[发明专利]一种在光学超晶格中同时实现激光倍频和线聚集的方法

说明书

技术领域

本发明涉及非线性光学与超晶格材料技术的交叉领域，特别涉及一种在光学超晶格中同时实现激光倍频和线聚集的方法。

背景技术

在激光热处理、激光切割等实际应用中，经常需要线聚焦的光束。在线性光学中，通常利用轴棱锥来实现光束的线聚焦。轴棱锥将入射光束进行等倾弯折，通过光波的干涉效应抵消了衍射效应，使得产生的出射光束在一定距离内有近似衍射不变的特点，亦即光束的线聚焦。但由于轴棱锥是锥体结构，因此存在加工难度大、成本高等缺点，且无法实现激光的频率变换。

最近，有人从菲涅尔透镜得到启发，制作出了菲涅尔轴棱锥。相对于传统轴棱锥，菲涅尔轴棱锥可以由塑料压片制造，重量轻成本低，便于大量生产。虽然有成本低的优势，但由于原理上的固有缺陷，菲涅尔轴棱锥在干涉区域内会出现大量光强很低的“空洞”区，线聚焦光束质量没有传统轴棱锥高。

另一方面，在非线性光学中，基于准相位匹配原理设计的光学超晶格，能在特定的方向上同时完成激光的倍频、和频与差频等多种功能。不久前，南京大学的秦亦强等人进一步拓展了光学超晶格的功能，通过畴结构的设计实现了倍频波的点聚焦，用非线性光学的方法实现了线性光学中凸透镜的点聚焦功能。

利用准相位匹配原理设计光学超晶格，通过非线性光学的方法实现激光的线聚焦，一方面可以克服轴棱锥曲面加工复杂昂贵的缺点，通过成熟的光刻与极化工艺低成本地制作具有任意畴结构的光学超晶格；另一方面又可以克服菲涅尔轴棱锥有衍射空洞的缺点，线聚焦光束质量更加优良。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种集成化程度高、成本低的且在光学超晶格中同时实现激光倍频和线聚集的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，在光学超晶格中通过畴结构的设计，用准相位匹配的原理实现线性光学的目标，具体包括以下步骤：

(1)在超晶格中设计上下两部分周期相同的倾斜的畴结构，且以晶体通光方向为轴成对称分布；

(2)当基波垂直入射超晶格中，所述超晶格的上半部分会产生向下弯折的激光倍频波，下半部分会产生向上弯折的激光倍频波，且上半部分产生的激光倍频波和下半部分产生的激光倍频波的弯折角度相同，强度相同；这样在上半部分和下半部分的交叠区域就会产生类似于轴棱锥的线聚焦干涉图样；

(3)激光进入超晶格后，超晶格的畴结构提供的倒格矢可以补偿基波和激光倍频波之间的波矢失配，从而形成波矢匹配的三角形。

通过上述技术方案，在超晶格中设计上下两部分周期相同的倾斜畴结构(超晶格中的畴结构为周期性对称倾斜的树叶纹理状形态)，并以晶体通光方向为轴成对称分布；当基波垂直入射超晶格中，由于上下两部分畴结构具有不同方向的倒格矢，超晶格上半部分会产生向下弯折的倍频波，下半部分会产生向上弯折的倍频波，两部分激光的弯折角度相同，强度相同，这样在两者交叠的区域就会产生类似于轴棱锥的线聚焦干涉图样；激光进入超晶格后，由于基波和倍频波之间存在波矢失配，需要超晶格的畴结构提供的倒格矢来弥补，由于是非共线匹配，因此形成一个波矢匹配的三角形，即通过光学超晶格中周期性对称倾斜的畴结构，以畴结构的周期匹配激光的波长，以畴结构的倾斜角度调节线聚焦的长度，可以同时实现激光的倍频和线聚焦；不仅集成化程度高，而且可以有效地降低生产成本。

进一步的改进在于，所述步骤(3)中构成的波矢匹配的三角形，采用K₁和K₂分别表示基波和激光倍频波的波矢，G表示超晶格的畴结构提供的倒格矢，基波的波矢K₁和激光倍频波的波矢K₂与倒格矢G三者在准相位匹配的条件下形成一个闭合三角形。

进一步的改进在于，所述基波的传播方向和超晶格内激光倍频波传播方向、超晶格外激光倍频波传播方向所形成的夹角分别为α和θ。

进一步的改进在于，所述超晶格的畴结构的倾斜方向与超晶格畴结构提供的倒格矢G的方向垂直，所述超晶格的畴结构的倾斜方向与基波所形成的夹角为β。

进一步的改进在于，所述超晶格的畴结构的倾斜方向和水平方向的周期分别为Λ₁和Λ₂，倒矢格G与基波的波矢K₁和激光倍频波的波矢K₂的关系式为：