[发明专利]具有偏振无关光参量放大特性的矢量光束放大与产生器件

说明书

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，具体涉及周期极化铌酸锂（PPLN）超晶格中的电光相互作用、光参量放大作用，以及基于这两种作用的一种新型的具有偏振无关光参量放大特性的矢量光束放大与产生器件。具体而言，是一种通过结合电光效应和光参量放大，使对应光波的偏振方向发生旋转、能量得到放大，最终实现任意偏振的信号光均可光参量放大的器件，可以用来解决复杂偏振态如矢量光束等的放大问题。

背景技术

周期极化铌酸锂（PPLN）在非线性光学、电光效应（EO）、压电效应等领域获得了广泛的应用。由于其周期铁电畴结构，PPLN呈现出许多独特的性质比如准位相匹配（QPM）频率转换，偏振旋转,声子极化激发等。最近的研究趋势已经向考察多种过程的相互耦合作用转变。比如，结合非线性光学和电光效应的快速响应光参量振荡（OPO）已经被理论和实验上证实。但是，大多数非线性和其他耦合过程呈现出偏振相关，只有特定偏振入射的光波才能实现频率转化。此问题来源于一些物理本质，比如，利用非线性系数d₃₃决定了只能是z方向偏振的信号光才可以实现频率转化的QPM过程。但是如果二阶非线性过程能够实现偏振无关，那将具有良好的前景和广泛应用。

具体来说，位相匹配是实现这一过程的关键因素。在利用非线性晶体的光参量放大效应中，由于存在色散，如果不采取位相匹配措施，其转换效率将是很低的。为了提高转换效率，必须使转换过程满足一定的位相匹配条件。过去，通常采用双折射位相匹配（BPM）的方法。但BPM技术本身有一些不可避免的缺陷，如晶体需要沿特殊方向切割、需要特定的工作温度、只能在一定波段范围内起补偿作用等。再者从物理上分析，BPM需要参与相互作用的光波具有不同的偏振方向，这样就只能利用晶体非线性系数中较小的系数，影响了频率转移的效率。为解决这一问题，1962年Bloembergen等就提出了非线性光学中的准位相匹配（QPM）概念。其主要思想是利用周期调制的正负畴结构产生的倒格矢来补偿能量交换光波之间的位相失配，准位相匹配技术由于其优良的性质，已经在铌酸锂（LN）、钽酸锂（LT）等材料中获得了广泛的应用。只需要根据入射光的波长，设计对应的周期结构，就可以快速实现一些在双折射体系中不容易实现的特性，正是因为其具有BPM不可比拟的特性，才在非线性光学领域获得了长足的发展和广泛的应用。

同样，矢量光束作为一种具有特殊偏振态的光束在时空演化以及和物质的相互作用中起重要作用，表现出不同于标量光束的一些新颖特性，因此矢量光束的研究有重要的科学价值和应用意义。比如，由于径向偏振光完美的轴对称分布，使得它与线偏振光和圆偏振光相比有着许多显著不同的特性。如径向偏振光具有沿光轴对称的电场分布以及中空的圆环型光束结构；它们在c切向晶体中传播时，不会发生串扰；径向偏振光在高数值孔径透镜聚焦时可以产生超越衍射极限的极小得焦点，比线偏振光和圆偏振光的聚焦点小得多，而且焦点区域的纵向电场变得非常强。可以应用在引导和捕捉粒子引、粒子加速、提高显微镜的分辨率、金属切割、以及提高存储密度等方面。随着人们矢量光束的不断认识，它将在越来越多的方面得到应用。

参考文献如下：

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