近期,中科院上海光机所高功率激光物理联合实验室朱健强研究员、刘德安研究员研究团队提出并验证了新一类相位匹配方法——电压调谐相位匹配,被Phys. Rev. Lett. 的审稿人评价为结果新颖、可靠,并有望在非线性光学领域开启一个新的视角

相位匹配是非线性光学领域内容的一个基本问题,也已经有多种方案来实现相位匹配。为什么这篇论文能引起光学专家的广泛关注,并被《中国科学报》于2017年2月22日在头版给予重点报道?中国激光采访了论文第一作者——崔子健博士。

崔子健博士在视频中简单介绍了自己所做的主要工作及研究中遇到的困难。

中国激光:论文中的“电压调谐相位匹配”技术用到的电光调制方法并不是一种新方法。那么,您是如何想到用这种方法来实现相位匹配的?是遇到什么实验结果而得到的灵感吗?

崔子健:频率转换系统本身就对温度、角度的变化非常敏感,相关领域的研究人员已经提出了一些温度不敏感的频率转换方案。我们也进行了相关的研究,提出了利用电光效应补偿相位失配,实现温度、角度不敏感的频率转换方案,并进行了实验验证。

但这些方案只是缓解了温度、角度敏感的问题,在原理上无法保证严格的相位匹配。在前期实验中,我们采用的是多晶体级联方案,电光效应和频率转换过程是分开的。实验之后,我们就想能不能把两种效应同时应用在单块晶体中。理论分析后,发现这一方法可以实现严格的相位匹配,是一类新的相位匹配方法。

实验原理图

(图片版权属于崔子健博士,未经授权,不得转载)

中国激光:您在实验中遇到的比较大的困难是什么?最后怎么解决的?整个这项工作经历多长时间?

崔子健:1) 与实验验证过程中遇到的困难相比,其实实验之前的困难更多。

电压调谐相位匹配方法把不同的光学效应应用在了一起,所以材料和光传输特性都会发生变化。要建立起一个清晰的理论框架,就要分析清楚不同材料线性电光效应的特性、相位匹配类型、频率转换的特性以及这些光学效应共同作用下材料的有效非线性系数、折射率椭球主轴、光波传输偏振态变化等特征。

建立起理论框架之后,在现有的实验条件下,如何给出令人信服的实验验证结果,并尽可能地简化实验,还需要综合考虑激光波段、晶体、相位匹配类型、晶体随角度、温度以及激光波长变化的特性、温控条件、电压源的范围与精度等因素。所以,整个过程中我觉得最大难点在于理论框架的建立和验证实验的设计。

2)从产生这个想法,到建立起完整的理论框架,并设计出实验验证方案,前后有一年左右的时间。后期从实验设备、材料、光学器件的准备到最终完成实验用了两个月左右的时间。

实验装置图

中国激光:这种全新的相位匹配方法和其他相位匹配方法相比,它有哪些优点?

崔子健:相比于常用的角度和温度调谐方法,电压调谐相位匹配是通过引入外电场,利用材料的电光效应灵活精确地调控材料的折射率来实现的。改变电压源的输出电压,可以非常灵活地而且非机械式地调节电场的强度,其调节速度快、精度高,从根本上克服了高功率激光系统中转换效率对角度、温度、波长漂移变化敏感的问题。

更重要的是,这一方法能够拓展许多材料在非线性光学中的应用。比如:对于一些低双折射材料,电压调谐相位匹配可以人为地增大双折射,从而实现相位匹配;对各向同性材料,通过引入外电场可以产生人工双折射,其实用性可以显著增加。

中国激光:常用的非线性光学晶体有很多,为什么会选择氘化磷酸二氢钾(DKDP)晶体呢?是不是之前对这种晶体进行过特别研究,对晶体各种性能了解的比较多?

崔子健:我们实验室主要承担“神光”高功率激光装置的研制和应用。DKDP晶体是“神光”激光装置频率转换系统中的一个关键材料。实际应用过程中,我们发现DKDP晶体频率转换系统对温度非常敏感,一定程度上会影响转换效率。正是这一实际问题,引起了我们的关注。

我们重点从如何补偿温度导致的相位失配这一角度出发,对DKDP晶体进行了研究。这一研究为进一步提升激光装置中相应组件的性能提供了理论和实验依据。当然,这种方法并不仅限于应用在DKDP晶体中。

中国激光:请描述一下电压调谐相位匹配方法的实现有哪些价值?对于“神光”激光装置有没有什么影响?

崔子健:很多频率转换过程的相位匹配机理非常相似,这一方法可以推广到其他频率转换过程中,包括激光倍频、差频、光参量放大等。电压调谐相位匹配方法不仅为设计新颖的非线性光学器件提供了新的途径,也为进一步深入研究非线性光学相互作用提供了新的方向。

另外,这一方法可以赋予材料通常情况下不具有的特性,这为扩大传统非线性材料甚至低双折射材料和各向同性材料的应用开启了一个新的道路。

在“神光”激光装置中,频率转换器是一个重要组成部分,其转换效率是决定整个驱动装置输出能量的一个关键。电压调谐相位匹配法可以更灵活地对频率转换系统进行调控,为进一步提升多路激光频率转换系统的稳定性提供新的方案。同时,该方法也有望在正在研制的飞秒拍瓦装置中宽带高增益激光脉冲放大方面得到替代性的应用。

致谢:特别感谢实验室刘德安老师对本次采访的大力支持!

论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.043901