[發明專利]一種基于砷化鋁鎵的寬帶倍頻方法及系統

在審

• 申請號: 202110980376.3
• 申請日: 2021-08-25
• 公開（公告）號: CN113777857A
• 公開（公告）日: 2021-12-10
• 發明（設計）人: 陰明;楊東升;陳家斌;賴偉;林曦玥;羅永治;鐘曉玲
• 申請（專利權）人: 成都理工大學
• 主分類號: G02F1/35
• 分類號: G02F1/35;G02F1/355
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于砷化鋁鎵的寬帶倍頻方法和系統。整個系統由激光器、周期極化砷化鋁鎵晶體、溫度控制器、檢波器和光譜儀構成。該方法應用準相位匹配方法在周期極化砷化鋁鎵晶體上實現了寬帶倍頻波的產生。當周期極化砷化鋁鎵晶體中鋁的摩爾分數x為0.25時，實現了在寬帶倍頻中心波長為7.622μm附近產生帶寬為519nm的寬帶倍頻波。通過改變晶體中鋁的摩爾分數x來改變寬帶倍頻波的中心波長，從而實現產生不同帶寬的倍頻波。本發明可以解決不同帶寬倍頻波的產生問題。

技術領域

本發明涉及一種基于砷化鋁鎵的寬帶倍頻方法及系統，屬于非線性光學技術領域。

技術背景

中紅外光譜是物質在中紅外區的吸收光譜。一般將2.5-25μm的紅外波段劃為中紅外區。中紅外光因為其穿透能力較強，可應用于軍事應用(紅外熱像、紅外攝像、紅外遙感等),民用領域(有機污染物的檢測、紅外光光度計等)。

非線性光學領域倍頻技術產生是一種重要的頻率變換方法。但是在倍頻的產生過程中，會產生相位失配現象。該現象產生的本質是相互作用的基波和倍頻波在非線性晶體材料中傳播時，不具有相同的相速度或者相等的折射率，產生走離效應。由于不滿足相位匹配條件，光倍頻的效率將會急劇下降，就無法實現能量在基波和倍頻波之間單向高效率轉換。

為達到相位匹配條件，有雙折射相位匹配和準相位匹配兩種方法。對于雙折射相位匹配，要求非線性晶體是具有光學各向異性的立方系晶體、單軸晶體和雙軸晶體，也就是它們具有雙折射特性(在兩個相互垂直的偏振方向，晶體對光的折射率是不相同的)。所以可以利用雙折射特性來補償晶體的色散，達到相位匹配。為了利用晶體的雙折射特性來實現相位匹配，選擇倍頻光處在較低折射率的偏振方向上。如對負單軸晶體(尋常光o光的折射率大于非常光 e光的折射率),雙折射補償色散的方法是倍頻光的偏振取非常光(e光)，基頻光的偏振可有兩種選擇：對于I型相位匹配，兩基頻光取相同的偏振(o光)，對于Ⅱ類相位匹配，兩基頻光取相互垂直的偏振(e光和o光)。雙折射角度相位匹配就是調節入射光波矢與晶體光軸c之間的夾角θ，通過改變倍頻光的折射率，使之滿足相位失配量Δk為0，從而滿足相位匹配，因此也叫角度匹配。與雙折射相比，準相位匹配通過周期性的改變二階非線性極化率或者二階非線性系數d沿晶體c軸的方向，在垂直于光軸方向引入一個額外的倒格矢量G來補償諧波產生過程中的相位失配，使之滿足相位匹配。在任意非線性過程中，應用準相位匹配方法，先通過計算相位失配量Δk，然后就可以確定晶體所需要的晶體周期Λ，在理論上可以彌補材料折射率的缺陷，讓在晶體的透光范圍內實現任意輸出光的波長的調諧成為了可能，也提高了非線性光學的轉換效率。

以上的技術是對于一個確定的波長(寬帶倍頻時的中心波長)產生寬帶倍頻波。在寬帶的基波波長范圍內，如果不是在寬帶倍頻的中心波長處，倍頻過程的轉換效率就會嚴重降低。對于倍頻的準相位匹配技術，現在多是利用周期極化鉭酸鋰晶體(PPLT)、周期極化鈮酸鋰晶體(PPLN)、周期極化砷化鎵晶體(GaAs)以及周期極化砷化鋁鎵晶體(Al_xGa_(1-x)As)。

發明內容

本發明是將準相位匹配的寬帶倍頻技術應用在周期極化砷化鋁鎵晶體(Al_xGa_(1-x)As)上，研究倍頻時的寬帶倍頻中心波長和帶寬與周期極化砷化鋁鎵晶體中鋁的摩爾分數x的關系。

根據準相位匹配原理，通過計算得到周期極化砷化鋁鎵晶體的晶體周期。入射的基波λ₁經過周期極化砷化鋁鎵晶體時會產生倍頻波λ₂，且它們的波長關系滿足：λ₁＝2λ₂。倍頻轉換的相位失配量Δk為：其中k₂、k₁、k_g分別為基波、倍頻波和周期結構晶體的波矢量，λ₁和λ₂為基波和倍頻波的波長，n₁和n₂為基波和倍頻波在非線性晶體中的折射率，Λ為周期性極化晶體的極化周期。