長(zhǎng)度, 能夠由圖3看出不同的周期長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)著不同的相位匹配曲線, 因?yàn)閷拵У脑鲆孑敵鍪窃谠撉€的斜率接近無(wú)窮的時(shí)候取得的, 所以可以根據(jù)此圖獲得在所需信號(hào)光中心波長(zhǎng)處獲得寬帶增益放大時(shí)的光柵傾斜角度的取值范圍, 從而方便在具體的模擬計(jì)算中縮小范圍, 減少運(yùn)算量。從圖3(a 中可以發(fā)現(xiàn), 在信號(hào)光波長(zhǎng)為800nm 時(shí), 周期長(zhǎng)度取值2. 4m 能獲得高帶寬的增益放大, 此時(shí)大約的光柵傾斜角度為62°至63°之間。同時(shí), 不

15、同的信號(hào)波長(zhǎng)處獲得寬帶放大的極化傾斜角度變化量比較大, 這說(shuō)明實(shí)驗(yàn)對(duì)角度的要求會(huì)比較嚴(yán)格, 否則無(wú)法獲得預(yù)期的寬帶放大。而圖3(b 波長(zhǎng)為1064, , 都可以獲得寬增益出, 度大約是, , , 能夠獲得寬帶增益, 而相應(yīng)的極化傾斜角度的變化確高達(dá)數(shù)10°。也就是說(shuō), 若選用中心波長(zhǎng)為1064nm 波長(zhǎng)的光作為信號(hào)光, 那么獲得高帶寬增益輸出的容忍度是比800nm 處明顯高的, 對(duì)實(shí)驗(yàn)中的精度要求也沒(méi)有后者嚴(yán)格 。圖3不同光柵周期下的相位匹配曲線(m 。(a 信號(hào)光波長(zhǎng)在800nm 附近, (b 信號(hào)光波長(zhǎng)在1064nm 附近Fig. 3Phase matching curves w

16、ith different grating period (m . (a Signal wavelength is around 800nm , (b signal wavelength is around 1064nm4極化角度與溫度特性利用(6 式、(7 式, 對(duì)參變放大的增益做計(jì)算模擬, 這里我們?nèi)【w的長(zhǎng)度為9mm 。首先, 我們研究該匹配方式下增益帶寬隨極化角度的變化特性,圖4(a 是信號(hào)光波長(zhǎng)為800nm 時(shí)的情況, 當(dāng)極化角度為62. 71°的時(shí)候, 我們獲得了最大的增益帶寬121nm 。模擬結(jié)果中還可以知道此時(shí)的離分角(閑頻光與信號(hào)光之間的角度 為11. 1°

17、;, 周期長(zhǎng)度為2. 43m 。圖4(b 則是信號(hào)光波長(zhǎng)為1064nm 時(shí)的情況, 當(dāng)極化角度為43. 6°的時(shí)候, 我們獲得了最大的增益帶寬70nm 。模擬結(jié)果中還可以知道此時(shí)的離分角(閑頻光與信號(hào)光之間的角度 為3. 6°, 周期長(zhǎng)度為4. 62m 。從圖4兩幅圖中的曲線得知, 的確如前面從相位匹配曲線中分析的結(jié)果一致, 增益帶寬在信號(hào)光為800nm 時(shí)比1064nm 時(shí)的變化幅度要大很多,1°的變化就可以使增益帶寬產(chǎn)生劇烈的改變, 而在信號(hào)光波長(zhǎng)為1064nm 時(shí), 極化角度即使相差10°, 而增益帶寬的改變也非常小。因此,84 1從實(shí)驗(yàn)中的具體操

18、作來(lái)講, 第一種情況下的精度要求是非常高的, 實(shí)驗(yàn)難度明顯大于后者, 但是能得到的帶寬也比后者高出了大約50nm 。而從離分角來(lái)看, 前者的離分角明顯更大, 這個(gè)特性會(huì)使得回流得到很好的抑制, 光束質(zhì)量也會(huì)更好。同樣, 晶體溫度也是一個(gè)我們關(guān)注的參量, 它的改變給增益放大輸出的影響也被計(jì)算模擬, 如圖5所示。圖5(a 是當(dāng)信號(hào)光波長(zhǎng)為800nm 時(shí), 增益帶寬隨晶體溫度的變化曲線 。圖4( a 800nm , (b 信號(hào)光波長(zhǎng)為1064nmFig. 4G ain spectrum crystal length L =9mm . (a Signal wavelength is 800nm ,(

19、signal wavelength is 1064nm圖5溫度匹配曲線。(a 在信號(hào)光波長(zhǎng)為800nm 附近, (b 在信號(hào)光波長(zhǎng)為1064nm 附近Fig. 5Temperature matching curves at (a signal wavelength is around 800nm , (b signal wavelength is around 1064nm當(dāng)晶體溫度在21. 1°至22. 1°之間時(shí), 增益帶寬能達(dá)到它的最大值121nm 。隨后, 隨著溫度的繼續(xù)升高, 增益帶寬單調(diào)的遞減。圖5(b 是信號(hào)光波長(zhǎng)為1064nm 時(shí)的情況, 增益帶寬幾乎一直保

20、持在70nm 的最大值, 也就是說(shuō)溫度的影響在這種情況下可以忽略不計(jì)。那么, 二者之間的差別很顯然的涉及到實(shí)驗(yàn)中的溫控問(wèn)題, 當(dāng)我們用800nm 的信號(hào)光時(shí), 必須在晶體加上溫控設(shè)備, 以保持實(shí)驗(yàn)中可以穩(wěn)定的獲得高帶寬輸出。而當(dāng)我們用1064nm 的信號(hào)光時(shí), 這一點(diǎn)可以不必考慮。5結(jié)論研究了在傾斜極化的周期性極化鈮酸鋰晶體中采用新穎的半非共線型相位匹配方式進(jìn)行光參變放大的過(guò)程。數(shù)值模擬結(jié)果表明, 如果選取適當(dāng)?shù)墓鈻艠O化角度和溫度, 能在信號(hào)光波長(zhǎng)為800nm 的情況下獲得增益帶寬高達(dá)121nm ; 在信號(hào)光波長(zhǎng)為1064nm 的情況下獲得增益帶寬為70nm 。在第一種情況下, 能獲得較高增益

21、帶寬, 但是對(duì)于角度和溫度參量有著比較嚴(yán)格的要求, 對(duì)實(shí)驗(yàn)的要求比較高。在后一種情況下, 不論是對(duì)于角度還是溫度參量, 都能在很寬的范圍內(nèi)滿足, 實(shí)驗(yàn)要求較低。由于800nm 和1064nm 的超短脈沖振蕩器的廣泛商業(yè)化, 可以根據(jù)具體應(yīng)用的需要選取適合的方式。在增益帶寬大于60nm 的情況時(shí), 這兩種情況下都可以支持對(duì)小于10f s 的超短脈沖放大, 所以, 本文的 模擬計(jì)算結(jié)果以及對(duì)極化角度特性和溫度特性的研究, 對(duì)超短脈沖放大技術(shù)提供了一種新的有效方式。941參考文獻(xiàn)1Zhu Pengfei , Qian Liejia , Lin Zunqi. Numerical studies ofc

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