本發(fā)明屬于晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種產(chǎn)生非共線三波長激光的二維準(zhǔn)周期光學(xué)超晶格結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

在非線性光學(xué)中，由于材料色散和高效的非線性過程通常需要補(bǔ)償參量光之間的相位失配。補(bǔ)償相位失配的方法有兩種：雙折射相位匹配和準(zhǔn)相位匹配。準(zhǔn)相位匹配是利用光學(xué)超晶格提供的倒格矢來補(bǔ)償入射光與參量光之間位相失配。利用準(zhǔn)相位匹配產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)叫做光學(xué)超晶格，一維周期光學(xué)超晶格通常提供一個倒格矢，參與一個非線性過程。在許多領(lǐng)域，如多輻射光源產(chǎn)生、多色光孤子、多糾纏光源等，需要多個非線性過程同時實現(xiàn)，而多個非線性過程需要更為復(fù)雜的光學(xué)超晶格結(jié)構(gòu)。二維周期光學(xué)超晶格和二維準(zhǔn)周期光學(xué)超晶格由于提供豐富的倒格矢用于相位匹配，可用于實現(xiàn)多個非線性過程。二維周期光學(xué)超晶格由于受到自由度的限制，無法實現(xiàn)透光波段內(nèi)任意波長的非線性過程，而二維準(zhǔn)周期光學(xué)超晶格設(shè)計更為靈活，不僅提供共線倒格矢，還可以提供非共線倒格矢，二維準(zhǔn)周期光學(xué)超晶格通常使用penrose拼砌的方法進(jìn)行設(shè)計，這種方法是由兩種平行四邊形拼砌而成，由于受到自由度的限制，無法實現(xiàn)任意非線性過程。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種產(chǎn)生非共線三波長激光的二維準(zhǔn)周期光學(xué)超晶格結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。而本發(fā)明利用廣義雙網(wǎng)格方法設(shè)計二維準(zhǔn)周期光學(xué)超晶格，這種方法允許倒格矢的大小和方向根據(jù)非線性過程進(jìn)行設(shè)計，易于實現(xiàn)任意波長的非線性過程，獲得非共線、多波長激光。該設(shè)計方法可以靈活適應(yīng)于任意頻率的變化，設(shè)計得到的二維準(zhǔn)周期光學(xué)超晶格可以實現(xiàn)非共線相互作用，獲得非共線激光輸出，不需要復(fù)雜的分光器件，為量子光學(xué)等領(lǐng)域提供了更多便利。非共線相互作用使得頻率上轉(zhuǎn)換的溫度帶寬增加，所以在帶寬控制方面為非線性過程提供了更大的靈活性。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種產(chǎn)生非共線三波長激光的二維準(zhǔn)周期光學(xué)超晶格結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，包括如下步驟：

1)確定兩個基波光源，將兩個基波光源在產(chǎn)生非共線三波長激光過程中發(fā)生的三個非線性過程中的波矢失配量作為二維準(zhǔn)周期光學(xué)超晶格在倒空間的三個倒格矢g1,g2,g3，三個倒格矢的大小和方向根據(jù)倒格矢的傅里葉系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，它們在x、y兩個方向上的分量為(g11,g12)，(g21,g22)，(g31,g32)，根據(jù)廣義雙網(wǎng)格方法，通過在倒空間增加三個第三維矢量qj＝(q1,q2,q3)，構(gòu)成三維空間的基矢量kj，kj可以寫成一個3×3矩陣如下

2)將步驟1)獲得的倒格矢經(jīng)過正交性關(guān)系得到正空間的三個三維基矢量，

其中是二維正空間的三個基矢量，是第三維正空間的基矢量；

由三個基矢量a1,a2,a3組成三種平行四邊形，三種平行四邊形以準(zhǔn)周期序列布滿整個正空間，平行四邊形的頂點作為二維準(zhǔn)周期光學(xué)超晶格圓形疇的中心，圓形疇的半徑根據(jù)倒格矢的傅里葉系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得二維準(zhǔn)周期光學(xué)超晶格。

進(jìn)一步的，步驟1)中，兩個基波光源包括第一基波光源和第二基波光源，所述三個非線性過程包括第一基波光源和第二基波光源的和頻過程、第一基波光源的倍頻過程和第二基波光源的倍頻過程。

更進(jìn)一步的，第一基波光源和第二基波光源的波長不同。

更進(jìn)一步的，所述基波光源為脈沖或連續(xù)的光源。

進(jìn)一步的，三個倒格矢與傅里葉系數(shù)和疇半徑的函數(shù)為：

其中k為常數(shù)，r為圓形疇半徑，j1為一階貝瑟爾函數(shù)，gj＝|gj|(j＝1,2,3)，ρ具體表示為：

其中，e是指數(shù)函數(shù)，i為虛數(shù)單位，q＝m1q1+m2q2+m3q3，m1，m2，m3取整數(shù)，f＝f1b1+f2b2+f3b3，f1，f2，f3大于等于0小于1，b1、b2、b3由公式(2)決定，w是積分窗口，s是積分變量，v是由正空間基矢量組成的原胞體積。

為了獲取倒格矢的最佳傅里葉系數(shù)，需要通過數(shù)值計算程序優(yōu)化角度α，β，r，根據(jù)公式(3)通過改變α(g1的角度)，β(g2的角度)，r來尋找其最佳傅里葉系數(shù)gj，當(dāng)傅里葉系數(shù)gj達(dá)到最大值時，α，β，r被確定。

進(jìn)一步的，步驟2)中，三種平行四邊形以廣義雙網(wǎng)格的排列方法準(zhǔn)周期地布滿正空間。

進(jìn)一步的，所述二維準(zhǔn)周期光學(xué)超晶格的基質(zhì)材料為同成分鈮酸鋰(從同成分熔體中生長，即鋰與鈮的摩爾數(shù)之比為[li]/[nb]＝48.5/51.5)、同成分鉭酸鋰、化學(xué)計量比鈮酸鋰(鋰與鈮的摩爾數(shù)之比為1:1)、化學(xué)計量比鉭酸鋰、摻mgo的鈮酸鋰、摻mgo的鉭酸鋰、磷酸鈦氧鉀晶體ktp和磷酸鈦氧銣晶體rtp。

上述設(shè)計方法在設(shè)計能產(chǎn)生非共線三波長激光的二維準(zhǔn)周期光學(xué)超晶格結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

上述設(shè)計方法設(shè)計得到的二維準(zhǔn)周期光學(xué)超晶格，該光學(xué)超晶格可以將雙波長基波光源進(jìn)行分光，得到非共線三波長的激光。

一種產(chǎn)生非共線三波長激光的分光系統(tǒng)，包括雙波長基波光源和上述二維準(zhǔn)周期光學(xué)超晶格，雙波長基波光源將雙波長的光入射到二維準(zhǔn)周期光學(xué)超晶格的一個面，在二維準(zhǔn)周期光學(xué)超晶格的相對面產(chǎn)生非共線三波長的激光。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明利用二維準(zhǔn)周期光學(xué)超晶格實現(xiàn)非共線的三波長激光，不需要復(fù)雜的分光器件，這為量子光學(xué)等領(lǐng)域提供了更多便利。

2、本發(fā)明為任意頻率變換提供了更靈活的方法。

3、本發(fā)明所獲得的激光溫度帶寬比一維周期光學(xué)超晶格的帶寬要寬，因此在帶寬控制方面為非線性過程提供了更多的靈活性。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進(jìn)一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當(dāng)限定。

圖1為和頻和兩個倍頻過程的倒空間波矢匹配圖；

圖2為雙基波光入射時設(shè)計的二維準(zhǔn)周期光學(xué)超晶格；

圖3為非共線、多波長激光的光路示意圖。

具體實施方式

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對本申請?zhí)峁┻M(jìn)一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

一種同時實現(xiàn)三個非線性過程，獲得非共線、三波長激光的二維準(zhǔn)周期光學(xué)超晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，所用實物包括基波光源，二維準(zhǔn)周期光學(xué)超晶格。

所述的基波光源為脈沖或連續(xù)的光源，基波光源是雙波長激光。

所述的二維準(zhǔn)周期光學(xué)超晶格根據(jù)以下幾個步驟進(jìn)行設(shè)計，步驟1：基波光源是雙波長激光，分別為基波光源1、基波光源2，非線性過程為基波光源1與基波光源2的和頻、基波光源1的倍頻、基波光源2的倍頻，其中和頻過程為共線過程，倍頻為非共線過程。

步驟2：步驟1中的三個非線性過程中的波矢失配作為二維準(zhǔn)周期光學(xué)超晶格在倒空間的三個倒格矢，其大小和方向根據(jù)倒格矢的傅里葉系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

步驟3：由步驟2獲得的倒格矢經(jīng)過正交性關(guān)系得到正空間的三個基矢量，由三個基矢量組成三種平行四邊形，三種平行四邊形以準(zhǔn)周期序列布滿整個正空間，平行四邊形的頂點作為二維準(zhǔn)周期光學(xué)超晶格圓形疇的中心，圓形疇的半徑可以根據(jù)倒格矢的傅里葉系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，由此獲得二維準(zhǔn)周期光學(xué)超晶格。

步驟4：當(dāng)步驟1的基波光源入射到步驟3的二維準(zhǔn)周期光學(xué)超晶格上時，經(jīng)過超晶格后的光包括和頻光、基波光1的倍頻光和基波光2的倍頻光，由此獲得非共線、多波長激光。

所述二維準(zhǔn)周期光學(xué)超晶格的基質(zhì)材料包括同成分litao3、同成分linbo3、化學(xué)計量比litao3、化學(xué)計量比linbo3、摻mgo的鈮酸鋰、摻mgo的鉭酸鋰、磷酸鈦氧鉀晶體ktp和磷酸鈦氧銣晶體rtp。

進(jìn)一步的，三個非線性過程為和頻和兩個倍頻，過程一為基波光源1與基波光源2的和頻，為共線過程，過程二、三為基波光源1、基波光源2分別倍頻，為非共線過程。三個非線性過程中的波矢失配量為g1,g2,g3，這三個波矢失配量作為二維準(zhǔn)周期光學(xué)超晶格的倒格矢，它們是二維倒空間的矢量，其大小由非線性過程決定，方向由結(jié)構(gòu)的最佳傅里葉系數(shù)決定，它們在x、y兩個方向上的分量為(g11,g12),(g21,g22),(g31,g32)。圖1為非線性變換過程中的倒空間波矢匹配圖，其中，矢量k1,k2,ky,kg,kr分別為基波光1、基波光2、基波光1與2的和頻光、基波光1的倍頻光、基波光2的倍頻光的倒格矢，g2與k1的夾角為α，g3與k2的夾角為β。根據(jù)廣義雙網(wǎng)格方法，通過在倒空間增加三個第三維矢量qj＝(q1,q2,q3)，構(gòu)成三維倒空間的基矢量kj，kj可以寫成一個3×3矩陣如下：

同樣的，在正空間中存在三維基矢量可表示為

其中是二維正空間的三個基矢量，是第三維正空間的基矢量。

傅里葉系數(shù)gj是倒格矢與疇半徑的函數(shù)，由公式(7)決定。

其中k為常數(shù)，r為圓形疇半徑，j1為一階貝瑟爾函數(shù)，gj＝|gj|(j＝1,2,3)，ρ具體表示為：

其中，q＝m1q1+m2q2+m3q3，m1，m2，m3取整數(shù)，f＝f1b1+f2b2+f3b3，f1，f2，f3大于等于0小于1，w是積分窗口，s是積分變量，v是由正空間基矢量組成的原胞體積。

為了獲取倒格矢的最佳傅里葉系數(shù)，需要通過數(shù)值計算程序優(yōu)化角度α，β，r，根據(jù)公式(7)通過改變α(g1的角度)，β(g2的角度)，r來尋找其最佳傅里葉系數(shù)gj，當(dāng)傅里葉系數(shù)gj達(dá)到最大值時，α，β，r被確定。g1,g2,g3的大小方向確定后，根據(jù)正交性關(guān)系獲得二維正空間基矢量a1,a2,a3，三個基矢量組成三種平行四邊形，根據(jù)廣義雙網(wǎng)格的排列方法準(zhǔn)周期的布滿正空間，平行四邊形的頂點作為圓形疇的中心，如圖2所示。

當(dāng)基波光源入射到圖2所示的二維準(zhǔn)周期光學(xué)超晶格，經(jīng)過超晶格后的光包括和頻光、基波光1的倍頻光和基波光2的倍頻光，由此獲得三波長激光。

以上所述僅為本申請的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本申請，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請的保護(hù)范圍之內(nèi)。