基于非周期超晶格材料的多光参量振荡器及其耦合调控技术研究

Multi optical parametric oscillator is an efficient method to achieve multi-wavelength synchronous and tunable in the same spectral region, which also is the frontier topic of laser research. Because of the defects of multi optical parametric oscillator technology at present, we propose a new method based on aperiodic superlattice materials to achieve multi optical parametric oscillator synchronously. With reasonably disorganizing periodcally domain reversal structure of superlattice materials, many reciprocal lattice vectors are formed. Each of the reciprocal lattice vectors matches one parametric oscillator which also matches several quasi-phase matching processes. With multiple quasi-phases matching, we focused on high precision of real-time regulation and inhibition of back conversion in the complex multi optical parametric oscillator coupling process. According to the characteristics of the second order electro-optic effect in superlattice material, with the external electric field outside the aperiodic superlattice material, the polarization spindle position of single domain and corresponding domain refractive index were changed when the applied voltage changed. Consequently, transfer energy in each flow direction of parameter changed, which also changed normal energy-transmitted rule between pumped light and parametric light. By optimizing the relation between voltage values and energy distribution in parameters, parametric gains in the multi optical parametric oscillator coupling process can be effectively controlled. Because the external electric field can be easily controlled, this brand new regulation mechanism has the advantages of high regulation velocity and high precision.

多光参量振荡是实现同光谱区域激光多波长同步可调谐的有效途径，该方向的研究是激光领域的前沿课题。本项目针对目前多光参量振荡技术中的缺陷，提出一种基于非周期超晶格材料实现多光参量振荡同步运转的新方法，通过合理的打乱超晶格材料周期性畴反转结构，形成多个倒格矢，使每个倒格矢对应一种参量振荡，从而同时满足多个准相位匹配过程。以此多重准相位匹配为技术依托，进一步着眼于多光参量复杂耦合过程的高精度实时调控及逆转换抑制，根据超晶格材料具有的二阶电光效应特性，在非周期超晶格材料外部加载电场，通过施加电压的适时变化，实时改变单元畴的极化主轴位置及相应畴区域的折射率，进而引起传输能量在各参量间流向的变化，改变正常的泵浦光与参量光之间的能量传递规律，通过优化电压值与参量间能量分布的关系，实现多光参量耦合过程参量增益间的有效调控。由于外加电场的可控性极强，所以这种全新的调控机制具有调控速率快、精度高的特点。

准相位匹配技术的普及应用极大地推动了光学参量振荡器的研究进展，随着研究的深入与细化，单一的光参量变频不再是唯一的研究方向，同时，与准相位匹配技术相辅相成的超晶格材料也不仅仅局限于常规形态，极化结构已由一维平面推广至二维空间，周期分布也已由传统单周期线性排列拓展至准周期、非周期等复杂分布形式，这些变化表明充分利用超晶格材料结构设计上自由度可灵活把控的突出特点，探索结构变化所带来的全新物理规律，继续拓宽准相位匹配技术的应用范畴，将是未来基于准相位匹配技术光学参量振荡器的重点研究课题。传统意义上准相位匹配光学参量振荡器的工作原理是利用超晶格材料的混频特性将一个泵浦光子同时转换为一个信号光子和一个闲频光子，形成一对参量光振荡及输出，但这对参量光通常不能同时存在于一个光谱区域。随着科技水平的进步，单波长可调谐的QPM-OPO已难于满足一些前沿技术科学研究的需求，一种可在同谱区实现多波长同步调谐的激光光源已成为当前激光领域急待深入研究的前沿课题。将传统QPM-OPO单对参量光子振荡的形式拓展到多对参量光子在腔中同时形成振荡，即多光参量振荡器，不失为获得多波长同步调谐激光的有效途径，因此，开展基于超晶格材料的多光参量振荡器研究具有重要的科学意义和广阔的应用前景。国内外采用多晶体串接、周期级联、单周期二次泵浦三种实现多光参量振荡及输出的方法都存在一定的技术局限性，准相位匹配技术与超晶格材料特有的结构设计灵活性、便于集成化并未能同时兼顾。本课题鉴于上述问题，以突破目前的技术局限、探索研究全新运转体制下的多光参量振荡器为目的，在一年的时间内主要开展了基于多重准相位匹配非周期超晶格多光参量振荡器的研究工作，借鉴模拟退火优化算法结合局部自调整，实现了快速、精确的非周期超晶格极化结构设计，成功设计并制备成型能够提供1.57μm信号光、3.3μm闲频光和1.47μm信号光、3.84μm闲频光两个倒格矢的MgO:APLN，并通过实验予以了验证，最终获得了1.3W混频双参量光输出，这一研究成果极大拓宽了解决多光参量振荡器所涉及关键物理问题方面的研究思路，对于多光参量振荡器的深入发展具有重要意义。