CN208283697U - 基于光伏光折变扩散管理孪晶的二次谐波产生装置 - Google Patents

Abstract

一种基于光伏光折变扩散管理孪晶的二次谐波产生装置，该光伏光折变扩散管理孪晶由两块相同材料的光伏光折变晶体沿一个公共晶面镜面对称耦合而成，该装置能够克服存在于单块光伏光折变晶体中的载流子扩散效应所引起的空间孤子光束大角度自偏转以及由孤子光束大角度自偏转所导致的基频光与二次谐波之间的相位失配，还可以保护二次谐波产生过程免受外界环境干扰并防止已产生的二次谐波泄漏到空气中，从而充分地提高二次谐波产生的转换效率。

Description

基于光伏光折变扩散管理孪晶的二次谐波产生装置

技术领域

本实用新型涉及光学二次谐波产生领域，具体涉及一种基于光伏光折变扩散管理孪晶的二次谐波产生装置。

背景技术

在光学领域中，二次谐波的产生是一种光学变频效应，已发展成为在相干光源产生中广泛使用的一种激光变频技术，可以用来获得新的激光光源。二次谐波的产生可扩展有限光源的波长范围，以满足工业、农业、国防、医疗和科学研究等各个应用领域对不同波长相干光源的实际需求，因此在扩展激光谱线覆盖范围技术方面，特别是在促进短波段激光技术发展上，发挥着重要的作用。

二次谐波的产生是由介质在基频光波电场作用下产生的二阶非线性电极化所引起的一种简并三波混频过程。其中，实现相位匹配是激发二次谐波的必要条件，决定了二次谐波的转换效率和光波质量。目前，业界实现相位匹配的常用方法为双折射相位匹配(Birefringent Phase Matched，简称BPM)和准相位匹配(Quasi-Phase Matched，简称QPM)。其中，双折射相位匹配是利用优良的单轴或双轴非线性晶体的双折射效应和色散特性，通过选择光波的波矢方向和偏振方向来改变基频光与二次谐波折射率的相对大小并使之满足相速度匹配，并通过调整光束在晶体入射面上的入射角来实现双折射相位匹配。然而，当采用该方法来实现相位匹配时，基频光和二次谐波在传输过程中会逐渐分离，从而使转换效率下降，这又称为走离效应。准相位匹配是通过对光学晶体的非线性极化率在一维空间上进行周期性调制来形成极化方向彼此相反的光栅结构，并利用周期为微米量级的光栅提供适当的附加波矢来补偿基频光与二次谐波之间的相位失配，准相位匹配不存在走离效应，可以获得较大的转换效率。但是，由于制作周期极化晶体的工艺非常复杂且难以得到大尺寸的极化晶体，使得利用准相位匹配激发二次谐波的成本较高且较难达到高转换效率。

由于二次谐波的转换效率会随着基频光强度的增加而增加，所以若将基频光经聚焦后射入晶体则可以提高二次谐波的转换效率。但是，当利用双折射相位匹配和准相位匹配在块状的体材料中产生二次谐波时，若经聚焦后的入射光束的宽度较窄，则光束会在衍射效应的作用下很快发散展宽，这将导致基频光和二次谐波的相位很快失配，从而极大地降低二次谐波的转换效率。这个问题可以采用将相互作用的光波限制在波导中传播的方法来解决。光波导是由折射率较低介质包裹折射率较高介质而形成的结构，利用光的全反射原理将光限制在微米量级的区域内传输。光波导包含固化波导和柔性波导两种类型。其中，固化波导是利用离子注入、质子交换和飞秒激光写入等技术在光学晶体、玻璃、半导体和有机聚合物等光学材料中制作出的光波导结构。固化波导的结构是固定的，一旦制成就不能进行更改擦除，这使得固化波导的结构参数不能被调控。而柔性波导是利用光束在光折变材料中诱导出的光感应折射率波导结构。由于通过改变诱导光束的强度轮廓和功率可以调节光感应折射率波导的结构且光感应折射率波导可被重复擦除和写入，因此由光束所诱导出的柔性波导的结构参数可以被灵活调控。

在实际应用中，用来诱导出柔性波导的光束要具有不发生衍射展宽的特性，因此用来诱导出柔性波导的光束的最佳选择是采用光折变空间孤子。光折变空间孤子的产生是源于衍射效应引起的展宽被光折变非线性效应引起的约束作用严格补偿的结果。目前已发现了三种稳态光折变空间孤子：屏蔽孤子、光伏孤子和屏蔽光伏孤子；其中，屏蔽孤子存在于有外加电场的非光伏光折变晶体中，光伏孤子存在于无外加电场的光伏光折变晶体中，屏蔽光伏孤子存在于有外加电场的光伏光折变晶体中。一束折射率敏感波长的光在光折变晶体中形成空间孤子的同时便在晶体内部写入了柔性光波导，该波导可以用来引导另一束非折射率敏感波长的光。利用光折变空间孤子诱导出的柔性光波导不仅可以实现用一束弱光引导一束强光，还可以实现二次谐波的高效产生。在实际应用中，亮光折变空间孤子因其具有类似于聚焦光斑的光强分布特性(即光强在孤子中心处最大而在远离孤子中心的地方为零的分布特性)而特别适用于需要强非线性光学效应的二次谐波产生。

在波导中产生二次谐波的优势是波导的约束作用可使光束能量集中，这将容易激发强的非线性效应，从而易于获得高转换效率的二次谐波产生。但是，利用亮光折变空间孤子诱导出柔性波导的方法来产生二次谐波的效果受到光折变晶体内载流子扩散效应的影响。扩散效应会使孤子光束在传输过程中发生横向自偏转(自偏转大小与光束宽度有关，光束越窄则其自偏转越大)，导致孤子光束所诱导出的柔性波导是弯曲的。弯曲过大的柔性波导不能有效地同时引导相互作用的基频光和二次谐波，从而不但不能增强二次谐波的转换效率，反而会降低转换效率，甚至导致无法产生二次谐波。因此，要想充分提高柔性波导中产生二次谐波的转换效率，必须有效地抑制扩散效应所引起的孤子光束自偏转。

在实践中发现，亮光折变空间孤子在晶体内载流子扩散效应作用下发生自偏转的方向与载流子的类型有关。对于有效载流子为电子的晶体 (例如KNSBN晶体)，扩散效应使亮光折变空间孤子具有一个与晶体c 轴反向的横向加速度并使孤子光束向晶体负c面偏转；而对于有效载流子为空穴的晶体(例如BaTiO₃晶体)，扩散效应使亮光折变空间孤子具有一个与晶体c轴同向的横向加速度并使孤子光束向晶体正c面偏转。 2010年，H.Z.Kang等人利用晶体与空气接触的表面对光束的全反射来抑制扩散效应所引起的光束自偏转，在有外加电场的单块SBN晶体(其有效载流子为电子)中形成了贴着晶体负c面这个自然的直线路径传输的表面亮光折变空间孤子，并利用由表面亮光折变空间孤子所诱导出的晶体表面柔性波导获得了转换效率为83.4％/W的二次谐波产生。

在实践中发现，虽然紧贴晶体表面的晶表柔性波导可以克服扩散效应对二次谐波转换效率的不良影响，但是由于晶表柔性波导与空气的接触面极大，使得在波导中传输的光束易受周围环境的影响(例如环境光的强度、空气的湿度和晶体表面的洁净度)，从而使得二次谐波的转换效率很容易被周围环境影响，甚至会导致已产生的二次谐波有部分能量从波导中泄漏到空气中。

实用新型内容

本实用新型实施例公开了一种基于光伏光折变扩散管理孪晶的二次谐波产生装置，能够克服存在于单块光伏光折变晶体中的载流子扩散效应所引起的空间孤子光束大角度自偏转以及由孤子光束大角度自偏转所导致的基频光与二次谐波之间的相位失配，还可以保护二次谐波产生过程免受外界环境干扰并防止已产生的二次谐波泄漏到空气中，从而充分地提高二次谐波产生的转换效率。

本实用新型实施例第一方面公开一种基于光伏光折变扩散管理孪晶的二次谐波产生装置，所述光伏光折变扩散管理孪晶由两块相同材料的光伏光折变晶体沿一个公共晶面镜面对称耦合而成，所述装置用于利用亮光伏光折变空间孤子在孪晶内的孪晶面处诱导出以孪晶面为中轴面的晶内条形柔性光波导，以使通过调节基频光和二次谐波在所述波导中的传播常数来实现相位匹配，从而实现二次谐波的高效产生。

作为一种优选的实施方式，在本实用新型实施例第一方面中：

当所述两块相同材料的光伏光折变晶体的有效载流子均为电子时，所述两块相同材料的光伏光折变晶体的负c面经光学抛光后紧密粘接在一起从而形成电子型的光伏光折变扩散管理孪晶；

当所述两块相同材料的光伏光折变晶体的有效载流子均为空穴时，所述两块相同材料的光伏光折变晶体的正c面经光学抛光后紧密粘接在一起从而形成空穴型的光伏光折变扩散管理孪晶。

作为一种优选的实施方式，在本实用新型实施例第一方面中：

所述电子型的光伏光折变扩散管理孪晶在孪晶面的两边具有相反的载流子扩散效应；

所述空穴型的光伏光折变扩散管理孪晶在孪晶面的两边具有相反的载流子扩散效应。

作为一种优选的实施方式，在本实用新型实施例第一方面中，所述二次谐波产生装置还包括精密升降台，所述精密升降台用于放置所述光伏光折变扩散管理孪晶，并使所述光伏光折变扩散管理孪晶的孪晶面平行于水平面，以及用于调节所述光伏光折变扩散管理孪晶的垂直高度。

作为一种优选的实施方式，在本实用新型实施例第一方面中，所述二次谐波产生装置还包括基频光输入光学器件组、二次谐波输出光学器件组以及背景光双向照明光学器件组，其中：

所述基频光输入光学器件组包括基频光源、第一准直凸透镜、第一起偏器和聚焦凸透镜；

所述二次谐波输出光学器件组包括第二准直凸透镜和分光镜；

所述背景光双向照明光学器件组包括背景光源、第三准直凸透镜、第二起偏器、半透半反镜、前向照明反射镜、全反镜和背向照明反射镜；

所述背景光源，用于提供非相干的背景光；

所述第三准直凸透镜，用于将发散的背景光准直为平行光；

所述第二起偏器，用于将准直后的背景光变为偏振方向平行于所述光伏光折变扩散管理孪晶的孪晶面的线偏振光；

所述半透半反镜，用于将起偏后的背景光平均分成强度相等的前向照明光和背向照明光；

所述前向照明反射镜，用于将所述前向照明光反射到所述光伏光折变扩散管理孪晶的前端面；

所述全反镜，用于改变所述背向照明光的方向；

所述背向照明反射镜，用于将变向后的背向照明光反射到所述光伏光折变扩散管理孪晶的后端面，以使强度相等的前向照明光和背向照明光在所述光伏光折变扩散管理孪晶内相互平行且对向传输，使得叠加在一起的前向照明光和背向照明光对所述光伏光折变扩散管理孪晶进行双向均匀照射；

所述基频光源，用于提供相干的基频光；

所述第一准直凸透镜，用于将发散的基频光准直为平行光束；

所述第一起偏器，用于将准直后的基频光变为偏振方向垂直于所述光伏光折变扩散管理孪晶的孪晶面的线偏振光；

所述聚焦凸透镜，用于将起偏后的基频光聚焦于所述光伏光折变扩散管理孪晶的前端面上并使聚焦光斑对称分布于孪晶面的两侧；

其中，当背景光源的输出功率被改变时，所述前向照明光和背向照明光的强度亦被改变，从而调节所述光伏光折变扩散管理孪晶内的光伏光折变效应的强度和响应时间；

其中，当所述基频光源的输出功率以及所述聚焦凸透镜与所述光伏光折变扩散管理孪晶之间的距离被改变时，所述基频光在所述光伏光折变扩散管理孪晶的前端面上聚焦光斑的光强和尺寸亦被改变，从而调节所述基频光在所述光伏光折变扩散管理孪晶内所受到的光伏光折变非线性自聚焦效应，直至使基频光的自聚焦效应补偿其衍射展宽效应，以使基频光在所述光伏光折变扩散管理孪晶内实现无衍射传输，即基频光在所述光伏光折变扩散管理孪晶内实现亮光伏光折变空间孤子传输，并使基频光光束中心的传输轨迹是一条与所述光伏光折变扩散管理孪晶的孪晶面相重合的直线；

其中，通过升降所述精密升降台使基频光在所述光伏光折变扩散管理孪晶的前端面上的聚焦光斑中心偏离孪晶面，从而使基频光在方向指向孪晶面的横向加速度作用下的光束中心传输轨迹演变成为一条周期性穿过孪晶面的蛇形曲线；

其中，通过升降所述精密升降台来改变基频光在所述光伏光折变扩散管理孪晶的前端面上聚焦光斑的中心位置与孪晶面之间的距离，从而调节基频光在光伏光折变扩散管理孪晶内蛇形传输轨迹的弯曲程度，以使基频光和二次谐波在平行于孪晶面方向上的传播常数满足相位匹配，并达到在二次谐波输出光学器件组的输出端观测到二次谐波；其中，在观测二次谐波时，所述第二准直凸透镜，用于将从所述光伏光折变扩散管理孪晶出射的发散的包含基频光和二次谐波的混合光束准直为平行的混合光束；所述分光镜，用于将所述混合光束中的二次谐波进行反射，以及将所述混合光束中的基频光进行透射，以达到单独观测二次谐波的光强变化；

其中，对所述二次谐波产生装置的运行状态进行调控和优化，以使基频光和二次谐波相干叠加组成的所述混合光束在所述光伏光折变扩散管理孪晶内形成稳定的双色亮光伏光折变空间孤子，并使二次谐波产生达到尽可能大的转换效率。

本实用新型实施例第二方面公开一种基于光伏光折变扩散管理孪晶的二次谐波产生方法，所述光伏光折变扩散管理孪晶由两块相同材料的光伏光折变晶体沿一个公共晶面镜面对称耦合而成，所述方法包括：

利用亮光伏光折变空间孤子在孪晶内的孪晶面处诱导出以孪晶面为中轴面的晶内条形柔性光波导，以使通过调节基频光和二次谐波在所述波导中的传播常数来实现相位匹配，从而实现二次谐波的高效产生。

作为一种优选的实施方式，在本实用新型实施例第二方面中：当所述两块相同材料的光伏光折变晶体的有效载流子均为电子时，所述两块相同材料的光伏光折变晶体的负c面经光学抛光后紧密粘接在一起从而形成电子型的光伏光折变扩散管理孪晶；当所述两块相同材料的光伏光折变晶体的有效载流子均为空穴时，所述两块相同材料的光伏光折变晶体的正c面经光学抛光后紧密粘接在一起从而形成空穴型的光伏光折变扩散管理孪晶。

作为一种优选的实施方式，在本实用新型实施例第二方面中：所述电子型的光伏光折变扩散管理孪晶在孪晶面的两边具有相反的载流子扩散效应；所述空穴型的光伏光折变扩散管理孪晶在孪晶面的两边具有相反的载流子扩散效应。

作为一种优选的实施方式，在本实用新型实施例第二方面中，所述方法还包括：

将所述光伏光折变扩散管理孪晶放置在精密升降台上，并使所述光伏光折变扩散管理孪晶的孪晶面平行于水平面，以及调节所述光伏光折变扩散管理孪晶的垂直高度。

作为一种优选的实施方式，在本实用新型实施例第二方面中，所述方法还包括：

利用背景光源提供非相干的背景光；

通过第三准直凸透镜将发散的背景光准直为平行光；

通过第二起偏器将准直后的背景光变为偏振方向平行于所述光伏光折变扩散管理孪晶的孪晶面的线偏振光；

通过半透半反镜将起偏后的背景光平均分成强度相等的前向照明光和背向照明光；

通过前向照明反射镜将所述前向照明光反射到所述光伏光折变扩散管理孪晶的前端面；

利用全反镜改变所述背向照明光的方向；

通过背向照明反射镜将变向后的背向照明光反射到所述光伏光折变扩散管理孪晶的后端面，以使强度相等的前向照明光和背向照明光在所述光伏光折变扩散管理孪晶内相互平行且对向传输，使得叠加在一起的前向照明光和背向照明光对所述光伏光折变扩散管理孪晶进行双向均匀照射；

利用基频光源提供相干的基频光；

通过第一准直凸透镜将发散的基频光准直为平行光束；

通过第一起偏器将准直后的基频光变为偏振方向垂直于所述光伏光折变扩散管理孪晶的孪晶面的线偏振光；

通过聚焦凸透镜将起偏后的基频光聚焦于所述光伏光折变扩散管理孪晶的前端面上并使聚焦光斑对称分布于孪晶面的两侧；

通过改变所述背景光源的输出功率来改变所述前向照明光和背向照明光的强度，从而调节所述光伏光折变扩散管理孪晶内的光伏光折变效应的强度和响应时间；

通过改变所述基频光源的输出功率以及所述聚焦凸透镜与所述光伏光折变扩散管理孪晶之间的距离来调节基频光在所述光伏光折变扩散管理孪晶的前端面上聚焦光斑的光强和尺寸，从而调节所述基频光在所述光伏光折变扩散管理孪晶内所受到的光伏光折变非线性自聚焦效应，直至使基频光的自聚焦效应补偿其衍射展宽效应，以使基频光在所述光伏光折变扩散管理孪晶内实现无衍射传输，即基频光在所述光伏光折变扩散管理孪晶内实现亮光伏光折变空间孤子传输，并使基频光光束中心的传输轨迹是一条与所述光伏光折变扩散管理孪晶的孪晶面相重合的直线；

其中，通过升降所述精密升降台使基频光在所述光伏光折变扩散管理孪晶的前端面上的聚焦光斑中心偏离孪晶面，从而使基频光在方向指向孪晶面的横向加速度作用下的光束中心传输轨迹演变成为一条周期性穿过孪晶面的蛇形曲线；

其中，通过升降所述精密升降台来改变基频光在所述光伏光折变扩散管理孪晶的前端面上聚焦光斑的中心位置与孪晶面之间的距离，从而调节基频光在光伏光折变扩散管理孪晶内蛇形传输轨迹的弯曲程度，以使基频光和二次谐波在平行于孪晶面方向上的传播常数满足相位匹配，并达到在二次谐波输出光学器件组的输出端观测到二次谐波；其中，在观测二次谐波时，所述第二准直凸透镜，用于将从所述光伏光折变扩散管理孪晶出射的发散的包含基频光和二次谐波的混合光束准直为平行的混合光束；所述分光镜，用于将所述混合光束中的二次谐波进行反射，以及将所述混合光束中的基频光进行透射，以达到单独观测二次谐波的光强变化；

其中，对所述二次谐波产生装置的运行状态进行调控和优化，以使基频光和二次谐波相干叠加组成的所述混合光束在所述光伏光折变扩散管理孪晶内形成稳定的双色亮光伏光折变空间孤子，并使二次谐波产生达到尽可能大的转换效率。

与现有技术相比，本实用新型实施例具有以下有益效果：

本实用新型实施例中，通过管理光伏光折变扩散管理孪晶内的载流子扩散效应来抑制具有窄光束宽度的亮光伏光折变空间孤子在载流子扩散效应作用下所发生的大角度自偏转，以使亮光伏光折变空间孤子能够一直在光伏光折变扩散管理孪晶的内部传输而不会偏转到孪晶的表面，从而能够克服存在于单块光伏光折变晶体中的载流子扩散效应所引起的空间孤子光束大角度自偏转以及由孤子光束大角度自偏转所导致的基频光与二次谐波之间的相位失配，还可以保护二次谐波产生过程免受外界环境干扰并防止已产生的二次谐波泄漏到空气中，从而充分地提高二次谐波产生的转换效率。在激光器、全光频率转换器和全光通信等领域中均有很高的实用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例公开的一种基于光伏光折变扩散管理孪晶的二次谐波产生装置的结构示意图；

图2为电子型的光伏光折变扩散管理孪晶的结构示意图；

图3为空穴型的光伏光折变扩散管理孪晶的结构示意图；

图4为本实用新型实施例公开的亮光伏光折变空间孤子的光束中心在光伏光折变扩散管理孪晶中的传输轨迹示意图；

图5为本实用新型实施例公开的双色亮光伏光折变空间孤子在以孪晶面为中轴面的条形柔性光波导中实现二次谐波相位匹配的原理示意图；

其中，1－光伏光折变扩散管理孪晶，1A－光伏光折变晶体，1B－光伏光折变晶体，2－精密升降台，3－基频光源，4－第一准直凸透镜， 5－第一起偏器，6－聚焦凸透镜，7－第二准直凸透镜，8－分光镜，9－背景光源，10－第三准直凸透镜，11－第二起偏器，12－半透半反镜， 13－前向照明反射镜，14－全反镜，15－背向照明反射镜。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本实用新型实施例公开了一种基于光伏光折变扩散管理孪晶的二次谐波产生装置，该光伏光折变扩散管理孪晶由两块相同材料的光伏光折变晶体沿一个公共晶面镜面对称耦合而成，该方法和装置能够利用亮光伏光折变空间孤子在孪晶内的孪晶面处诱导出以孪晶面为中轴面的晶内条形柔性光波导，使得通过调节基频光和二次谐波在晶内条形柔性光波导中的传播常数来实现相位匹配，从而实现二次谐波的高效产生，能够克服存在于单块光伏光折变晶体中的载流子扩散效应所引起的空间孤子光束大角度自偏转以及由孤子光束大角度自偏转所导致的基频光与二次谐波之间的相位失配，还可以保护二次谐波产生过程免受外界环境干扰并防止已产生的二次谐波泄漏到空气中，从而充分地提高二次谐波产生的转换效率。以下结合附图进行详细描述。

请参阅图1，图1为本实用新型实施例公开的一种基于光伏光折变扩散管理孪晶的二次谐波产生装置的结构示意图。如图1所示，该基于光伏光折变扩散管理孪晶的二次谐波产生装置可以包括：

光伏光折变扩散管理孪晶1，其中，光伏光折变扩散管理孪晶1由相同材料的光伏光折变晶体1A和光伏光折变晶体1B沿一个公共晶面镜面对称耦合而成；

精密升降台2，用于放置光伏光折变扩散管理孪晶1，并使光伏光折变扩散管理孪晶1的孪晶面平行于水平面，以及用于调节光伏光折变扩散管理孪晶1的垂直高度；

如图1所示，该基于光伏光折变扩散管理孪晶的二次谐波产生装置还包括基频光输入光学器件组、二次谐波输出光学器件组以及背景光双向照明光学器件组，其中：

基频光输入光学器件组包括基频光源3、第一准直凸透镜4、第一起偏器5和聚焦凸透镜6；

二次谐波输出光学器件组包括第二准直凸透镜7和分光镜8；

背景光双向照明光学器件组包括背景光源9、第三准直凸透镜10、第二起偏器11、半透半反镜12、前向照明反射镜13、全反镜14和背向照明反射镜15。

其中，光伏光折变扩散管理孪晶1是实现二次谐波产生的核心部件，其由相同材料的光伏光折变晶体1A和光伏光折变晶体1B沿一个公共晶面(即孪晶面)镜面对称耦合而成。如图2所示，当光伏光折变晶体1A 和光伏光折变晶体1B的有效载流子均为电子时，可以将光伏光折变晶体1A和光伏光折变晶体1B的负c面经光学抛光后紧密粘接在一起从而形成电子型的光伏光折变扩散管理孪晶；或者，如图3所示，当光伏光折变晶体1A和光伏光折变晶体1B的有效载流子均为空穴时，可以将光伏光折变晶体1A和光伏光折变晶体1B的正c面经光学抛光后紧密粘接在一起从而形成空穴型的光伏光折变扩散管理孪晶。需要指出的是，上述电子型的光伏光折变扩散管理孪晶在孪晶面的两边具有相反的载流子扩散效应；同样，上述空穴型的光伏光折变扩散管理孪晶在孪晶面的两边也具有相反的载流子扩散效应。

在图1所示的基于光伏光折变扩散管理孪晶的二次谐波产生装置中：

背景光源9，用于提供非相干的背景光；

第三准直凸透镜10，用于将发散的背景光准直为平行光；

第二起偏器11，用于将准直后的背景光变为偏振方向平行于光伏光折变扩散管理孪晶1的孪晶面(即平行于Y轴)的线偏振光；

半透半反镜12，用于将起偏后的背景光平均分成强度相等的前向照明光和背向照明光；

前向照明反射镜13，用于将前向照明光反射到光伏光折变扩散管理孪晶1的前端面；

全反镜14，用于改变背向照明光的方向；

背向照明反射镜15，用于将变向后的背向照明光反射到光伏光折变扩散管理孪晶1的后端面，以使强度相等的前向照明光和背向照明光在光伏光折变扩散管理孪晶1内相互平行且对向传输，使得叠加在一起的前向照明光和背向照明光对光伏光折变扩散管理孪晶1进行双向均匀照射；

基频光源3，用于提供相干的基频光；

第一准直凸透镜4，用于将发散的基频光准直为平行光束；

第一起偏器5，用于将准直后的基频光变为偏振方向垂直于光伏光折变扩散管理孪晶1的孪晶面(即平行于X轴)的线偏振光；

聚焦凸透镜6，用于将起偏后的基频光聚焦于光伏光折变扩散管理孪晶1的前端面上并使聚焦光斑对称分布于孪晶面的两侧；

其中，当背景光源9的输出功率被改变时，前向照明光和背向照明光的强度亦被改变，从而调节光伏光折变扩散管理孪晶1内的光伏光折变效应的强度和响应时间；

其中，当基频光源3的输出功率以及聚焦凸透镜6与光伏光折变扩散管理孪晶1之间的距离被改变时，基频光在光伏光折变扩散管理孪晶1 的前端面上聚焦光斑的光强和尺寸亦被改变，从而调节基频光在光伏光折变扩散管理孪晶1内所受到的光伏光折变非线性自聚焦效应，直至使基频光的自聚焦效应补偿其衍射展宽效应，以使基频光在光伏光折变扩散管理孪晶1内实现无衍射传输，即基频光在光伏光折变扩散管理孪晶 1内实现亮光伏光折变空间孤子传输，并使基频光光束中心的传输轨迹是一条与光伏光折变扩散管理孪晶1的孪晶面相重合的直线；

其中，通过升降精密升降台2使基频光在光伏光折变扩散管理孪晶1 的前端面上的聚焦光斑中心偏离孪晶面，从而使基频光在方向指向孪晶面的横向加速度作用下的光束中心传输轨迹演变成为一条周期性穿过孪晶面的蛇形曲线；如图4所示，(a)和(b)分别描述了基频光光束中心从光伏光折变扩散管理孪晶1的光伏光折变晶体1A和光伏光折变晶体1B入射时的传输轨迹；

其中，通过升降精密升降台2来改变基频光在光伏光折变扩散管理孪晶1的前端面上聚焦光斑的中心位置与孪晶面之间的距离，从而调节基频光在光伏光折变扩散管理孪晶1内蛇形传输轨迹的弯曲程度(参见图4，图4中的实线、点线和虚线分别为基频光光束中心从光伏光折变扩散管理孪晶1的前端面上三个不同位置入射时的传输情况)，以使基频光和二次谐波在平行于孪晶面方向上的传播常数满足相位匹配，并达到在二次谐波输出光学器件组的输出端观测到二次谐波；其中，在观测二次谐波时，第二准直凸透镜7，用于将从光伏光折变扩散管理孪晶1出射的发散的包含基频光和二次谐波的混合光束准直为平行的混合光束；分光镜8，用于将混合光束中的二次谐波进行反射，以及将混合光束中的基频光进行透射，以达到单独观测二次谐波的光强变化；

其中，对二次谐波产生装置的运行状态进行调控和优化，以使基频光和二次谐波相干叠加组成的所述混合光束在光伏光折变扩散管理孪晶 1内形成稳定的双色亮光伏光折变空间孤子，并使二次谐波产生达到尽可能大的转换效率。

此外，基于图1所描述的基于光伏光折变扩散管理孪晶的二次谐波产生装置，本实用新型实施例还公开了一种基于光伏光折变扩散管理孪晶的二次谐波产生方法。在该方法中，光伏光折变扩散管理孪晶1由相同材料的光伏光折变晶体1A和光伏光折变晶体1B沿一个公共晶面镜面对称耦合而成。该方法可以利用亮光伏光折变空间孤子在孪晶内的孪晶面处诱导出以孪晶面为中轴面的晶内条形柔性光波导，以使通过调节基频光和二次谐波在所述波导中的传播常数来实现相位匹配，从而实现二次谐波的高效产生。在该方法中，当光伏光折变晶体1A和光伏光折变晶体1B 的有效载流子均为电子时，可以将光伏光折变晶体1A和光伏光折变晶体 1B的负c面经光学抛光后紧密粘接在一起从而形成电子型的光伏光折变扩散管理孪晶；或者，当光伏光折变晶体1A和光伏光折变晶体1B的有效载流子均为空穴时，可以将光伏光折变晶体1A和光伏光折变晶体1B的正 c面经光学抛光后紧密粘接在一起从而形成空穴型的光伏光折变扩散管理孪晶。上述电子型的光伏光折变扩散管理孪晶在孪晶面的两边具有相反的载流子扩散效应；同样，上述空穴型的光伏光折变扩散管理孪晶在孪晶面的两边也具有相反的载流子扩散效应。该方法主要包括以下步骤：

步骤1：将光伏光折变扩散管理孪晶1放置在精密升降台2上，并使光伏光折变扩散管理孪晶1的孪晶面平行于水平面，以及调节光伏光折变扩散管理孪晶1的垂直高度；

步骤2：利用背景光源9提供非相干的背景光；通过第三准直凸透镜10将发散的背景光准直为平行光；通过第二起偏器11将准直后的背景光变为偏振方向平行于光伏光折变扩散管理孪晶1的孪晶面(即平行于Y轴)的线偏振光；通过半透半反镜12将起偏后的背景光平均分成强度相等的前向照明光和背向照明光；通过前向照明反射镜13将前向照明光反射到光伏光折变扩散管理孪晶的前端面；利用全反镜14改变背向照明光的方向；通过背向照明反射镜15将变向后的背向照明光反射到光伏光折变扩散管理孪晶1的后端面，以使强度相等的前向照明光和背向照明光在光伏光折变扩散管理孪晶1内相互平行且对向传输，使得叠加在一起的前向照明光和背向照明光对光伏光折变扩散管理孪晶1进行双向均匀照射；

步骤3：利用基频光源3提供相干的基频光；通过第一准直凸透镜4 将发散的基频光准直为平行光束；通过第一起偏器5将准直后的基频光变为偏振方向垂直于光伏光折变扩散管理孪晶1的孪晶面(即平行于X 轴)的线偏振光；通过聚焦凸透镜6将起偏后的基频光聚焦于光伏光折变扩散管理孪晶1的前端面上并使聚焦光斑对称分布于孪晶面的两侧；

步骤4：通过改变背景光源9的输出功率来改变前向照明光和背向照明光的强度，从而调节光伏光折变扩散管理孪晶1内的光伏光折变效应的强度和响应时间；

步骤5：通过改变基频光源3的输出功率以及聚焦凸透镜6与光伏光折变扩散管理孪晶1之间的距离来调节基频光在光伏光折变扩散管理孪晶1的前端面上聚焦光斑的光强和尺寸，从而调节基频光在光伏光折变扩散管理孪晶1内所受到的光伏光折变非线性自聚焦效应，直至使基频光的自聚焦效应补偿其衍射展宽效应，以使基频光在光伏光折变扩散管理孪晶1内实现无衍射传输，即基频光在光伏光折变扩散管理孪晶1内实现亮光伏光折变空间孤子传输，并使基频光光束中心的传输轨迹是一条与光伏光折变扩散管理孪晶1的孪晶面相重合的直线；

步骤6：通过升降精密升降台2使基频光在光伏光折变扩散管理孪晶 1的前端面上的聚焦光斑中心偏离孪晶面，从而使基频光在方向指向孪晶面的横向加速度作用下的光束中心传输轨迹演变成为一条周期性穿过孪晶面的蛇形曲线；

步骤7：通过升降精密升降台2来改变基频光在光伏光折变扩散管理孪晶1的前端面上聚焦光斑的中心位置与孪晶面之间的距离，从而调节基频光在光伏光折变扩散管理孪晶1内蛇形传输轨迹的弯曲程度，以使基频光和二次谐波在平行于孪晶面方向上的传播常数满足相位匹配，并达到在二次谐波输出光学器件组的输出端观测到二次谐波；其中，在观测二次谐波时，通过第二准直凸透镜7将从光伏光折变扩散管理孪晶 1出射的发散的包含基频光和二次谐波的混合光束准直为平行的混合光束；然后，再通过分光镜8将混合光束中的二次谐波进行反射，以及将混合光束中的基频光进行透射，以达到单独观测二次谐波的光强变化；

步骤8：重复步骤4到步骤7，对二次谐波产生装置的运行状态进行调控和优化，以使基频光和二次谐波相干叠加组成的混合光束在光伏光折变扩散管理孪晶1内形成稳定的双色亮光伏光折变空间孤子，并使二次谐波产生达到尽可能大的转换效率。

本实用新型实施例中，产生二次谐波的物理机制如下：当亮光伏光折变空间孤子在光伏光折变扩散管理孪晶1内围绕和紧贴着孪晶面做蛇形曲线传输的同时就诱导出了一个以孪晶面为中轴面的条形光感应折射率柔性光波导，该波导反过来约束和引导基频光和二次谐波在该波导中传输和相互作用；在该波导中产生二次谐波的相位匹配条件是只需要使基频光和二次谐波在平行于孪晶面方向上的传播常数满足β_2ω＝2β_ω(如图5所示)，而并不需要使基频光和二次谐波的波矢满足k_2ω＝2k_ω。当调节亮光伏光折变空间孤子在光伏光折变扩散管理孪晶1中的蛇形传输轨迹的弯曲程度时，就同时调节了由亮光伏光折变空间孤子所诱导的条形光感应折射率柔性光波导的弯曲程度，也就相应地调节了基频光和二次谐波在条形光感应折射率柔性光波导中的传播常数在平行于孪晶面方向上的分量；当条形光感应折射率柔性光波导的弯曲程度恰当时，基频光和二次谐波在平行于孪晶面方向上的传播常数就会满足相位匹配。

在图5中，(a)和(b)分别为基频光光束中心从光伏光折变扩散管理孪晶1的光伏光折变晶体1A和光伏光折变晶体1B入射时的相位匹配原理示意图。其中，k_ω和k_2ω分别为基频光和二次谐波的波矢，β_ω和β_2ω分别为基频光和二次谐波在平行于孪晶面方向上的传播常数。

本实用新型实施例公开的基于光伏光折变扩散管理孪晶的二次谐波产生装置可以通过管理光伏光折变扩散管理孪晶内的载流子扩散效应来抑制具有窄光束宽度的亮光伏光折变空间孤子在载流子扩散效应作用下所发生的大角度自偏转，以使亮光伏光折变空间孤子能够一直在光伏光折变扩散管理孪晶的内部传输而不会偏转到孪晶的表面，从而能够克服存在于单块光伏光折变晶体中的载流子扩散效应所引起的空间孤子光束大角度自偏转以及由孤子光束大角度自偏转所导致的基频光与二次谐波之间的相位失配，还可以保护二次谐波产生过程免受外界环境干扰并防止已产生的二次谐波泄漏到空气中，从而充分地提高二次谐波产生的转换效率。在激光器、全光频率转换器和全光通信等领域中均有很高的实用价值。

以上对本实用新型实施例公开的一种基于光伏光折变扩散管理孪晶的二次谐波产生装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (5)

1.一种基于光伏光折变扩散管理孪晶的二次谐波产生装置，其特征在于，所述光伏光折变扩散管理孪晶由两块相同材料的光伏光折变晶体沿一个公共晶面镜面对称耦合而成，所述装置用于利用亮光伏光折变空间孤子在孪晶内的孪晶面处诱导出以孪晶面为中轴面的晶内条形柔性光波导，以使通过调节基频光和二次谐波在所述波导中的传播常数来实现相位匹配，从而实现二次谐波的高效产生；

所述二次谐波产生装置包括基频光输入光学器件组、二次谐波输出光学器件组以及背景光双向照明光学器件组，其中：

所述基频光输入光学器件组包括基频光源、第一准直凸透镜、第一起偏器和聚焦凸透镜；

所述二次谐波输出光学器件组包括第二准直凸透镜和分光镜；

所述背景光双向照明光学器件组包括背景光源、第三准直凸透镜、第二起偏器、半透半反镜、前向照明反射镜、全反镜和背向照明反射镜。

2.根据权利要求1所述的二次谐波产生装置，其特征在于：

当所述两块相同材料的光伏光折变晶体的有效载流子均为电子时，所述两块相同材料的光伏光折变晶体的负c面经光学抛光后紧密粘接在一起从而形成电子型的光伏光折变扩散管理孪晶；

当所述两块相同材料的光伏光折变晶体的有效载流子均为空穴时，所述两块相同材料的光伏光折变晶体的正c面经光学抛光后紧密粘接在一起从而形成空穴型的光伏光折变扩散管理孪晶。

3.根据权利要求2所述的二次谐波产生装置，其特征在于：

所述电子型的光伏光折变扩散管理孪晶在孪晶面的两边具有相反的载流子扩散效应；

所述空穴型的光伏光折变扩散管理孪晶在孪晶面的两边具有相反的载流子扩散效应。

4.根据权利要求1、2或3所述的二次谐波产生装置，其特征在于，所述二次谐波产生装置还包括精密升降台，所述精密升降台用于放置所述光伏光折变扩散管理孪晶，并使所述光伏光折变扩散管理孪晶的孪晶面平行于水平面，以及用于调节所述光伏光折变扩散管理孪晶的垂直高度。

5.根据权利要求4所述的二次谐波产生装置，其特征在于，

所述背景光源，用于提供非相干的背景光；

所述第三准直凸透镜，用于将发散的背景光准直为平行光；

所述第二起偏器，用于将准直后的背景光变为偏振方向平行于所述光伏光折变扩散管理孪晶的孪晶面的线偏振光；

所述半透半反镜，用于将起偏后的背景光平均分成强度相等的前向照明光和背向照明光；

所述前向照明反射镜，用于将所述前向照明光反射到所述光伏光折变扩散管理孪晶的前端面；

所述全反镜，用于改变所述背向照明光的方向；

所述背向照明反射镜，用于将变向后的背向照明光反射到所述光伏光折变扩散管理孪晶的后端面，以使强度相等的前向照明光和背向照明光在所述光伏光折变扩散管理孪晶内相互平行且对向传输，使得叠加在一起的前向照明光和背向照明光对所述光伏光折变扩散管理孪晶进行双向均匀照射；

所述基频光源，用于提供相干的基频光；

所述第一准直凸透镜，用于将发散的基频光准直为平行光束；

所述第一起偏器，用于将准直后的基频光变为偏振方向垂直于所述光伏光折变扩散管理孪晶的孪晶面的线偏振光；

所述聚焦凸透镜，用于将起偏后的基频光聚焦于所述光伏光折变扩散管理孪晶的前端面上并使聚焦光斑对称分布于孪晶面的两侧；

其中，当背景光源的输出功率被改变时，所述前向照明光和背向照明光的强度亦被改变，从而调节所述光伏光折变扩散管理孪晶内的光伏光折变效应的强度和响应时间；

其中，当所述基频光源的输出功率以及所述聚焦凸透镜与所述光伏光折变扩散管理孪晶之间的距离被改变时，所述基频光在所述光伏光折变扩散管理孪晶的前端面上聚焦光斑的光强和尺寸亦被改变，从而调节所述基频光在所述光伏光折变扩散管理孪晶内所受到的光伏光折变非线性自聚焦效应，直至使基频光的自聚焦效应补偿其衍射展宽效应，以使基频光在所述光伏光折变扩散管理孪晶内实现无衍射传输，即基频光在所述光伏光折变扩散管理孪晶内实现亮光伏光折变空间孤子传输，并使基频光光束中心的传输轨迹是一条与所述光伏光折变扩散管理孪晶的孪晶面相重合的直线；

其中，通过升降所述精密升降台使基频光在所述光伏光折变扩散管理孪晶的前端面上的聚焦光斑中心偏离孪晶面，从而使基频光在方向指向孪晶面的横向加速度作用下的光束中心传输轨迹演变成为一条周期性穿过孪晶面的蛇形曲线；

其中，通过升降所述精密升降台来改变基频光在所述光伏光折变扩散管理孪晶的前端面上聚焦光斑的中心位置与孪晶面之间的距离，从而调节基频光在光伏光折变扩散管理孪晶内蛇形传输轨迹的弯曲程度，以使基频光和二次谐波在平行于孪晶面方向上的传播常数满足相位匹配，并达到在二次谐波输出光学器件组的输出端观测到二次谐波；其中，在观测二次谐波时，所述第二准直凸透镜，用于将从所述光伏光折变扩散管理孪晶出射的发散的包含基频光和二次谐波的混合光束准直为平行的混合光束；所述分光镜，用于将所述混合光束中的二次谐波进行反射，以及将所述混合光束中的基频光进行透射，以达到单独观测二次谐波的光强变化；

其中，对所述二次谐波产生装置的运行状态进行调控和优化，以使基频光和二次谐波相干叠加组成的所述混合光束在所述光伏光折变扩散管理孪晶内形成稳定的双色亮光伏光折变空间孤子，并使二次谐波产生达到尽可能大的转换效率。