一种中红外宽带二次谐波产生方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种6.7μm附近的宽带二次谐波产生方法及系统。系统由激光器、定向图案磷化镓、温控炉和干燥系统组成。该方法利用定向图案磷化镓晶体实现宽带二次谐波产生，当温度为25℃时，在6.711μm附近宽带二次谐波产生的带宽为444nm。通过改变温控炉的温度来调节宽带二次谐波的中心波长。本发明专利技术可以解决6.7μm附近的高效宽带二次谐波产生问题。μm附近的高效宽带二次谐波产生问题。μm附近的高效宽带二次谐波产生问题。

【技术实现步骤摘要】
一种中红外宽带二次谐波产生方法及系统


[0001]本专利技术涉及一种6.7μm附近宽带二次谐波产生方法及系统，属于非线性光学


技术介绍

[0002]中远红外相干光源可以应用于军事领域(如红外遥感、红外预警、红外对抗、红外通信等)和民用领域(如红外激光诊疗、痕量气体检测、遥感、红外光谱学、工业生产过程检测、油田开采、毒品稽查等)。
[0003]二次谐波产生是一种重要的频率变换方法。但在二次谐波产生过程中，会产生相位失配，其实质是相互作用的基波和二次谐波在非线性晶体材料中以不同的相速度传播时两者之间的相位失配量逐渐累积，使得能量不断在基波和二次谐波之间来回流动，无法实现能量的单相转换。
[0004]为了解决相位失配。一种方法称为双折射相位匹配，在双折射晶体材料中，不同方向的偏振光(o光和e光)遵循不同的折射率色散方程，尤其对e光而言折射率色散可以通过晶体角度进行调节。因此，若将发生作用的光波选为不同的偏振态，并在晶体中选择特定的方向传播就可以实现相位匹配。另一种解决相位失配的方法称为准相位匹配，即当基频和二次谐波相位差累积到π时，反转二阶非线性系数的符号，使得相位差“复位”为零，能量能够始终流向倍频光波。相较于双折射相位匹配，准相位匹配不要求相互作用的光波是正交偏振的，更加灵活便于操作，对于任意的非线性过程，通过计算相位失配量后即可确定晶体所需的晶体周期，在晶体透光范围内，理论上可以实现任意输出光波长的调谐并且避开了材料折射率的限制。
[0005]以上技术均是针对单波长的二次谐波产生，如果是一个宽带基波，则在非中心波长处，转换效率严重降低。而现有的准相位匹配宽带二次谐波产生技术，多是利用周期极化铌酸锂晶体、周期极化钽酸锂晶体以及定向图案砷化镓晶体。且并未有6.7μm附近的宽带二次谐波产生，甚至3μm以上的中远红外宽带二次谐波产生都罕见。

技术实现思路

[0006]本专利技术是将准相位匹配宽带二次谐波产生技术应用于定向图案磷化镓，得到6.7μm附近的宽带二次谐波产生。
[0007]根据准相位匹配原理，通过设计得到定向图案磷化镓晶体的晶体周期。基波λ1经过定向图案磷化镓晶体时会产生二次谐波λ2，即λ2＝λ1/2。其共线二次谐波转换的相位失配量
△
k 为：
△
k＝k
2-2k
1-k
g
(1)，其中,k1、k2和k
g
为基波、二次谐波和周期结构晶体的波矢量。
[0008]宽带二次谐波产生要求一定波长范围的所有波长都能实现高效二次谐波产生，因此相位失配量
△
k在这个波长范围内变化量要足够小，即需要满足式(1)两边分别
对λ1求导得：使的波长为基波的中心波长，以该波长为中心的宽带光可实现高效二次谐波产生。
[0009]温度为25℃时，与基波波长λ1的关系图如图1所示，局部放大图如图2所示，由图可知，利用特殊设计的定向图案磷化镓晶体，宽带基波可在6.711μm附近实现宽带二次谐波产生，经特殊设计的定向图案磷化镓的晶体周期为146.801μm。二次谐波的转换效率正比于sinc2(
△
kL/2),定义允许带宽为转换效率下降至最大值的1/2时所对应的基波波长的变化量。温度为25℃时，转换效率与基波波长的关系如图3所示。中心波长为6.711μm，带宽为444nm的基波经过定向图案磷化镓晶体可实现高效宽带二次谐波产生。
[0010]调节定向图案磷化镓晶体的温度，可实现中心波长的调谐。中心波长和晶体周期随温度变化的关系图如图4所示。从图中可以看出，随着晶体温度由-195℃上升到176℃，基波中心波长由6.670μm上升到6.778μm，晶体周期由150.600μm下降到144.674μm。
[0011]温度为-195℃时，当定向图案磷化镓晶体的晶体周期为150.600μm时，中心波长为 6.670μm的宽带基波可实现二次谐波产生，二次谐波产生的带宽为448nm。
[0012]温度为-100℃时，当定向图案磷化镓晶体的晶体周期为148.861μm时，中心波长为 6.679μm的宽带基波可实现二次谐波产生，二次谐波产生的带宽为444nm。
[0013]温度为0℃时，当定向图案磷化镓晶体的晶体周期为147.192μm时，中心波长为6.703 μm的宽带基波可实现二次谐波产生，二次谐波产生的带宽为444nm。
[0014]温度为100℃时，当定向图案磷化镓晶体的晶体周期为145.694μm时，中心波长为 6.741μm的宽带基波可实现二次谐波产生，二次谐波产生的带宽为444nm。
[0015]温度为176℃时，当定向图案磷化镓晶体的晶体周期为144.674μm时，中心波长为 6.778μm的宽带基波可实现二次谐波产生，二次谐波产生的带宽为445nm。
[0016]一种中远红外宽带二次谐波产生系统包括激光器、干燥系统、定向图案磷化镓晶体、温控炉。定向图案磷化镓晶体放置于温控炉中，激光器产生的宽带基波入射到晶体中，晶体出射波为宽带二次谐波。激光器、温控炉均放置在干燥系统中。
[0017]本专利技术在25℃时，实现了中心波长为6.711μm，带宽为444nm的二次谐波产生。改变晶体温度，通过设计晶体周期，可以实现中心波长的调谐。温度从-195℃到176℃，中心波长从6.670μm增大到6.778μm,其中，-195℃时的带宽为448nm，-100℃时的带宽为444nm， 0℃时的带宽为444nm，100℃时的带宽为444nm，176℃时的带宽为445nm。
附图说明
[0018]图1是定向图案磷化镓晶体温度为25℃时，与基波波长λ1的关系图。
[0019]图2是定向图案磷化镓晶体温度为25℃时，与基波波长λ1的关系图的局部放大图。
[0020]图3是定向图案磷化镓晶体温度为25℃时，转换效率与基波波长λ1的关系图。
[0021]图4是可实现宽带二次谐波产生的基波中心波长和晶体周期随向图案磷化镓晶体温度的变化图。
[0022]图5是6.711μm附近的宽带基波二次谐波产生系统。
[0023]图6是6.711μm附近的宽带基波二次谐波产生流程图
具体实施方式
[0024]选择二次谐波产生的相位匹配技术。要实现高效二次谐波长转换，需要使基波和二次谐波在非线性晶体内实现相位匹配，常用的相位匹配技术有双折射匹配技术和准相位匹配技术。与双折射相位匹配技术相比，准相位匹配技术的优点在于：(1)不在要求相互作用的光波是正交偏振的，因此可充分利用非线性晶体更大的非线性张量元，提高转换效率。(2)更加灵活，便于操作。对于任意的非线性过程，通过计算相位失配量后即可确定所需的晶体极化周期，在晶体透光范围内，理论上可以实现任意输出光波的调谐。(3)避开了材料折射率的限制，不在局限于双折射相位匹配的苛刻要求，因此角度灵敏度小，对于入射角度要求低，通过设计，能够提升输出带宽。且不存在走离效应，可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.利用定向图案磷化镓晶体得到宽带二次谐波产生。2.根据权利要求1所述，当温度为25℃时，在6.711μm附近，可实现高效宽带二次谐波产生。3.根据权利要求2所述，当温度为25℃时，在6.711μm附近宽带二次谐波产生的带宽为444nm。4.根据权利要求2所述，当温度为25℃时，在6.711μm附近产生宽带二次谐波时，定向图案磷化镓晶体的晶体周期为146.801μm。5.根据权利要求1所述，可以通过改变定向图案磷化镓晶体的温度来调谐中心波长。6.根据权利要求5所述，当温度从-195℃升高到176℃时，宽带二次谐波的中心波长从6.670μm增大到6.778μm处。当温度为-195℃时，宽带基波中心波长为6.670μm，带宽为448nm。当温度为-100℃时，宽带基波中心波长为6.679μm，带宽为444nm。当温度为0℃时，宽带基波中心波长为6.703μm...

【专利技术属性】
技术研发人员：阴明，林曦玥，罗永治，
申请(专利权)人：成都理工大学，
类型：发明
国别省市：