QPM准相位匹配在非线性光学中的应用，与BPM双折射相位匹配技术有何不同

我司可提供许多不同的非线性晶体，除了常规的非线性晶体，还可以提供高品质的周期极化非线性晶体，如PPLN晶体等，可满足您不同的非线性晶体要求，以匹配不同的需求和不同波长的激光应用。本文将概述非线性波长转换的基本原理，并对QPM（准相位匹配）和BPM（双折射相位匹配）两种技术的优势与不足进行对比，以便您能够对波长转换以及相位匹配技术有一个基本的认识。换句话说，文章旨在向您简要讲解非线性波长转换的原理，并通过比较QPM和BPM技术的利弊，帮助您初步理解这些波长转换与相位匹配的技术。

光与物质的相互作用：

当光在电介质中传播时，光的电场(E)会与电介质相互作用，诱导出一定的电极化(P)。在电介质中，原子或分子作为偶极子阵列，类似于弹簧，会对电场(E)作出响应并产生感应电极化(P)。感应电极化(P)描述了电介质对电场(E)的整体响应行为。

在线性电介质中，响应是线性的（如图1左边所示），光的频率不会改变。而在非线性电介质中，响应是非线性的（如图1右边所示），光会迫使这些偶极子以非线性方式振荡，使得重新发射的光包含额外的频率，从而成为非线性谐波生成的来源。

图1

在上图中，X⁽¹⁾是线性极化率，而X⁽²⁾和X⁽³⁾分别是二阶和三阶非线性极化率。线性项X⁽¹⁾确定光波的线性传播，例如折射、反射、衍射和色散；而高阶项X⁽²⁾和X⁽³⁾对应于强电场下谐波产生的非线性效应。二阶非线性项X⁽²⁾在具有反演对称结构的电介质中消失，但在一些非中心对称晶体结构的非线性介质中可能非常大，例如PPLN晶体。铌酸锂等材料由于其非中心对称的晶体结构，能够表现出显著的二阶非线性效应，这使得它们在非线性光学应用中非常有用，例如二次谐波生成（SHG）和光学参量振荡（OPO）等。

相位匹配的重要性：

为了实现高效的非线性波长转换，非线性光学过程中必须同时满足光子能量守恒和光子动量守恒（如图2所示）。

图2

光子动量守恒的要求也被称为“相位匹配”条件。如果相位匹配条件不满足，生成的光子会相互破坏性干涉，从而限制最终从晶体中出射的光子数量。然而，光学材料的折射率依赖于光的波长，因此由于混合光子之间的相对相位延迟，相位匹配条件可能无法满足（如图3所示）

图3

双折射相位匹配（BPM）：

为了实现高效的波长转换，混合波之间需要相位匹配。传统上，这是通过双折射相位匹配（BPM）技术实现的，该技术通过调整晶体轴的角度或晶体温度来实现混合波之间的相位匹配条件。在某些条件下（如非临界相位匹配），混合波沿双折射非线性晶体的某些轴传播，并通过调整晶体温度实现相位匹配。在其他条件下（如临界相位匹配），混合波以一定角度对准折射率椭球的轴，通过调整传播方向到特定的相位匹配角度θ或φ，可以改变异常波的折射率，从而实现所需的相位匹配条件（如图4所示）。

图4

为了实现双折射相位匹配（Birefringence Phase Matching, BPM），基波的折射率必须与二次谐波（SHG）的折射率相等。因此，二次谐波将以一定的角度θ（和/或φ）相对于非线性光学晶体的光轴（c轴）倾斜传播。

然而，这种技术无法在优化转换效率的情况下充分利用材料的全透明波长范围。此外，BPM非线性波混频过程在普通和异常偏振辐射同时存在的情况下发生。当沿非线性晶体的非光轴方向传播时，异常波会受到双折射走离效应的影响，而普通波则不会。这种走离问题（即转换波从基波中发散）会扭曲光束质量，并限制有效相互作用长度（从而限制整体转换效率）.

准相位匹配（QPM）

实现混合波之间相位匹配条件的另一种方法是准相位匹配（QPM）。QPM是一种在非线性波混频过程中工程化相位匹配条件的技术。在QPM非线性波混频过程中，通过在非线性介质中反转非线性系数的符号（例如通过“极化”反转晶体取向以制造PPLN晶体），在相干距离上相对移动混合波的相位来补偿相位失配。通过选择正确的反转周期，新生成的光子将与之前生成的光子有效相长干涉，从而使光子数量随着光在QPM材料中的传播而增加（如图5所示）。

图5

在高效的波混频过程中，必须满足以下两个条件：(a)光子能量守恒和(b)光子动量守恒。其中，(c)光子动量守恒是通过创建一个波矢量来补偿混频波之间的波矢量失配来实现的。

例如，图6展示了准相位匹配（QPM）与非相位匹配及相位匹配条件在二次谐波生成（SHG）中的效果对比。在非线性介质中，混频波累积相位差达到π的距离称为“相干长度”L_c。

图6

在（i）相位匹配、（ii）非相位匹配和（iii）准相位匹配相互作用下，转换输出功率随距离增长，+ 和 – 符号表示非线性极化率符号。

BPM与QPM的比较：

图8总结了高效非线性波混频过程的要求，并列表比较了BPM与QPM的优缺点。

QPM技术能够充分利用选定非线性材料的全透明波长范围（例如PPLN的350nm~5000nm），并且可以访问最高的非线性d系数（如PPLN的d₃₃=25.3 pm/V），从而实现高效的波长转换。此外，QPM配置通常不会出现空间走离问题，因此可以使用最大可用器件长度进行效率优化（PPLN的常见长度为50mm，最长可达80mm）。

图8

以上就是非线性波长转换原理，QPM准相位匹配和BPM双折射相位匹配的优缺点。希望能够帮助您对非线性波长转换原理有初步的认识，如果您对于非线性晶体或者准相位匹配晶体有需求，欢迎联系我们。