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非周期极化晶体的优化设计及准相位匹配内腔倍频的实验研究

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非周期极化晶体的优化设计及准相位匹配内腔倍频的实验研究

作者：纪峰天津大学

学位级别：硕士

本论文主要对基于模拟退火算法的非周期极化晶体的设计进行了一些优化和改进,并对准相位匹配内腔倍频进行了相应的实验研究。准相位匹配（QPM）非线性光学频率变换以其特有的转换效率高的优点,获得了日益广泛的应用。特别是20世纪90年... 详细信息

本论文主要对基于模拟退火算法的非周期极化晶体的设计进行了一些优化和改进,并对准相位匹配内腔倍频进行了相应的实验研究。准相位匹配（QPM）非线性光学频率变换以其特有的转换效率高的优点,获得了日益广泛的应用。特别是20世纪90年代以来,随着制作周期极化晶体的外加电场极化法的发展与成熟,逐渐成为非线性光学的研究热点。准相位匹配技术的发展趋势是充分利用QPM允许人为设计周期结构这一优势,实现更为灵活的晶体结构。只要能够设计并制作出相应结构的晶体,原则上就可实现任意的二个或多个非线性频率变换过程的耦合输出,从而获得高次谐波、可调谐波长、多波长相干光的高效输出,这对于减少波长转换环节,简化光学系统的体积有非常大的优势。全固态内腔倍频绿光激光器通过高效率的腔内倍频获得绿光输出,结构紧凑,转换效率高,是获得绿光的主要器件之一,本文同时报道了准相位匹配内腔倍频的实验研究。在本论文中,主要创新之处有:1.利用模拟退火算法实现非周期结构的设计,对于波长相近的多光波倍频和多信号光波参量过程通过合适的参数选取,给出了更优结果。2.指出非周期结构的设计中利用倍频效率转换公式及利用参量放大的增益公式设计结果的相通性,指出在目标函数中利用前者代替后者可节省大量的计算时间。3.通过目标函数的合理选取实现了频率上转换与频率下转换的耦合输出。4.报道了光光转换效率达19%的PP-MgO: SLT内腔倍频实验,晶体尺寸为20×10×1mm,泵浦功率为11W时,获得了最高连续绿光输出2.1W。

关键词：准相位匹配非周期极化晶体多波长倍频周期化学计量比掺氧化镁钽酸锂内腔倍频允许温度

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非周期极化铌酸锂晶体宽带倍频的理论研究

激光与光电子学进展 2017年第4期54卷 289-295页

作者：蒋建张建东王凯肖璇张祖兴南京邮电大学光电工程学院先进光子技术实验室江苏南京210023

宽带准相位匹配(QPM)在多波长和超短脉冲倍频等领域有着广泛应用。分析了铌酸锂晶体的准相位匹配和群速度匹配条件,利用遗传算法,对非周期极化铌酸锂(APPLN)晶体的结构进行优化设计,并提出了一种通过适当调整基波的位置和数量来优化非... 详细信息

宽带准相位匹配(QPM)在多波长和超短脉冲倍频等领域有着广泛应用。分析了铌酸锂晶体的准相位匹配和群速度匹配条件,利用遗传算法,对非周期极化铌酸锂(APPLN)晶体的结构进行优化设计,并提出了一种通过适当调整基波的位置和数量来优化非周期极化铌酸锂晶体倍频带宽的设计方法。研究表明,对于0型(e+e→e)准相位匹配,在群速度匹配点附近,周期极化铌酸锂(PPLN)晶体倍频带宽为167nm,而非周期极化铌酸锂晶体最大倍频带宽可达440nm,带宽增加了273nm;I型(o+o→e)准相位匹配下,周期极化铌酸锂晶体在群速度匹配点附近的倍频带宽为59nm,而非周期极化铌酸锂晶体最大倍频带宽可达153nm,带宽增加了94nm。

关键词：非线性光学宽带倍频非周期极化晶体群速度匹配

面向超短脉冲激光加工的光学非线性准相位匹配晶体设计

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面向超短脉冲激光加工的光学非线性准相位匹配晶体设计

作者：郑子华东莞理工学院

学位级别：硕士

在超短脉冲激光加工中,不同波长的激光在材料中的吸收率是不同的。为了获得特定波长的激光,需要使用非线性光学技术将激光器的激光转换为其他波长的激光。准相位匹配（QPM）技术因其高转换效率、高光束质量等特性,在非线性波长转换中得... 详细信息

在超短脉冲激光加工中,不同波长的激光在材料中的吸收率是不同的。为了获得特定波长的激光,需要使用非线性光学技术将激光器的激光转换为其他波长的激光。准相位匹配（QPM）技术因其高转换效率、高光束质量等特性,在非线性波长转换中得到广泛的应用。近年来,系列新型的极化技术允许人们突破周期或啁啾极化的限制,使用灵活的非周期极化方案,设计出更高效的QPM晶体。同时,随着高功率超快激光技术的突飞猛进,在设计晶体时需要进一步考虑高功率频率变换中的各种高阶非微扰效应。在此背景下,本文将探索针对高功率超快激光,如何设计QPM晶体的极化周期,以实现高光学转换效率的耦合多过程非线性频率变换,得到窄脉宽、高峰值功率的飞秒脉冲激光。本文首先从麦克斯韦方程组开始,详细推导了非线性波动方程和描述二阶非线性频率变换的三波耦合方程,介绍了相位失配、准相位匹配等概念以及几种常见的准相位匹配晶体的特性,引入分步傅里叶方法求解三波耦合方程,为后续研究光场在非线性晶体中的演化以及设计最优的晶体极化模式奠定基础。本文提出使用非周期极化的晶体结合啁啾脉冲泵浦,以实现高功率飞秒掺镱（Yb）光纤激光器（1030nm波长）的高效三倍频转换,获得高功率的343nm紫外飞秒激光,为精密紫外加工提供高功率飞秒激光光源。模拟结果表明,对于啁啾脉冲输入,经过合理设计的非周期极化钽酸锂（APPLT）晶体的耦合三倍频效率明显高于传统的级联周期极化钽酸锂晶体,且输出的紫外脉冲可以实现有效压缩,体现了在复杂情景下使用APPLT晶体的优越性。本文还讨论了面向光参量振荡器的准相位匹配晶体的设计,以实现高效率频率下转换（产生近红外至中红外波长的激光）。本文提出了九波耦合方程以便更真实地研究高功率光参量振荡器腔内丰富的多光场相互作用,并利用动态搜索算法进行非周期极化铌酸锂（APPLN）晶体的设计与优化,获得了高达50.6%的信号光转换效率,高于传统的周期极化铌酸锂和啁啾极化铌酸锂,且输出的信号光场可以被色散补偿器件有效压缩。为了解决针对耦合三倍频的最优APPLN晶体搜索过程中计算量过大的问题,本文创新性地提出使用D-Wave超导量子计算机寻找最优的APPLN晶畴。本文将基于APPLN晶体的耦合三倍频转换效率映射为复数Ising模型,使用旋转-投影法将其转化为一系列的实数Ising模型,并使用超导量子计算进行求解。结果表明,应用超导量子计算机可以大大缩短晶体设计的计算时间,为APPLN的优化设计提供新的思路。本文还研究了更广泛的光谱范围内耦合三倍频晶体的最优转换效率,对不同波长下最优三倍频晶体的极化模式进行理论分析。结果表明,在整个计算光谱范围内,d曲线在Δk/Δk为整数时出现峰值。本文在数学上证明了最优APPLN在简并点（Δk=Δk）处退化为周期极化铌酸锂,并提出一种方法可以从已知的APPLN结构中重构出晶畴不同位置处的倍频与和频的极化权重曲线,并将搜索得到的最优APPLN的权重曲线与先前的近似公式进行比较。此外,本文还利用半定规划松弛方法估计了宽光谱范围内耦合三倍频d的理论上界。

关键词：非线性频率变换准相位匹配非周期极化晶体飞秒激光脉冲

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优化级联差频产生多频太赫兹波的研究

优化级联差频产生多频太赫兹波的研究

作者：焦彬哲华北水利水电大学

学位级别：硕士

太赫兹(THz)波在生物医学诊断、通信、农业食品检测、安检等方面具有广阔的应用场景和潜在的开发价值。由于缺乏微型高效的THz辐射源的产生装置,限制了THz波在各个方面的应用。近年来,借助准相位匹配(QPM)方法在周期极化晶体中产生THz... 详细信息

太赫兹(THz)波在生物医学诊断、通信、农业食品检测、安检等方面具有广阔的应用场景和潜在的开发价值。由于缺乏微型高效的THz辐射源的产生装置,限制了THz波在各个方面的应用。近年来,借助准相位匹配(QPM)方法在周期极化晶体中产生THz辐射源的方法受到了科研人员的广泛关注。本文从产生多频可调谐THz波的目的出发,设计了两种基于QPM技术和优化级联差频(OCDFG)技术产生THz波的方案,主要研究内容如下:(1)设计了一种通过OCDFG在非周期极化铌酸锂(APPLN)晶体中产生多频THz波的方案。两束差频光激励APPLN晶体经级联差频(CDFG)产生一系列级联光,相邻级联光的频率差为ωT1。通过优化设置APPLN晶体的极化波矢分布,使得产生频率为ωT1的THz波的各阶级联差频的相位失配从第一阶差频到高阶差频逐阶等于0,驱使级联光向更高阶的斯托克斯(Stokes)光转移,同时高效产生了频率为ωT1的THz波。同理,通过优化设置APPLN晶体的极化波矢分布,可以使得产生频率为M倍ωT1的THz波的各阶级联差频的相位失配从第一阶差频到高阶差频逐阶等于0,高效产生频率为M倍ωT1的THz波。(2)设计了一种基于OCDFG融合光学参量振荡技术高效产生THz波的方案。通过设计谐振腔参数,使得Stokes光在谐振腔内往返振荡,将低阶Stokes光子重复转化为高阶Stokes光子。通过APPLN晶体经OCDFG过程将低阶Stokes光子连续转化为高阶Stokes光子。结合上述重复和连续转移,高效产生THz波。经理论计算,当泵浦强度为300 MW/cm2时,300 K温度下THz波能量转换效率超过了 26%,100 K温度下THz波能量转换效率超过了 43%。

关键词：太赫兹波优化级联差频非周期极化晶体谐振腔