单块非线性晶体高次谐波产生取得重要进展

发布时间:2023-01-03 03:47 阅读次数:
本文摘要:自激光产生以来,人们早已利用非线性光学晶体材料中的各种非线性光学效应(倍频、和频、差频等)顺利的将激光的窗口不断扩大到浅紫外、可见、红外、太赫兹等范围,并构建了宽带相干性光源和超快脉冲激光。

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自激光产生以来,人们早已利用非线性光学晶体材料中的各种非线性光学效应(倍频、和频、差频等)顺利的将激光的窗口不断扩大到浅紫外、可见、红外、太赫兹等范围,并构建了宽带相干性光源和超快脉冲激光。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(捐)光物理实验室李志远研究员领导的L01课题组,近年致力于利用定振幅给定技术(quasi-phasematching,QPM)构建高效率非线性切换的研究,利用铌酸锂超强晶格非线性晶体构建了多方向二次谐波的产生[Appl.Phys.Lett.105,151106(2014)]以及宽带二次谐波和三次谐波的同时产生[Light:ScienceApplications3,e189(2014)]。  然而,要在单块非线性晶体中构建更高次谐波的产生毕竟一个无法攻下的关卡,这是由于在古志谐波构建的过程中牵涉到的非线性上切换过程很多,而单块晶体所能获取的倒格矢很难同时对这些过程中的振幅失配展开补偿。

在世界范围内,为了构建低切换效率的古志谐波产生,不能利用多块非线性晶体级联用于,同时必须细致地掌控每块晶体的振幅给定条件,以取得尽量低的切换效率。自非线性光学问世50年以来,还没在单块晶体中取得高效的古志谐波产生。最近,该研究组利用原创性的科学思路和技术方案,在这一最重要的科学难题上取得了突破性的研究进展。

该课题组利用啁啾结构非线性光子晶体具备宽带倒格矢产于的特点,首次构建宽带超强倒数古志谐波的产生,在单块晶体中构建了二到八次谐波的同时产生。  课题组在沿光传播的方向,将负畴的宽度选为固定值,通过转变正畴的宽度来转变极化的周期,构建了啁啾结构的周期性极化铌酸锂晶体(如图1右图),并利用高压脉冲极化技术制取了1.6cm宽的实验样品。通过对啁啾结构中畴产于的方位函数展开傅里叶转换获得结构的倒格矢产于情况,如图2(a)右图。理论分析表明,该具备啁啾结构的晶体具备多个宽带的倒格矢带产于,不仅能对古志谐波产生过程中各非线性过程的振幅失配展开补偿,还能使入射中红外飞秒脉冲泵浦激光(基频光)的各波长成分都能参予到古志谐波产生的非线性过程当中,从而充分利用激光线长内的各成分能量,明显提升非线性相互作用的强度,产生高亮度的古志谐波,如图2(b)-(f)右图。

  课题组用中红外飞秒脉冲激光器展开实验,当中红外的飞秒激光(脉冲宽度115fs,平均功率20mW,比特率3400-3800nm,反复频率1kHz,峰值功率0.17GW)转入啁啾结构的样品后,在输入末端看见了一个十分暗的白光光斑,用光栅对输入光展开分光获得了0阶和-1阶的散射光斑(图3),充分反映了从啁啾结构样品输入的光具备超强倒数宽带的红外线产于。经细心的分析和计算出来,获得晶体内部的切换效率大约为18%(红外线波段400-800nm),远高于用强激光炮击原子气体和等离子体取得古志谐波的切换效率。其中,各阶谐波的切换效率分别为:四次谐波(850-950nm)~0.7%,五次谐波(660-850nm)~4.5%,六次谐波(560-660nm)~7.2%,七次谐波(485-560nm)~5.1%,八次谐波(350-485nm)~1.2%。

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实验结果表明,经过类似的设计,高阶谐波的切换效率可远高于低阶谐波。  涉及的理论和实验工作公开发表在8月20日出版发行的《物理评论快报》上(Phy.Rev.Lett.,2015,115,083902),并申请人了国家发明专利。  作者指出,啁啾结构非线性超强晶格样品的设计及其顺利有多方面的要素。

1.非线性过程利用了铌酸锂晶体仅次于的非线性系数d33;2.样品获取了一系列的倒格矢带,基本符合级联过程产生多阶古志谐波的拒绝;3.倒格矢具有充足的比特率,可覆盖面积泵浦飞秒激光的比特率,从而最大限度地利用基频光所有频谱成分的能量;4.泵浦光为飞秒脉冲激光,有高的峰值功率水平,可明显提高非线性相互作用强度;5.样品为一维的非线性超强晶格,各定振幅给定过程皆为共线再次发生。共线的非线性过程有效地精简了光路调整的复杂度,并且防止了走离效应等缺失,减少了非线性起到长度,更进一步减少了古志谐波的切换效率;6.所有的非线性过程都在单块晶体内部再次发生,防止了用于多块级联晶体带给的晶体界面耦合损耗的问题。

正是不具备了如此之多的优点,才使得在单块非线性晶体中构建高效宽带的古志谐波产生,从而在非线性光学的核心战略问题上取得突破性进展沦为有可能。


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