QPM準(zhǔn)相位匹配技術(shù)，非線性晶體中實(shí)現(xiàn)高效波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，PPLN

QPM準(zhǔn)相位匹配技術(shù)是PPLN晶體等非線性晶體能夠?qū)崿F(xiàn)高效波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，通過不同的QPM準(zhǔn)相位匹配配置，可以應(yīng)用在SHG二次諧波產(chǎn)生，OPO光學(xué)參量震蕩等等應(yīng)用。這些QPM準(zhǔn)相位匹配配置在低功率高效率的可見光和中紅外生成、量子光學(xué)中的糾纏光子對(duì)生成以及紅外單光子傳感等應(yīng)用中表現(xiàn)出色。希望通過下文簡(jiǎn)單的介紹讓您對(duì)非線性晶體的QPM準(zhǔn)相位匹配配置有一個(gè)初步的了解。

準(zhǔn)相位匹配（QPM）憑借其在非線性材料中工程相位匹配條件的獨(dú)特能力，能夠超越傳統(tǒng)雙折射相位匹配（BPM）所能實(shí)現(xiàn)的各種應(yīng)用。例如，在各種波混合配置下，在選定的非線性材料的全透明范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，針對(duì)不同應(yīng)用設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)不同的QPM準(zhǔn)相位匹配配置以及通過基于QPM的波導(dǎo)提高轉(zhuǎn)換效率。這些QPM準(zhǔn)相位匹配配置在低功率高效率的可見光和中紅外生成、量子光學(xué)中的糾纏光子對(duì)生成以及紅外單光子傳感等應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

QPM準(zhǔn)相位匹配（Quasi-Phase Matching）是一種通過周期性反轉(zhuǎn)非線性材料的極化方向來實(shí)現(xiàn)相位匹配的技術(shù)。與傳統(tǒng)雙折射相位匹配（BPM）相比，QPM能夠充分利用非線性材料的全透明波長(zhǎng)范圍（例如PPLN的350nm~5000nm），并使用最高的非線性系數(shù)（如PPLN晶體的d??=25.3pm/V），從而實(shí)現(xiàn)高效波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。

由于空間走離問題一般不會(huì)發(fā)生在QPM準(zhǔn)相位匹配配置中，如果需要，也可以使用更大的晶體的長(zhǎng)度進(jìn)行效率優(yōu)化（50mm的PPLN是常用的長(zhǎng)度，但是如果有需要，也可以使用80mm長(zhǎng)度的PPLN）。這使得能夠通過不同的混波配置進(jìn)行有效的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用優(yōu)化。圖1中示出了混頻配置（SHG/SFG/DFG/OPA/OPG/OPO）的示例。

圖1

通過設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)南辔黄ヅ渲芷冢琎PM準(zhǔn)相位匹配技術(shù)還將允許特定類型的波混合，例如用于用戶特定應(yīng)用要求的Type 0、Type I和Type II，如圖2所示。利用QPM，對(duì)于所選擇的QPM非線性晶體材料，可以實(shí)現(xiàn)所有上述類型，因?yàn)榭梢栽O(shè)計(jì)混合波之間的相位匹配條件：

-在Type 0過程中，兩個(gè)具有異常極化（extraordinary polarization）的光子會(huì)結(jié)合生成一個(gè)新的具有異常極化的光子。

-在Type I過程中，兩個(gè)具有普通極化（ordinary polarization）的光子會(huì)結(jié)合生成一個(gè)新的具有異常極化的光子。

-在Type II過程中，兩個(gè)具有正交極化（一個(gè)普通極化和一個(gè)異常極化）的光子會(huì)結(jié)合生成一個(gè)新的具有普通極化的光子。

圖2

從實(shí)際的應(yīng)用考慮，利用QPM準(zhǔn)相位匹配技術(shù)進(jìn)行效率優(yōu)化有幾種基本的QPM準(zhǔn)相位匹配配置，單程通過體塊配置，單程通過波導(dǎo)配置，腔體配置（如OPO）和脈沖配置。

QPM準(zhǔn)相位匹配技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高效的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，還支持多種特殊周期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如級(jí)聯(lián)、扇形和定制化配置。這些設(shè)計(jì)為光譜工程和連續(xù)波長(zhǎng)調(diào)諧提供了靈活性，進(jìn)一步擴(kuò)展了QPM技術(shù)的應(yīng)用范圍。圖3展示了不同的QPM準(zhǔn)相位匹配配置，如均勻（單一）周期QPM配置，多周期QPM配置（可調(diào)諧），扇形分布QPM配置（連續(xù)可調(diào)諧），啁啾QPM配置（頻譜工程）和級(jí)聯(lián)QPM配置（SHG+SFG/DFG）。

圖3

由于QPM具有沿所需晶體取向沿著設(shè)計(jì)相位匹配條件的能力，因此還允許在所選周期性極化材料中制造波導(dǎo)的可行性，通過在周期性極化材料中制造波導(dǎo)，QPM技術(shù)能夠?qū)⒕w效率提升2到3個(gè)數(shù)量級(jí)，比常規(guī)的非線性晶體的效率高，因此能夠?qū)崿F(xiàn)超出相同類型塊體材料所能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用的幾種應(yīng)用。這些QPM準(zhǔn)相位匹配配置在低功率高效率的可見光和中紅外生成、量子光學(xué)中的糾纏光子對(duì)生成以及紅外單光子傳感等應(yīng)用中表現(xiàn)出色。準(zhǔn)相位匹配（QPM）體塊器件在高功率和大孔徑應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢(shì)，而QPM波導(dǎo)（Waveguide, WG）則可以通過在長(zhǎng)傳播距離內(nèi)緊密限制激光強(qiáng)度，進(jìn)一步提高非線性波混頻效率，如圖4所示的QPM體塊器件和QPM波導(dǎo)器件的比較。

圖4

準(zhǔn)相位匹配（Quasi-Phase Matching, QPM）憑借其在非線性材料中設(shè)計(jì)相位匹配條件的獨(dú)特能力，使得我們能夠充分利用光子的全維度特性（波長(zhǎng)維度從紫外到中紅外/太赫茲，時(shí)間維度從連續(xù)波到皮秒/飛秒/阿秒，能量維度從單光子到極高光子數(shù)（瓦級(jí)及以上）），尤其是在選定的非線性材料（如周期性極化鈮酸鋰，PPLN）中。如圖5所示，PPLN的全光譜能力，結(jié)合其他互補(bǔ)光子學(xué)技術(shù)（如DPSS-二極管泵浦固態(tài)激光器和光纖激光器、傳感器和光譜儀、其他波長(zhǎng)管理技術(shù)等），將為多種重要應(yīng)用領(lǐng)域做出關(guān)鍵貢獻(xiàn)。

相關(guān)產(chǎn)品：PPLN晶體

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