一种面向宽带倍频的非周期极化晶体设计方法技术

本发明专利技术提供了一种面向宽带倍频的非周期极化晶体设计方法，属于光电领域。当温度为25℃时，二进制编码的量子行为粒子群算法目标函数包含1.540um、1.553um、1.567um光波，在1.540um左侧间隔3nm增加60个光波条件下，参数β值取1.5时能获得较宽的倍频转换带宽，带宽为419nm，比周期极化铌酸锂准相位匹配宽带倍频带宽(54nm)宽365nm。通过改变温度，可以使宽带倍频转换波长范围改变。带倍频转换波长范围改变。带倍频转换波长范围改变。

【技术实现步骤摘要】
一种面向宽带倍频的非周期极化晶体设计方法


[0001]本专利技术提出了一种面向宽带倍频的非周期极化晶体设计方法，并利用二进制编码的量子行为粒子群(Binary Quantum
‑
behaved Particle Swarm Optimization,BQPSO)算法寻找能实现最宽倍频的非周期极化铌酸锂晶体结构。探讨了目标函数包含光波数、参数β和温度对非周期极化铌酸锂晶体宽带倍频的影响。属于光电


技术介绍

[0002]准相位匹配是在相干长度倍数位置重复改变互作用光波的相对相位，周期性的重置相对相位，其平均效果维持了使二次谐波持续增长的合适的相位关系。在铁电晶体内，通过周期性的反转晶体的晶向，改变非线性系数的符号，使相对有效非线性系数在+d
reff
和
‑
d
reff
之间交替变化，可以实现通光路径上对介质非线性的空间调制。
[0003]准相位匹配技术是通过对晶体非线性系数的周期性调制来补偿相互作用波之间的相位失配。该技术的显著特点是对非线性晶体的整个透光范围内的任意波长的光波都可以实现相位匹配，而最大的优点是可以利用晶体的最大非线性系数，从而使转换效率大大提高。在准相位匹配中，当基波通过非线性晶体时，由于非线性效应会产生二次谐波。在满足准相位匹配条的件下，使得相位失配量在一定的波长范围内保持较小的变化，那么在这个波长范围内的所有波长就能实现高效的二次谐波转换。为了实现高效宽带二次谐波转换，需要同时满足相位匹配条件和群速度匹配条件。<br/>[0004]外加电场法是制备周期极化铌酸锂最为有效的方法，它可以实现精确的周期结构和完全贯穿的垂直电畴壁。其方法是，首先在单畴化铌酸锂晶体的一面淀积或溅射周期结构的金属电极，另一面制作均匀电极。然后施加与晶体自发极化方向相反方向的外加电场，当外加电场超过晶体的矫顽场时，其自发极化方向便发生了反转。

技术实现思路

[0005]二进制编码的量子行为粒子群(BQPSO)算法是为了让粒子群算法更贴近生活中的工程实践从而提出将粒子位置用二进制进行编码并表示。这种算法非常适用于在离散二进制搜寻空间进行寻优。在BQPSO算法中，不考虑粒子运动的速度，只考虑位置的变换关系。粒子的位置由二进制编码0，1组合而成，而粒子的位置通过改变二进制编码的值来实现变换。由于BQPSO算法中引入了相关的量子理论，只有位置在不断地调整变化，所以可以用Hamming距离来表示两个粒子之间的位置关系。
[0006]BQPSO算法首先将总长度为10mm的晶体沿着光传播方向分隔为3333等长的单元畴，每个单元畴的长度约为3um。其中每个畴的极化方向可以取+1或
‑
1，共计2
3333
种晶体结构，需要在如此多的晶体结构中寻找到最优的一种结构。因此利用BQPSO算法的寻优速度快搜寻效果好这一特点对非周期晶体结构进行设计。
[0007]非周期结构晶体是通过对非线性系数进行调制来实现多重准相位匹配，从而实现多波长宽带频率转换。其原理是：沿着光波在非线性晶体中的传播方向，以单元畴对晶体进
行分解，每个单元畴的极化方向受特定的非线性光学效应控制，可能向上或向下。多个符号相同的连续单元畴可形成一个正畴或负畴，由此组成了不均匀的周期结构晶体。
[0008]由于周期结构晶体在设计时会受到很多条件的制约，导致转换效率达不到理想的状态。而非周期晶体结构却能比较灵活的提供倒格矢且设计方便。同时对非周期结构晶体进行优化，能找到符合多重准相位匹配以实现多波长宽带频率转换并且能够获得高转换效率的结构。将非周期结构晶体的非线性系数空间分布的d
reff
定义为相对有效非线性系数，可用它表示光波的转换效率。
[0009]对于周期极化铌酸锂宽带倍频而言，以群速度匹配波长为中心，在他的两端存在相位失配量Δk相等的两点。在1.520um和1.604um处的相位失配量相等，并且在以基波波长1.520um对应的准相位匹配晶体极化周期为晶体周期情况下，宽带倍频的归一化转换效率会同时在1.520um和1.604um处为1的脉冲。故在利用BQPSO算法，寻找最佳周期极化铌酸锂晶体结构时，目标函数只需要包含群速度匹配波长一侧的光波长。
[0010]在研究温度对非周期极化铌酸锂宽带倍频特性的影响时，通常选取群速度匹配波长及其左侧的一些波长作为目标函数包含的光波，而群速度匹配波长会随着温度的变化而变化。
[0011]本专利技术是基于BQPSO算法来设计面向宽带倍频的非周期极化铌酸锂，并说明目标函数的包含光波数、参数β和温度对非周期极化铌酸锂宽带倍频的影响。
[0012]当温度为25℃，β为1.5，目标函数只包含群速度匹配波长1.567um的一个光波时，宽带倍频转换的带宽为54nm。计算温度为25℃时，在I型准相位匹配条件下，按归一化转换效率进行计算得到的周期极化铌酸锂倍频转换带宽为54nm。非周期极化铌酸锂倍频转换和周期极化铌酸锂的带宽相同。
[0013]当温度为25℃，参数β为1.5，目标函数包含1.540um、1.553um、1.567um光波，并在1.540um左侧间隔3nm增加目标函数包含光波数的条件下，新增的包含光波数从1到60时，倍频带宽从73nm增加到了419nm。当新增的包含光波数从60增加到70时，倍频带宽反而从419nm降到了337nm。
[0014]目标函数包含1.540um、1.553um和1.567um光波，并在1.540um左侧间隔3nm增加60个光波时，可得到最宽倍频带宽，故在设计参数β时，目标函数包含光波的选取均采用这种方式。
[0015]当温度为25℃时，目标函数包含1.540um、1.553um、1.567um光波，在1.540um左侧间隔3nm增加60个光波数的条件下，参数β值取1.5时能获得较宽的倍频转换带宽和较好的带顶平缓度。
[0016]当β为1.5，目标函数包含1.540um、1.553um、1.567um光波，并在最左侧光波的左侧间隔3nm增加60个光波时，随着温度升高，倍频转换波长范围向长波长移动，带宽均在300nm以上。
附图说明
[0017]图1是当温度为25℃，β为1.5，目标函数包含1.540um、1.553um和1.567um三个光波，并在1.540um左侧间隔3nm增加1个光波时，倍频转换效率图。
[0018]图2是当温度为25℃，β为1.5，目标函数包含1.540um、1.553um和1.567um三个光
波，并在1.540um左侧间隔3nm增加6个光波时，倍频转换效率图。
[0019]图3是当温度为25℃，β为1.5，目标函数包含1.540um、1.553um和1.567um三个光波，并在1.540um左侧间隔3nm增加15个光波时，倍频转换效率图。
[0020]图4是当温度为25℃，β为1.5，目标函数包含1.540um、1.553um和1.567um三个光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.利用二进制编码的量子行为粒子群算法设计用于宽带倍频的非周期极化铌酸锂晶体。2.根据权利要求1所述，在温度为25℃，参数β为1.5，目标函数包含1.540um、1.553um、1.567um光波，并在1.540um左侧间隔3nm增加目标函数包含光波数的条件下，新增的包含光波数从1到60时，倍频带宽从73nm增加到了419nm。当新增的包含光波数从60增加到70时，倍频带宽从419nm减小到337nm。3.根据权利要求2所述，当温度为25℃时，目标函数包含1.540um、1.553um、1.567um光波，在1.540um左侧间隔3nm增加60个光波，β取1.5的条件下，能获得较宽的倍频转换带宽，带宽为419nm，比周期极化铌酸锂准相位匹配宽带倍频带宽(54nm)宽365nm。4.根据权利要求1所述，当温度为25℃，保持目标函数包含1.540um、1...

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