【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学非线性频率变换领域，具体涉及一种光学超晶格结构设计方法。
技术介绍
1、光学非线性频率变换，例如倍频、光参量放大等技术广泛应用于工业、国防等领域。在非线性频率变换过程中，一般需要采用位相匹配技术，用来补偿动量失配，例如双折射位相匹配(bpm)、准位相匹配(qpm)等。准位相匹配最早由bloembergen在1962年提出，最初的形式是采用周期排列反转的畴结构来补偿三波位相失配。在上世纪80年代，周期排列的畴结构被拓展为介电体超晶格概念，出现了准周期超晶格的多重准位相匹配理论，并采用准周期超晶格实现了红绿蓝三色激光产生。后来，诸如扇形、弧形、二维阵列甚至三维超晶格结构均被提出并实现。
2、准位相匹配的基本原理是将非线性晶体的光轴按照相反方向周期排列，从而形成非线性系数的正负调制。以最基本的铌酸锂晶体的倍频过程为例，1064nm的基波光倍频为532nm，需要的周期大小约为λ＝7μm，也就是，通过室温电场极化方法，每隔约3.5μm将铌酸锂晶体的z轴反转，形成d33变为-d33的周期性变化，从而在倒格矢空间产生1/λ的空间频率分量。
3、根据傅里叶变换原理，这种+1、-1的调制不仅会在1/λ处产生倒格矢，还会产生高阶倒格矢，例如3/λ、5/λ等。而如果将非线性系数的大小可以任意调制，例如调制成为正弦或者余弦曲线χ(x)＝cos(2πx/λ)，则仅会产生±1/λ倒格矢。但是，受到制作工艺的限制，目前还无法将非线性系数χ的大小任意调制，因此高阶和杂散的倒格矢不可避免。
技
1、本专利技术目的：在于提供一种光学超晶格结构设计方法，解决非线性系数χ的大小调制问题，产生可任意设计的倒格矢，消除高阶和杂散倒格矢。
2、为实现以上功能，本专利技术设计一种光学超晶格结构设计方法，执行如下步骤s1-步骤s3，完成超晶格极化图案的设计：
3、步骤s1：建立xyz空间坐标系，并确定倒空间所需的倒格矢大小、数量；
4、步骤s2：根据倒空间所需的倒格矢大小、数量，通过傅里叶变换方法，将倒格矢变换到实空间，确定目标超晶格极化图案的表达式，获得该表达式对应的曲线，设计目标超晶格极化图案在y轴方向的图形，并获得相应的非线性系数；
5、步骤s3：将步骤s2所获得的图形，经过上下反转和拼接，形成目标超晶格极化图案在一个极化周期内的基本单元图形，将基本单元图形进行重复排列，形成目标超晶格极化图案。
6、作为本专利技术的一种优选技术方案：步骤s1的具体步骤如下：
7、步骤s1.1：定义以激光传输方向为x轴正方向，以x轴方向相垂直方向为y轴方向，并构成xoy面，z轴与xoy面相垂直，超晶格极化图案由极化反转区域和不反转区域构成，以极化反转区域为z轴正方向，以不反转区域为z轴负方向；
8、步骤s1.2：倒格矢的表达式如下式：
9、
10、式中，f(x,y)＝±1表示空间图案，f(u,v)表示空间图案对应的倒格矢，x为x轴方向坐标，y为y轴方向坐标，u为x轴方向对应的空间频率，v为y轴方向对应的空间频率，i为虚数单位；
11、步骤s1.3：使v＝0，将倒格矢的表达式变为下式：
12、
13、式中，f(u)表示倒格矢。
14、作为本专利技术的一种优选技术方案：步骤s2的具体步骤如下：
15、步骤s2.1：将空间图案在y轴方向的积分表示为下式：
16、
17、式中，χ(x)为非线性系数，f(x,y)表示空间图案，x为x轴方向坐标，y为y轴方向坐标；
18、步骤s2.2：将倒格矢表示为下式：
19、
20、式中，u为x轴方向对应的空间频率，v为y轴方向对应的空间频率，i为虚数单位，f(u)表示倒格矢。
21、作为本专利技术的一种优选技术方案：目标超晶格极化图案需要一个倒格矢，倒格矢大小为1/λ，则将超晶格极化图案表示为下式：
22、
23、式中，a为超晶格极化图案在y轴方向上的周期宽度，x为x轴方向坐标，λ为极化周期；
24、针对上式对y求积分，获得超晶格极化图案包含一个倒格矢时的非线性系数如下式：
25、
26、式中，将极化反转区域的非线性系数记为-χ0，不反转区域的非线性系数记为+χ0。
27、作为本专利技术的一种优选技术方案：超晶格极化图案需要两个倒格矢，倒格矢大小分别为1/λ1、1/λ2，则非线性系数如下式：
28、
29、式中，将极化反转区域的非线性系数记为-χ0，不反转区域的非线性系数记为+χ0，λ1、λ2为极化周期，x为x轴方向坐标。
30、作为本专利技术的一种优选技术方案：超晶格极化图案需要任意形状倒格矢，其非线性系数如下式：
31、
32、式中，t为倒格矢宽度，λ为极化周期，x为x轴方向坐标；该超晶格极化图案表示为下式：
33、
34、式中，δ为非线性系数χ(x)的最大值与最小值之差。
35、有益效果：相对于现有技术，本专利技术的优点包括：
36、本专利技术设计了一种光学超晶格结构设计方法，采用超晶格结构设计补偿非线性频率变换位中的位相失配。其基本方案是采用傅里叶变换方法，将倒格矢变换到实空间，然后再采用横向图形的变化实现该倒格矢，以实现非线性系数χ的大小任意调制，产生可任意设计的倒格矢，消除高阶和杂散倒格矢。
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1.一种光学超晶格结构设计方法，其特征在于，执行如下步骤S1-步骤S3，完成超晶格极化图案的设计：
2.根据权利要求1所述的一种光学超晶格结构设计方法，其特征在于，步骤S1的具体步骤如下：
3.根据权利要求1所述的一种光学超晶格结构设计方法，其特征在于，步骤S2的具体步骤如下：
4.根据权利要求1所述的一种光学超晶格结构设计方法，其特征在于，目标超晶格极化图案需要一个倒格矢，倒格矢大小为1/Λ，则将超晶格极化图案表示为下式：
5.根据权利要求1所述的一种光学超晶格结构设计方法，其特征在于，超晶格极化图案需要两个倒格矢，倒格矢大小分别为1/Λ1、1/Λ2，则非线性系数如下式：
6.根据权利要求1所述的一种光学超晶格结构设计方法，其特征在于，超晶格极化图案需要任意形状倒格矢，其非线性系数如下式：
【技术特征摘要】
1.一种光学超晶格结构设计方法，其特征在于，执行如下步骤s1-步骤s3，完成超晶格极化图案的设计：
2.根据权利要求1所述的一种光学超晶格结构设计方法，其特征在于，步骤s1的具体步骤如下：
3.根据权利要求1所述的一种光学超晶格结构设计方法，其特征在于，步骤s2的具体步骤如下：
4.根据权利要求1所述的一种光学超晶格结构设计方法，其特征在于，...
【专利技术属性】
技术研发人员：尹志军，崔国新，包晓清，叶志霖，汤济，许家荣，沈厚军，成钊宇，吕新杰，许启诚，
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：
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