一种基于绝热捷径的非线性光学耦合调制方法

1.本发明涉及新型的光源获得领域，具体是指一种基于绝热捷径的非线性光学耦合调制方法，用来产生在军事，环境探测等不同领域所需的不同波段的激光光源。


背景技术：

2.特定波段的光源在某些领域具有无可替代的作用，然而能通过激光工作物质直接输出激光的光波段是有限的，获取有些波段激光需要采用非线性频率转换的方法。为了实现高效的光源频率转换，获得新光源，需要转换过程满足相位匹配条件。目前主流的利用非线性晶体进行光源频率转换获得新光源的方法主要有两种，一是角度相位匹配技术，二是准相位匹配技术。上述技术方法实现高效光-光非线性频率转换均需要满足特定的条件，输入光的入射角度和非线性介质材料的参数如温度，长度等，都会对相位匹配造成影响，严重降低光-光转化效率。如何设计出合适的非线性晶体仍然是领域热点。
3.2008年haim suchowski教授，根据原子布居转移中的快速绝热通道(rap)方案，在理论上给出其实现近乎完全的量子转换效率对应的绝热条件。设计了一种非线性晶体的调制方案，并进行了实验验证。这是非线性光学领域中首次引入原子物理领域的绝热演化理论，从而通过和频过程获取高效频率转换的输出光。
4.通过单个三波混频过程获取新频段波长受限于泵浦和信号光的波长，对两者的波长选取要求严格，现有的激光器往往无法满足其要求，转换过程自由度不高。2012年，gil porat等人提出一种绝热二次级联频率转换方案，该方案基于受激拉曼绝热通道理论，有效解决了单个三波混频过程自由度不高的问题，且拥有较高的转换效率。并于次年设计相位反转准相位匹配技术调制非线性晶体，实验上实现了通过级联差频过程高效产生中红外激光。受激拉曼绝热通道理论所对应的频率转换方案需要延迟参数满足反直观耦合次序和耦合参数满足相应的绝热条件，对晶体的调制方式和泵浦光的强度有诸多限制。
5.而同样用于原子布居传输的另一种理论-受激拉曼绝热捷径理论，是受激拉曼技术补偿了绝热驱动项的办法，将链接基态与激发态的频率为w
p1
的泵浦脉冲，和链接激发态和目标态的频率为w
p2
的斯托克斯脉冲的脉冲形状进行了绝热修正，这样即使原来的脉冲参数有一定量的偏移绝热转换条件，也能达到与绝热演化下最终能态的粒子相同的布居数分布，并且整个过程中几乎没有粒子逗留在激发态，从而完成基态和和目标态之间的完全布居数转移。


技术实现要素：

6.本发明目的是提供一种基于绝热捷径的非线性光学耦合调制方法，用于实现信号光向输出光的高效转化，该方法基于绝热捷径理论，是一种通过调制晶体参数从而实现高效二次级联非线性光学频率转换的方案，以降低为满足绝热条件而对绝热转换中调制参数和泵浦光强度的限制，并根据设计的耦合参量调制函数，利用准相位匹配技术，在非线性晶体中实现多过程准相位匹配，以此获得从信号光到输出激光的高效频率转换。
7.本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：
8.一种基于绝热捷径的非线性光学耦合调制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
9.(1)基于绝热捷径理论的频率转换中反透热项的计算；
10.(2)级联波长转换过程的耦合参数的调制函数的设计以及透热补偿方法；
11.(3)激光光源和非线性晶体的选取和调制；
12.(4)实现信号光向输出光转化的过程。
13.本发明基于绝热捷径理论，设计了一组新的的耦合函数，利用准相位匹配技术在非线性晶体中实现满足此耦合函数的调制，使得多过程准相位匹配与所需耦合参数调制得到实现。能解决绝热二次级联非线性频率转换中涉及透热过程而无法高效转换的问题，缓解了对晶体调制参数的要求，以及降低了高效频率转换过程中对泵浦光的强度的要求，实现从信号光到输出激光间的高效频率转换。
14.本发明中，所述步骤(1)的具体过程如下：
15.二次级联光学频率转换，包含两个三波混频过程，用如下动力学方程组来描述
[0016][0017]
其中a(z)＝[a
1 a
2 a3]
t
表示各个光场的振幅，其中a1代表信号光光场，a2代表中间光光场，a3代表输出光光场，i代表虚数单位，z表示光在非线性晶体中的传输距离，动力学方程中的转换矩阵可表示如下
[0018][0019]
其中：
[0020][0021][0022]
是光场j和l之间的耦合参数，
[0023]
耦合参数表达式中的号代表不同的过程，其中-代表和频过程， 代表差频过程，表示对耦合参数的共轭，此处j，l取不同数值-1，2，3，则分别代表信号光场，中间光场和输出光场，χ
(2)
代表晶体二阶非线性系数，a
p1
代表第一个三波混频过程中泵浦光场的场振幅，a2代表第二个三波混频过程中泵浦光场的振幅，w是光波的频率，相位失谐量为δki＝ki±kpi-k
i 1
2π/λi，(i＝1，2)，失谐量中的
±
号代表不同的过程，其中 代表和频过程，-代表差频过程，kj＝wjn(wj)/c为波矢，c为真空中光速，n代表不同波段的光在晶体中的折射率，其中2π/λi是通过准相位技术对晶体进行调制所产生的倒格矢，λi为晶体调制周期，
[0024]
在通过准相位匹配技术调制后，调制的晶体能完全补偿失谐，此时有δk1＝δk2＝0，目前已经提出的基于受激拉曼绝热通道的频率转换方案中晶体与光的耦合调制函数满
足以下表达式
[0025]
其中，k
′
12
表示基于受激拉曼绝热通道的频率转换方案中信号光和中间光的耦合强度调制规律，k
′
32
表示基于受激拉曼绝热通道的中间光和输出光的耦合强度调制规律，s1表示第一个三波混频过程中的耦合延迟量，d1表示第一个过程的高斯型耦合函数的跨度，s2表示第二个三波混频过程中的耦合延迟量，d2表示第二个过程高斯型耦合函数的跨度，在相位匹配假设下，并把中间光强初始为零作为初始条件对描述中间光的偏微分方程进行积分，并且代入二级联的动力学方程中，从而简化包含三个光场的耦合方程组到能只用包含信号光和输出光的二阶矩阵表示的动力学方程组，通过
[0026][0027]
计算反透热项，m
cd
是透热项的哈密顿表示，其中|n》是上述简化后耦合方程组的二阶转换矩阵的本征态，《n|代表本征态的左矢量，代表对本征态求距离的偏导，∑代表对所有本征态的求和，i是虚数单位，绝热转换过程中对应的从信号光转换到输出光的反透热驱动项的哈密顿量有如下形式
[0028][0029]
中的非对角项具体表达式为
[0030][0031]
公式中符号上标的圆点表示对距离的偏导。
[0032]
本发明中，所述步骤(2)的具体过程如下：
[0033]
根据绝热捷径理论，即在系统哈密顿量添加反绝热驱动后，通过旋转变换得到另外一个相互作用表象下，设计能补偿基于受激拉曼过程频率转换过程中的透热作用的调制函数，即基于绝热捷径的调制函数如下，
[0034][0035][0036]
其中：
[0037]
φ＝arctan(ka/k
′
12
)
[0038]
代表基于绝热捷径的信号光光场和中间光光场的耦合强度变化规律；
[0039]
代表基于绝热捷径的输出光光场和中间光光场的耦合强度变化规律。
[0040]
本发明中，所述步骤(3)的具体过程如下：
[0041]
基于绝热频率转换要求，与光学上二次级联绝热波长转换相对应，要求耦合强度足够大，即要求激光泵浦光源的功率足够大，以保证绝热转换过程稳定进行，所以，
[0042]
泵浦光源1选用纳秒、皮秒或者飞秒光脉冲光源；
[0043]
泵浦光源2选用纳秒、皮秒或者飞秒光脉冲光源；
[0044]
信号光源一般可以选用连续、纳秒、皮秒或者飞秒光脉冲光源；
[0045]
非线性晶体选用ln、ktp、gaas等，通过电场极化或者畴反转实现上述耦合参数调
制的非周期或者无周期准相位匹配结构晶体(下称结构晶体)。
[0046]
本发明中，所述步骤(4)的具体过程如下：
[0047]
两束不同波长的泵浦光和一束信号光同时垂直入射调制的非线性晶体中，第一束泵浦光和信号光在晶体中发生一次三波混频过程，两个光场之间的耦合强度变化规律为产生的中间光同时与第二束泵浦光发生第二次三波混频过程，耦合强度变化规律为从而产生最终的输出光，该过程中信号光完全转换为输出光。
[0048]
作为本发明的一个优选实施方式：
[0049]
信号光波长λ1＝1064nm，光强为100mw/cm2；
[0050]
第一束泵浦光波长λ
p1
＝2800nm，光强为700mw/cm2；
[0051]
第二束泵浦光波长λ
p2
＝2900nm，光强为1.6gw/cm2；
[0052]
中间光波长λ2＝1716nm，输出光波长λ3＝1078nm。
[0053]
本发明的基于绝热捷径的非线性光学耦合调制方法通过计算前人所提出的基于受激拉曼绝热通道的二次级联频率绝热耦合调制函数中的透热项，重新设计耦合函数并对结构晶体的参数进行调制，使得输入对应波长后，光在晶体中相互作用(耦合)强度沿着传输方向满足所设计的调制函数，从而实现高效二次级联绝热频率转换，且系统参数(例如延迟参数，泵浦光强度等)的限制被打破，所输出光的波段几乎能涵盖对应晶体透过的所有波段，不同的输出波段可以通过不同的晶体参数调制以及选取合适的泵浦和信号光波长获得。
附图说明
[0054]
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0055]
图1为本发明基于绝热捷径的非线性光学耦合调制方法的耦合强度示意图，其中，横坐标为晶体长度，纵坐标为归一化耦合强度；
[0056]
图2为本发明基于绝热捷径的非线性光学耦合调制方法中输入光、中间光以及输出光在晶体长度方向的光强变化；
[0057]
图3为本发明基于绝热捷径的非线性光学耦合调制方法的晶体结构示意图。
具体实施方式
[0058]
本发明基于绝热捷径的非线性光学耦合调制方法，通过非周期电场极化调制的铌酸锂晶体，实现从波长1064nm到1078nm的高效转化，二次级联示意图如图1所示。首先通过计算出调制晶体耦合函数，再对晶体进行加工处理，对应的激光通过晶体时，能自动满足进行绝热过程所需的条件，并输出新频段的激光。
[0059]
该耦合调制方法的具体步骤如下：
[0060]
计算符合要求的基于绝热捷径的耦合强度调制函数，分别为：
[0061][0062][0063]
其中
[0064]
φ＝arctan(ka/k
′
12
)
[0065][0066][0067]
其中，k
12
(z)描述了二次级联波长转换中第一个三波混频过程沿传播方向z的耦合强度的变化规律，其中的常数项k
12
表示未经调制晶体中的第一个转换过程的耦合参数的大小，k
23
(z)为二次级联波长转换中第二个三波混频过程沿传播方向z的耦合强度，k
23
表示未经调制晶体中的第二个转换过程的耦合参数的大小。根据模拟计算中完全转换所需要的延迟参数和跨度参数，确定第一个三波混频过程中的耦合延迟参数s1＝-0.01m，跨度参数d1＝0.00007m2，第二个三波混频过程中的耦合延迟参数s2＝0.01m，跨度参数d2＝0.00009m2，
[0068]
由以上函数实现耦合强度在晶体方向上的调制，满足完全转换需要的输入光的条件如下
[0069]
信号光波长λ1＝1064nm，光强为100mw/cm2；
[0070]
泵浦光1波长λ
p1
＝2800nm，光强为700mw/cm2；
[0071]
泵浦光2波长λ
p2
＝2900nm，光强为1.6gw/cm2；
[0072]
中间光波长λ2＝1716nm，输出光波长λ3＝1078nm。
[0073]
二次级联差频过程中两个三波混频对应的的相位失配量分别为：
[0074]
δk1＝k
λ1-k
λ2-k
p1
2π/a1，
[0075]
δk2＝k
λ2-k
λ3-k
p2
2π/a2，
[0076]
kj＝njwj/c。
[0077]
其中，δk1为二次级联波长转换时，第一个差频过程的相位失配量，δk2为第二个三波混频过程(即和频过程)的相位失配量，kj为波数，其中k
p1
为第一个转换过程中泵浦光的波数，k
p2
为第二个转换过程中泵浦光的波数，k
λ1
为信号光的波数，k
λ2
为中间光的波数，k
λ2
为输出光的波数，含晶体调制周期λ1和λ2的项起着补偿因为材料色散所引起的相位失谐的作用。式中折射率nj由色散方程计算得出，设定温度为100摄氏度，c为真空中光速，wj(j＝1，2，3)为光场频率。
[0078]
选用抗激光损伤阈值高的掺氧化镁的铌酸锂晶体，。
[0079]
本实施例中，非线性晶体选用抗激光损伤阈值高的掺氧化镁铌酸锂(ln)晶体，选用非线性系数为d33＝28pm/v的方向作为光轴方向，通过强度高于或略低于2kv/mm的电场极化实现上述耦合参数调制的非周期或者无周期准相位匹配结构。选择具有如下空间形式的电场信号，
[0080]
f(z)＝sign[-cos(πd1) cos(2πz/λ1)]
×
sign[-cos(πd2) cos(2πz/λ2)]
[0081]
其中di＝l

/(l

l-)为周期i的晶体调制占空比，l

和l-分别代表晶体正畴和负畴的长度。选用的调制函数的傅里叶级数的一阶近似项对应有以下形式的幅度调制项：
[0082]
f1(z)＝(2d
2-1)sin(πd1)
[0083]
f2(z)＝(2d
1-1)sin(πd2)
[0084]
其中di表示晶体调制的占空比，通过遗传算法计算得出沿传播方向上的最佳的占空比排布，使得这两个幅度调制项f1(z)和f2(z)分别满足基于绝热捷径理论所设计的第一个过程的耦合参数调制函数和第二个过程的耦合参数调制函数。并满足λ1＝δk1，λ2＝δ
k2。
[0085]
两束不同波长分别为2800nm，2900nm的泵浦光和一束波长为1064nm信号光同时垂直入射到电极化调制的铌酸锂晶体中，波长为2800nm的泵浦光和1064nm的信号光在晶体中首先发生差频产生过程，两个光场之间的耦合强度的变化规律满足基于绝热捷径理论所设计的第一个过程的耦合参数调制函数，产生的中间光同时与波长为2900nm泵浦光发生和频过程，耦合强度为的变化规律满足基于绝热捷径理论所设计的第二个过程的耦合参数调制函数，获得波长为1078nm的输出光，该过程中波长为1716nm的中间光强一直处于极低状态，信号光最后完全转换为输出光。
[0086]
本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。