一種在光學(xué)超晶格中同時(shí)實(shí)現(xiàn)激光倍頻和線聚集的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及非線性光學(xué)與超晶格材料技術(shù)的交叉領(lǐng)域，特別涉及一種在光學(xué)超晶 格中同時(shí)實(shí)現(xiàn)激光倍頻和線聚集的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在激光熱處理、激光切割等實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常需要線聚焦的光束。在線性光學(xué)中， 通常利用軸棱錐來實(shí)現(xiàn)光束的線聚焦。軸棱錐將入射光束進(jìn)行等傾彎折，通過光波的干涉 效應(yīng)抵消了衍射效應(yīng)，使得產(chǎn)生的出射光束在一定距離內(nèi)有近似衍射不變的特點(diǎn)，亦即光 束的線聚焦。但由于軸棱錐是錐體結(jié)構(gòu)，因此存在加工難度大、成本高等缺點(diǎn)，且無法實(shí)現(xiàn) 激光的頻率變換。
[0003] 最近，有人從菲涅爾透鏡得到啟發(fā)，制作出了菲涅爾軸棱錐。相對于傳統(tǒng)軸棱錐， 菲涅爾軸棱錐可以由塑料壓片制造，重量輕成本低，便于大量生產(chǎn)。雖然有成本低的優(yōu)勢， 但由于原理上的固有缺陷，菲涅爾軸棱錐在干涉區(qū)域內(nèi)會出現(xiàn)大量光強(qiáng)很低的"空洞"區(qū)， 線聚焦光束質(zhì)量沒有傳統(tǒng)軸棱錐高。
[0004] 另一方面，在非線性光學(xué)中，基于準(zhǔn)相位匹配原理設(shè)計(jì)的光學(xué)超晶格，能在特定的 方向上同時(shí)完成激光的倍頻、和頻與差頻等多種功能。不久前，南京大學(xué)的秦亦強(qiáng)等人進(jìn)一 步拓展了光學(xué)超晶格的功能，通過疇結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了倍頻波的點(diǎn)聚焦，用非線性光學(xué)的 方法實(shí)現(xiàn)了線性光學(xué)中凸透鏡的點(diǎn)聚焦功能。
[0005] 利用準(zhǔn)相位匹配原理設(shè)計(jì)光學(xué)超晶格，通過非線性光學(xué)的方法實(shí)現(xiàn)激光的線聚 焦，一方面可以克服軸棱錐曲面加工復(fù)雜昂貴的缺點(diǎn)，通過成熟的光刻與極化工藝低成本 地制作具有任意疇結(jié)構(gòu)的光學(xué)超晶格；另一方面又可以克服菲涅爾軸棱錐有衍射空洞的缺 點(diǎn)，線聚焦光束質(zhì)量更加優(yōu)良。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種集成化程度高、成本低的且在光學(xué)超晶格 中同時(shí)實(shí)現(xiàn)激光倍頻和線聚集的方法。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，在光學(xué)超晶格中通過疇結(jié)構(gòu)的 設(shè)計(jì)，用準(zhǔn)相位匹配的原理實(shí)現(xiàn)線性光學(xué)的目標(biāo)，具體包括以下步驟：
[0008] (1)在超晶格中設(shè)計(jì)上下兩部分周期相同的傾斜的疇結(jié)構(gòu)，且以晶體通光方向?yàn)?軸成對稱分布；
[0009] (2)當(dāng)基波垂直入射超晶格中，所述超晶格的上半部分會產(chǎn)生向下彎折的激光倍 頻波，下半部分會產(chǎn)生向上彎折的激光倍頻波，且上半部分產(chǎn)生的激光倍頻波和下半部分 產(chǎn)生的激光倍頻波的彎折角度相同，強(qiáng)度相同；這樣在上半部分和下半部分的交疊區(qū)域就 會產(chǎn)生類似于軸棱錐的線聚焦干涉圖樣；
[0010] (3)激光進(jìn)入超晶格后，超晶格的疇結(jié)構(gòu)提供的倒格矢可以補(bǔ)償基波和激光倍頻 波之間的波矢失配，從而形成波矢匹配的三角形。
[0011] 通過上述技術(shù)方案，在超晶格中設(shè)計(jì)上下兩部分周期相同的傾斜疇結(jié)構(gòu)（超晶格 中的疇結(jié)構(gòu)為周期性對稱傾斜的樹葉紋理狀形態(tài)），并以晶體通光方向?yàn)檩S成對稱分布； 當(dāng)基波垂直入射超晶格中，由于上下兩部分疇結(jié)構(gòu)具有不同方向的倒格矢，超晶格上半部 分會產(chǎn)生向下彎折的倍頻波，下半部分會產(chǎn)生向上彎折的倍頻波，兩部分激光的彎折角度 相同，強(qiáng)度相同，這樣在兩者交疊的區(qū)域就會產(chǎn)生類似于軸棱錐的線聚焦干涉圖樣；激光進(jìn) 入超晶格后，由于基波和倍頻波之間存在波矢失配，需要超晶格的疇結(jié)構(gòu)提供的倒格矢來 彌補(bǔ)，由于是非共線匹配，因此形成一個(gè)波矢匹配的三角形，即通過光學(xué)超晶格中周期性對 稱傾斜的疇結(jié)構(gòu)，以疇結(jié)構(gòu)的周期匹配激光的波長，以疇結(jié)構(gòu)的傾斜角度調(diào)節(jié)線聚焦的長 度，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)激光的倍頻和線聚焦；不僅集成化程度高，而且可以有效地降低生產(chǎn)成 本。
[0012] 進(jìn)一步的改進(jìn)在于，所述步驟（3)中構(gòu)成的波矢匹配的三角形，采用&和K2分別 表示基波和激光倍頻波的波矢，G表示超晶格的疇結(jié)構(gòu)提供的倒格矢，基波的波矢K1和激光 倍頻波的波矢1(2與倒格矢G三者在準(zhǔn)相位匹配的條件下形成一個(gè)閉合三角形。
[0013] 進(jìn)一步的改進(jìn)在于，所述基波的傳播方向和超晶格內(nèi)激光倍頻波傳播方向、超晶 格外激光倍頻波傳播方向所形成的夾角分別為α和Θ。
[0014] 進(jìn)一步的改進(jìn)在于，所述超晶格的疇結(jié)構(gòu)的傾斜方向與超晶格疇結(jié)構(gòu)提供的倒格 矢G的方向垂直，所述超晶格的疇結(jié)構(gòu)的傾斜方向與基波所形成的夾角為β。
[0015] 進(jìn)一步的改進(jìn)在于，所述超晶格的疇結(jié)構(gòu)的傾斜方向和水平方向的周期分別為 Λ JP Λ 2，倒矢格G與基波的波矢K1和激光倍頻波的波矢K 2的關(guān)系式為：
[0017] 周期G的關(guān)系式為：Λ 1= 2 31/G ;
[0018] 周期A1與周期Λ 2的關(guān)系式為：Λ 2= Λ /sine ;
[0019] 而疇結(jié)構(gòu)的傾斜方向與基波所形成的夾角為β與倒矢格G和基波的波矢K1和激 光倍頻波的波矢K2的關(guān)系式為：
[0020] β + Ji /2 = arccos ((^/+G2-K22) /^1G)；
[0021] 其中n2 sin a = Ii1 sin θ，Θ的大小由入射基波的半徑和線聚集長度可以得到； Ii1，n2分別為激光倍頻波在空氣中和光學(xué)超晶格中的折射率。
[0022] 進(jìn)一步的改進(jìn)在于，所述超晶格的材料為二方晶系的畸變|丐欽礦結(jié)構(gòu)材料或正交 晶系的非線性光學(xué)晶體材料。
[0023] 作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述三方晶系的畸變鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料為鈮酸鋰或鉭酸 鋰，所述正交晶系的非線性光學(xué)晶體材料為磷酸鈦氧鉀。
[0024] 作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述基波的波長為1. 064 μ m ;當(dāng)所述超晶格的材料為鈮 酸鋰時(shí)，匹配溫度為150°C。為了避免光折變效應(yīng)，匹配溫度選用150°C。
[0025] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明基于非線性光學(xué)的原理，以超晶格 疇結(jié)構(gòu)的制備取代了復(fù)雜的光學(xué)曲面的制造；通過光學(xué)超晶格中周期性對稱傾斜的疇結(jié) 構(gòu)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)激光的倍頻和線聚焦；不僅集成化程度高，而且可以有效地降低生產(chǎn)成 本。
【附圖說明】
[0026] 下面結(jié)合附圖和本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)一步詳細(xì)說明：
[0027] 圖1是本發(fā)明光學(xué)超晶格中激光倍波頻線聚焦示意圖；
[0028] 圖2是本發(fā)明的光束波矢匹配示意圖；
[0029] 圖3是本發(fā)明以鈮酸鋰超晶格為例的疇結(jié)構(gòu)局部圖；
[0030] 圖4是本發(fā)明的激光倍頻波在超晶格外傳播情況圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 該在光學(xué)超晶格中同時(shí)實(shí)現(xiàn)激光倍頻和線聚集的方法，具體包括以下步驟：
[0032] (1)在超晶格中設(shè)計(jì)上下兩部分周期相同的傾斜的疇結(jié)構(gòu)，且以晶體通光方向?yàn)?軸成對稱分布；
[0033] (2)當(dāng)基波垂直入射超晶格中，所述超晶格的上半部分會產(chǎn)生向下彎折的激光倍 頻波，下半部分會產(chǎn)生向上彎折的激光倍頻波，且上半部分產(chǎn)生的激光倍頻波和下半部分 產(chǎn)生的