一种啁啾准周期结构超晶格材料及其设计方法技术

本申请公开一种啁啾准周期结构超晶格材料及其设计方法，普通准周期结构在傅里叶倒空间具有多根倒格矢，这些倒格矢每一根的形状都是一个宽度很窄的尖峰状。这种尖峰状的倒格矢的位相匹配要求环境温度、输入激光波长都是窄带的，否则其频率转换的功率稳定性和效率会产生剧烈波动，这对准周期结构的超晶格材料在实际使用中提出了较高的条件要求。本申请实施例将啁啾结构引入准周期结构的设计，通过啁啾准周期结构将一个或多个倒格矢进行展宽及平顶化，实现多个倒格矢的带宽、强度同时可控，这使得准周期超晶格的频率转换带宽获得提升，转换效率的稳定性获得提升，降低了准周期材料在实际应用中的苛刻的环境要求。

A kind of chirped quasiperiodic superlattice material and its design method

【技术实现步骤摘要】
一种啁啾准周期结构超晶格材料及其设计方法
本申请涉及超晶格
，尤其涉及一种啁啾准周期结构超晶格材料及其设计方法。
技术介绍
准周期结构是多重准相位匹配的重要结构。准相位匹配(Quasi-Phase-Matching,QPM)的概念于1962年提出的，距今已近60年。虽然QPM理论提出的非常早，但由于周期极化晶体制备上的困难，直到上世纪80年代初研究人员将微结构引入介电体，研制出介电体超晶格(DielectricSuperlattice)，人们才开始对QPM进行实验上的探索。由于在介电体超晶格中，被周期调制的参数主要是二阶非线性系数χ(2)，所以介电体超晶格也称作光学超晶格(OpticalSuperlattice)。光学超晶格基质材料有铌酸锂(LiNbO3,LN)、钽酸锂(LiTaO3,LT)、KTiOPO4(KTP)等。QPM的主要应用之一是高效的激光变频，包括倍频(Second-Harmonic-Generation,SHG)，和频(Sum-Frequency-Generation,SFG)，差频(Different-Frequency-Generation,DFG)，光参量产生/放大/振荡(OpticalParametricGeneration/Amplification/Oscillation,OPG/OPA/OPO)等过程。目前，激光变频技术已发展为激光产业的一项重要技术。九十年代以来，人们开始对非传统周期结构的光学超晶格进行探索，其中一个重要的新结构就是准周期光学超晶格。自从1984年首次发现准晶以来，人们对准周期（quasi-periodic）这一自然界不存在的全新结构产生了浓厚的兴趣。技术人员首先将准周期结构引入介电体超晶格，提出了准周期光学超晶格的概念。随后在Fibonacci序列的的光学超晶格中首次实现激光的高效三倍频，从实验上验证了准周期光学超晶格的应用价值。准周期结构是介于周期结构和无序结构之间的一种新结构，它可以提供多个相互独立的倒格矢，可以实现多个光参量过程的相互耦合，在激光变频领域具有良好的应用前景。根据技术人员提出的准周期投影理论，一维准周期结构可以看作由二维周期点阵向一直线投影所得，因此在准周期结构中隐含了投影点阵与投影直线的信息。根据投影理论，低维的准周期结构可以看做由高维的周期结构投影得到，高维周期点阵“展示”出了低维准周期点阵的“隐含对称性”。例如，一维准周期结构可以看做二维正方点阵向一直线投影得到，如下图1所示。在图1中，ξ为投影直线，与x轴夹角为θ，把与ξ轴垂直的直线标为η轴。投影窗口长度w取x轴与y轴单位长度向η轴方向投影之和，即w=sinθ+cosθ。从原点开始，凡是落在投影窗口内的点全部向η轴投影。只要投影角的正切tanθ为无理数，得到的点阵就是准周期排列的。由正方点阵投影得到的准周期序列仅与θ相关，不同θ得到的准周期序列各不相同。例如，当投影角的正切取黄金分割时，得到的序列就是著名的Fibonacci序列。这样投影可得到一两组元准周期结构。其中的两组元A和B分别由纵格和横格投影而来。对于介电体超晶格如铌酸锂(LiNbO3，LN)或钽酸锂(LiTaO3，LT)，一般取组元A和组元B均由一对正负畴构成，其中正畴长度均为1，如下图2所示。这样得到的准周期结构的倒格矢满足：(1)（1）式中τ是结构中组元A的个数NA与组元B的个数NB之比NA/NB，准周期序列仅有τ决定，因此τ称为序列参量。在由正方点阵投影得到的准周期结构中，τ满足τ=tanθ。D=τDA+DB称为平均结构参数，DA、DB分别为组元A、B的长度。由于组元A的出现次数是组元B的τ倍，因此D表征了A、B组元的平均长度，故被称作平均结构参数。m、n是整数，表征倒格矢的阶数。各倒格矢的傅里叶系数满足：(2)（2）式中。准周期结构的设计过程即选取合适的结构参数，使得所需的两倒格矢的傅里叶系数最大。当准周期结构由正方点阵投影而来时，DA/DB为定值，有DB/DA=τ=tanθ。在更一般的准周期结构中，一维准周期结构是由二维长方点阵投影而来。此时DA/DB为一可调参量，τ仍是NA/NB，但不再有τ=tanθ。一般的准周期结构既然从长方点阵投影而来，很容易推导出其序列参量τ的表达式。设横格、纵格长度分别为dx、dy，则τ满足：(3)非传统周期结构的光学超晶格另一个重要的新结构就是啁啾光学超晶格(chirpedgratings)。最初基于啁啾与类啁啾结构光学超晶格的研究主要集中于增加倍频接受带宽，啁啾光学超晶格的另一项主要用途是利用啁啾超晶格进行脉冲压缩与脉冲整形技术。技术人员对此项技术进行了深入的研究，并利用该技术产生了脉宽小于6飞秒的蓝光脉冲，这是当时所能产生的脉宽最短的蓝光脉冲。事实上，啁啾超晶格除了主要应用于这两方面之外，还有一些其他方面应用的工作报道，如光孤子在啁啾超晶格中的调控等工作。在实际应用中，非线性频率变换的位相失配是通过超晶格材料的空间周期调制在倒空间的傅里叶频谱产生的倒格矢进行匹配补偿的。准周期结构的傅里叶频谱如图3所示，其中每一根单独谱线被称为“倒格矢”，是倒易空间的一个矢量。每一根倒格矢都可以对一个频率变换过程进行匹配，多个倒格矢可以实现多个频率变换在同一块晶体中的同时匹配，或者说实现多个波长的频率转换。图3的准周期结构为一维准周期结构，该结构从一横格长度dx0=19.1μm，纵格长度dy0=17.5μm的二维点阵向一斜率为tanθ=0.414的直线投影，并取两组元的正畴长度均为l=6μm，总长度L=10mm。啁啾(chirp)结构，亦称非均匀(non-uniform)结构，是指周期极化(periodically-poled，PP)的晶体中极化周期非定值的结构。周期随位置的变化关系可以线性的，也可以是非线性的。在啁啾结构中，极化周期随位置而改变，但变化量一般较小。具有这种啁啾结构的超晶格示意图如下图4所示：为清晰反映啁啾的图样，在图4中夸大了啁啾的程度。其中深色部分为超晶格正畴形状，浅色部分为超晶格负畴形状，正负畴沿一个方向交替排列，并且出现的长度周期随位置发生改变。具有这样结构的超晶格的倒格矢一般会展宽，但峰值有所下降。以线性啁啾为例，首先需要定义描述啁啾程度的参数r。在一个包含N个周期的超晶格中，定义啁啾度r满足：(4)（4）式中Λ(N)、Λ(1)、Λ0分别为超晶格最后一个周期长度，第一个周期长度与中心周期长度。各位置x处的周期满足下式：(5)当取超晶格中心周期Λ0=9.02μm，超晶格总长度L=2cm时，取不同的啁啾度r，超晶格的一阶倒格矢强度随相位失配的变化关系如下图5所示：这里的相位失配定义为。如上图5所示，当啁啾度r为零时，倒格矢是一标准的sinc函数图样。当啁啾度越来越大，倒格矢展宽程度越来越宽，其峰值随之越来越低。当啁啾度r取0.02时，倒格矢展宽程度±130rad.，但倒格矢中心强度已经本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种啁啾准周期结构超晶格材料的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：/n将纵向格子和横向格子投影，得到组元A和组元B；/n引入啁啾，确定组元A的长度和组元B的长度；/n根据组元A的长度和组元B的长度，确定序列参量τ；/n根据序列产量τ、组元A的长度和组元B的长度，确定啁啾准周期结构倒格矢位置；/n根据啁啾准周期结构倒格矢位置，确定任意两个倒格矢的位置，确定超晶格材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种啁啾准周期结构超晶格材料的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：
将纵向格子和横向格子投影，得到组元A和组元B；
引入啁啾，确定组元A的长度和组元B的长度；
根据组元A的长度和组元B的长度，确定序列参量τ；
根据序列产量τ、组元A的长度和组元B的长度，确定啁啾准周期结构倒格矢位置；
根据啁啾准周期结构倒格矢位置，确定任意两个倒格矢的位置，确定超晶格材料。


2.根据权利要求1所述的一种啁啾准周期结构超晶格材料的设计方法，其特征在于，所述引入啁啾，确定组元A的长度和组元B的长度的利用以下公式：



其中，DA为组元A的长度，DB为组元B的长度，dx（ξ）为啁啾后横向格子长度，dy（ξ）为啁啾后纵向格子长...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹志军，崔国新，吴冰，许志城，
申请(专利权)人：南京南智先进光电集成技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32