具有偏振无关光参量放大特性的矢量光束放大与产生器件

摘要

具有偏振无关光参量放大特性的矢量光束放大与产生器件：包括按不同周期极化的铌酸锂晶体（PPLN）或铌酸钾分为四部分，第一、四部分实现光参量放大，并产生闲频光，利用其周期极化结构提供的倒格矢补偿泵浦光、信号光、闲频光之间的相位失配；第二部分利用周期极化结构的倒格矢来补偿信号光极化耦合的波矢失配；第三部分倒格矢为满足闲频光的电光偏转准位相匹配过程而设计，补偿闲频光极化耦合的波矢失配，不同周期极化的铌酸锂晶体（PPLN）或铌酸钾的中间第二、三部分两部分在垂直于光传播方向的y面上加外部直流电源实现电光系数的周期性调制；本发明在全光交换、光通信领域等都有广泛的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，具体涉及周期极化铌酸锂（PPLN）超晶格中的电光相互作用、光参量放大作用，以及基于这两种作用的一种新型的具有偏振无关光参量放大特性的矢量光束放大与产生器件。具体而言，是一种通过结合电光效应和光参量放大，使对应光波的偏振方向发生旋转、能量得到放大，最终实现任意偏振的信号光均可光参量放大的器件，可以用来解决复杂偏振态如矢量光束等的放大问题。

背景技术

周期极化铌酸锂（PPLN）在非线性光学、电光效应（EO）、压电效应等领域获得了广泛的应用。由于其周期铁电畴结构，PPLN呈现出许多独特的性质比如准位相匹配（QPM）频率转换，偏振旋转,声子极化激发等。最近的研究趋势已经向考察多种过程的相互耦合作用转变。比如，结合非线性光学和电光效应的快速响应光参量振荡（OPO）已经被理论和实验上证实。但是，大多数非线性和其他耦合过程呈现出偏振相关，只有特定偏振入射的光波才能实现频率转化。此问题来源于一些物理本质，比如，利用非线性系数d₃₃决定了只能是z方向偏振的信号光才可以实现频率转化的QPM过程。但是如果二阶非线性过程能够实现偏振无关，那将具有良好的前景和广泛应用。

具体来说，位相匹配是实现这一过程的关键因素。在利用非线性晶体的光参量放大效应中，由于存在色散，如果不采取位相匹配措施，其转换效率将是很低的。为了提高转换效率，必须使转换过程满足一定的位相匹配条件。过去，通常采用双折射位相匹配（BPM）的方法。但BPM技术本身有一些不可避免的缺陷，如晶体需要沿特殊方向切割、需要特定的工作温度、只能在一定波段范围内起补偿作用等。再者从物理上分析，BPM需要参与相互作用的光波具有不同的偏振方向，这样就只能利用晶体非线性系数中较小的系数，影响了频率转移的效率。为解决这一问题，1962年Bloembergen等就提出了非线性光学中的准位相匹配（QPM）概念。其主要思想是利用周期调制的正负畴结构产生的倒格矢来补偿能量交换光波之间的位相失配，准位相匹配技术由于其优良的性质，已经在铌酸锂（LN）、钽酸锂（LT）等材料中获得了广泛的应用。只需要根据入射光的波长，设计对应的周期结构，就可以快速实现一些在双折射体系中不容易实现的特性，正是因为其具有BPM不可比拟的特性，才在非线性光学领域获得了长足的发展和广泛的应用。

同样，矢量光束作为一种具有特殊偏振态的光束在时空演化以及和物质的相互作用中起重要作用，表现出不同于标量光束的一些新颖特性，因此矢量光束的研究有重要的科学价值和应用意义。比如，由于径向偏振光完美的轴对称分布，使得它与线偏振光和圆偏振光相比有着许多显著不同的特性。如径向偏振光具有沿光轴对称的电场分布以及中空的圆环型光束结构；它们在c切向晶体中传播时，不会发生串扰；径向偏振光在高数值孔径透镜聚焦时可以产生超越衍射极限的极小得焦点，比线偏振光和圆偏振光的聚焦点小得多，而且焦点区域的纵向电场变得非常强。可以应用在引导和捕捉粒子引、粒子加速、提高显微镜的分辨率、金属切割、以及提高存储密度等方面。随着人们矢量光束的不断认识，它将在越来越多的方面得到应用。

参考文献如下：

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发明内容

本发明目的是提出了一种具有偏振无关光参量放大特性的矢量光束放大器件。这种方法对任意偏振的信号光都有相同的放大能力，解决了矢量光束难以放大和特殊波段矢量光束难以产生等问题，器件结构紧凑，易于集成，实用性强，具有突出的应用前景。

本发明的技术方案是：具有偏振无关光参量放大特性的矢量光束放大与产生器件：

包括按不同周期极化的铌酸锂晶体（PPLN）或铌酸钾分为四部分，第一、四部分实现光参量放大，并产生闲频光，利用其周期极化结构提供的倒格矢补偿泵浦光、信号光、闲频光之间的相位失配；第二部分利用周期极化结构的倒格矢来补偿信号光极化耦合的波矢失配；第三部分倒格矢为满足闲频光的电光偏转准位相匹配过程而设计，补偿闲频光极化耦合的波矢失配，；在结构上，第一、四两部分周期长度为l₁，周期数为N₁，根据放大倍数要求的改变而有所增减；第二部分周期长度为l₂，周期数为N₂; 第三部分周期长度为l₃，周期数为N₃；

不同周期极化的铌酸锂晶体（PPLN）或铌酸钾的中间第二、三部分两部分在垂直于光传播方向的y面上加外部直流电源实现电光系数的周期性调制，设置第二部分与第三部分周期极化铌酸锂晶体的外部直流电源电场值均为E，第二部分周期极化铌酸锂晶体周期为N₂，使在器件中传播的信号光偏振方向可以完全由原有方向旋转至其正交方向；而第三部分周期为N₃，使因光参量放大而产生闲频光的偏振方向在第三段中旋转至其正交方向；

中间两段偏振旋转机制进行具体解释：在LN或铌酸钾的y面上加外部直流电场，由于电场使晶体电荷中心发生移动，介质隔离率张量发生变化，即折射率椭球发生变形，表现为折射率椭球主轴的方向和长度发生变化；在外部电场E的作用下，折射率椭球主轴偏转角度θ为： ，式中r₅₁表示铌酸锂晶体的电光系数，n_o 、n_e表示对应波长的寻常光与异常光在晶体中传播时的折射率，这样，每一个周期相当于一对光轴改变方向相反的半波片。半波片可以对偏振光进行旋转，当线偏振光垂直入射到半波片时，透射光仍为线偏振光，假如入射时振动面和晶体主截面之间的夹角为θ，则透射出来的线偏振光的振动面从原来的方位转过2θ角。根据这一原理，当入射光沿着前偏振器的透射轴入射到第一个半波片时，由于入射前透射轴与晶体光轴有θ的角度，并且考虑到半波片的性质，偏振方向发生2θ的旋转；经过第二个半波片时，由于极化方向相反，晶体光轴向另一侧偏转了θ，而出射光偏转了4θ；由此可得，经过N对半波片之后，光的偏振角度旋转了4Nθ，当4Nθ=90°时即实现了光的偏振旋转至其正交方向。为确保实现偏振90°的功能，考察4Nθ=90°和两个公式，r₅₁是常数，且在选定的波长下，n_o、n_e也是常数，所以可以改变电场E和周期数N，设计相应的组合来实现这一功能。

利用室温脉冲外电场极化方法形成的周期铁电畴反转。第二部分利用周期极化结构的倒格矢来补偿信号光极化耦合的波矢失配；第三部分倒格矢为满足闲频光的电光偏转准位相匹配过程而设计，补偿闲频光极化耦合的波矢失配，电光偏转补偿至波矢失配

为实现光参量放大，输入z偏振方向的强泵浦光至该器件中；

（1）当y偏振的信号光入射到晶体，在第一部分能量不发生变化，在第二部分由于偏振旋转，信号光偏转至z方向，经过第三部分时由于波矢失配信号光不发生变化，在第四部分，z偏振的信号光与z偏振的泵浦光耦合使信号光得到放大，并产生z偏振的闲频光；

（2）当z偏振的信号光入射，在第一部分即与z偏振的泵浦光进行光参量放大，得到一个能量放大的z偏振信号光和z偏振闲频光。而在第二部分，经过放大的z偏振信号光会旋转为y偏振，第三部分中z偏振的闲频光也会旋转为y偏振。此后，信号光、闲频光在第四部分都不发生变化。如果第一部分和第四部分的周期数相同，那么无论是y还是z偏振的信号光的放大倍数会保持一致，从而实现了偏振无关特性。

信号光能量在相差数千倍的范围内变化而偏振无关特性不会消失且放大倍数几乎不变。

例如，泵浦光波长为532nm，光强为10MW/cm²，信号光波长为810nm，光强为1W/cm²，由OPA的相关计算可以推出闲频光波长为1550nm。根据准位相匹配条件，第一、四部分的周期结构提供的倒格矢用来补偿OPA过程的波矢失配，设置周期长度l₁=7.45μm；第二部分的周期结构提供的倒格矢用来补偿信号光极化耦合的波矢失配，设置周期长度l₂=9.88μm；第三部分的周期结构提供的倒格矢用来补偿闲频光极化耦合的波矢失配，设置周期长度l₃=20.48μm。为实现大约10倍的放大，经过计算，设置周期数N₁=1000。

不同周期极化的铌酸锂晶体（PPLN）或铌酸钾的中间第二、三部分在垂直于光传播方向的一个面（如y面）上加外部直流电源实现电光系数的周期性调制，为简化实验难度，方便器件的推广，设置第二部分与第三部分周期极化铌酸锂的外部直流电源电场值均为E，第二部分周期极化铌酸锂周期数为N₂，使在器件中传播的信号光偏振方向可以完全由原有方向旋转至其正交方向；而第三部分周期数为N₃，使因光参量放大而产生闲频光的偏振方向在第三段中旋转至其正交方向。例如，泵浦光波长为532nm，光强为10MW/cm²，信号光波长为810nm，光强为1W/cm²，由OPA的相关计算可以推出闲频光波长为1550nm。设置外加电源电场值为710V/mm，为将信号光的偏振方向在第二部分完全转换为另一正交方向，设置N₂=256；为将闲频光的偏振方向在第三部分完全转换为另一正交方向，设置N₃=250。

为利用周期极化铌酸锂最大的非线性系数d₃₃，z偏振方向的强泵浦光至该器件中，y偏振的信号光入射到晶体，在第一部分能量不发生变化，在第二部分由于电光效应信号光偏转至z方向，经过第三部分时由于波矢失配而不发生变化，在第四部分，z偏振的信号光与z偏振的泵浦光相互作用使信号光得到放大，并产生z偏振的闲频光。同样，z偏振的信号光入射，在第一部分即与z偏振的泵浦光进行光参量放大相互作用，得到一个放大的z偏振信号光和z偏振闲频光。而在第二部分，经过放大的z偏振信号光会转化为y偏振，第三部分中z偏振的闲频光也会转化为y偏振。此后，信号光、闲频光在第四部分都不会发生变化。如果第一部分和第四部分的周期数相同，那么无论是y还是z偏振的信号光的放大倍数会保持一致，从而实现了偏振无关特性。

信号光能量能在很大的范围内变化而偏振无关特性不会消失且放大倍数几乎不变。例如，泵浦光波长为532nm，光强为10MW/cm²，信号光波长为810nm，设置l₁=7.45μm、l₂=9.88μm、l₃=20.48μm。为实现大约10倍的放大，经过计算，设置N₁=1000、N₂=256、N₃=250。信号光能量密度从1W/cm²变化到2.5KW/cm²。尽管信号光能量密度扩大了2500倍，但放大倍数始终保持在10倍以上且变化不大，偏振相关度保持在1%以下。

本发明的电光器件和准位相匹配超晶格器件的原理是：

1、PPLN中的电光效应（electro-optic effect）：在LN或铌酸钾的y面上加外部直流电场，由于电场使晶体电荷中心发生移动，介质隔离率张量发生变化，即折射率椭球发生变形，表现为折射率椭球的主轴方向和长度发生变化。在外部电场E的作用下，折射率椭球主轴偏转角度θ为：，式中r₅₁表示铌酸锂晶体的电光系数， n_o 、n_e表示对应波长的寻常光与异常光在晶体中传播时的折射率。这样，每一个畴相当于一个半波片，当入射光沿着前偏振器的透射轴入射到第一个半波片时，由于入射前透射轴与晶体光轴有θ的角度，并且考虑到半波片的性质，偏振方向发生2θ的旋转；经过第二个半波片时，由于极化方向相反，晶轴向另一侧偏转了θ，而出射光偏转了4θ。由此可得，经过N个半波片对之后，角度旋转了4Nθ，从而实现了Solc滤波器的作用，实现了光的偏振旋转。

2、准位相匹配（QPM）：其主要思想是利用周期调制的正负畴结构产生的倒格矢来补偿能量交换光波之间的位相失配，准位相匹配技术由于其优良的性质，已经在铌酸锂（LN）、钽酸锂（LT）等材料中获得了广泛的应用。只需要根据入射光的波长，设计对应的周期结构，就可以快速实现预定特性。

本发明有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：（1）通过在晶体中间两部分结构的y面加上直流电场实现相应光波偏振方向的旋转，从而设计出具有偏振无关光参量放大的矢量光束放大与产生器件。（2）整个制作过程简单，系统呈现单片化，为光集成系统的建立提供方便。（3）对任意偏振的信号光波均有光参量放大能力，实现了偏振无关。（4）信号光能量在很大的范围内变化而偏振无关特性不会消失且放大倍数几乎不变。

附图说明

图1为在相位匹配点（图1中（a）是信号光为810nm，能量密度1W/cm²，图1中（b）是泵浦光为532nm，能量密度10KW/cm²）处信号光与闲频光光强随着晶体长度的变化。

图2为任意偏振的信号光入射时放大倍数与偏振和相位角的关系。

图3是放大倍数（图3中（a））及偏振无关性能（图3中（b））随信号光能量变化的曲线。

图4是本发明结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，以使本发明的优点得以清楚展现。

整个周期极化铌酸锂晶体（PPLN）分为前后紧密相连的四部分。在功能上，第一、四部分实现光参量放大，并产生闲频光，利用其周期结构提供的倒格矢补偿泵浦光、信号光、闲频光之间的相位失配；第二部分利用周期结构的倒格矢来补偿信号光极化耦合的波矢失配（主要是寻常光和异常光）；第三部分倒格矢为满足闲频光的电光偏转准位相匹配过程而设计。在结构上，第一、四两部分周期长度为l₁，周期数为N₁，可以根据放大倍数要求的改变而有所增减；第二部分周期长度为l₂; 第三部分周期长度为l₃。为简化实验难度，方便器件的推广，设置第二部分与第三部分的外部直流电源电场值均为E，第二部分周期数为N₂，使在器件中传播的信号光偏振方向可以完全由原有方向旋转至其正交方向；而第三部分周期数为N₃，使因光参量放大而产生闲频光的偏振方向在第三段中旋转至其正交方向。

下面通过实施例来进一步阐明本发明方法及应用，而不是要用这些实施例来限制本发明。

实施例1：

设置信号光波长为810nm，光强为1W/cm²，泵浦光波长为532nm，光强为10MW/cm²。根据准位相匹配条件，第一、四部分的周期结构提供的倒格矢用来补偿频率上转换的波矢失配，设置每周期长度l₁=7.45μm；第二部分的周期结构提供的倒格矢用来补偿信号光极化耦合的波矢失配，设置周期长度l₂=9.88μm；第三部分的周期结构提供的倒格矢用来补偿闲频光极化耦合的波矢失配，设置周期长度l₃=20.48μm。为将信号光能量放大，设置周期数N₁=1000，第一部分与第四部分的铌酸锂光学超晶格长度均为l₁N₁ = 7.45mm。设置施加在第二部分与第三部分的外加电源电场值为710V/mm，为将信号光的偏振方向在第二部分完全转换为另一正交方向，设置周期数N₂=256，第二部分铌酸锂光学超晶格长度为l₂N₂ = 2.53mm；为将闲频光的偏振方向在第三部分完全转换为另一正交方向，设置周期数N₃=250，第三部分铌酸锂光学超晶格长度为l₃N₃ = 5.12mm。铌酸锂晶体总长度为22.5mm。对于任意偏振的信号光，此器件均有相同的光参量放大能力，可将信号光的能量进行放大。如果我们选用810nm的矢量光束入射，这样根据耦合波方程[1]，在经过样品之后就可以得到一个能量放大约10倍的810nm的矢量光束。我们将整个波看成许多具有不同偏振光束的集合，所有的光束都将被以同样的倍数放大。当所有光束通过这一晶体后，矢量光束的特征没有变而能量却得到了放大。这样，就实现了矢量光束的放大。

实施例2：

设置信号光波长为810nm，光强为1W/cm²，泵浦光波长为532nm，光强为10MW/cm²。根据准位相匹配条件，第一、四部分的周期结构提供的倒格矢用来补偿频率上转换的波矢失配，设置周期长度l₁=7.45μm；第二部分的周期结构提供的倒格矢用来补偿信号光极化耦合的波矢失配，设置周期长度l₂=9.88μm；第三部分的周期结构提供的倒格矢用来补偿闲频光极化耦合的波矢失配，设置周期长度l₃=20.48μm。为将信号光能量放大，设置周期数N₁=1000，第一部分与第四部分的铌酸锂光学超晶格长度均为l₁N₁ = 7.45mm。设置施加在第二部分与第三部分的外加电源电场值为710V/mm，为将信号光的偏振方向在第二部分完全转换为另一正交方向，设置N₂=256，第二部分铌酸锂光学超晶格长度为l₂N₂ = 2.53mm；为将闲频光的偏振方向在第三部分完全转换为另一正交方向，设置周期数N₃=250，第三部分铌酸锂光学超晶格长度为l₃N₃ = 5.12mm。铌酸锂晶体总长度为22.5mm。同样，对于810nm矢量光束入射的信号光，我们也可以得到由1550nm闲频光组成的矢量光束，能量大约可以为最初信号光的5倍。众所周知，受制于技术缺陷，产生矢量光束并不是一件容易的事情，在某些波段比如红外波段获得矢量光束更不容易。所以我们的设计也解决了产生特殊波段矢量光束的办法。

综上所述，我们提出的具有偏振无关光参量放大特性的矢量光束放大与产生器件为获得高能量、新波段的矢量光束打开一扇窗。