一种基于绝热捷径的非线性光学耦合调制方法

技术特征：
1.一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：(1)基于绝热捷径理论的频率转换中反透热项的计算；(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；(3)激光光源和非线性晶体的选取和调制；(4)实现信号光向输出光转化的过程。2.根据权利要求1所述的基于绝热捷径的非线性光学耦合调制方法，其特征在于，所述步骤(1)的具体过程如下：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其中：其中：其中：是光场j和l之间的耦合参数，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δk
i
＝k
i
±
k
pi-k
i 1
2π/λ
i
，(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，k
j
＝w
j
n(w
j
)/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/λ
i
是通过准相位技术对晶体进行调制所产生的倒格矢，λ
i
为晶体调制周期，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中的非对角项具体表达式为公式中符号上标的圆点表示对距离的偏导。3.根据权利要求1所述的基于绝热捷径的非线性光学耦合调制方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体过程如下：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，数，即基于绝热捷径的调制函数如下，其中：其中：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；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。4.根据权利要求1所述的基于绝热捷径的非线性光学耦合调制方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体过程如下：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，泵浦光源1选用纳秒、皮秒或者飞秒光脉冲光源；泵浦光源2选用纳秒、皮秒或者飞秒光脉冲光源；信号光源选用连续、纳秒、皮秒或者飞秒光脉冲光源；非线性晶体选用ln或ktp或gaas，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。5.根据权利要求1所述的基于绝热捷径的非线性光学耦合调制方法，其特征在于，所述步骤(4)的具体过程如下：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。

技术总结
本发明公开了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，包括(1)基于绝热捷径理论的频率转换中反透热项的计算；(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；(3)激光光源和非线性晶体的选取和调制；(4)实现信号光向输出光转化的过程。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。光的高效频率转换。光的高效频率转换。


技术研发人员：陈长水 韦焯航 张忠昊
受保护的技术使用者：华南师范大学
技术研发日：2022.01.27
技术公布日：2022/6/4