基于晶体界面增强谐波的可调谐紫外激光的研究

Ultraviolet (UV) laser is a new and cutting-edge research field in laser technology. The primary objectives of this project is to explore new ways to generate tunable narrow-linewidth ultraviolet laser. Based on the enhanced nonlinear effects at crystal interface, there are many novel nonlinear optical processes, which have unique advantages in generating widely tunable laser, and also are the research foundation of the cavity nonlinear processes. Here we propose a new phase matching mechanism based on total internal reflection, and design a unique micro-cavity structure satisfying completely discrete phase matching, in order to achieve high efficiency tunable UV laser output. This project has strong innovative. Unlike conventional birefringent phase matching scheme, this method overcomes the problems of large walk-off angle and small wavelength tuning range, which is difficult to resolve in the UV band frequency conversion. Through this project, we can not only deepen the acknowledgement to the new principles and mechanism of ultraviolet nonlinear optical frequency conversion process on crystal surface, but also promote the design concepts of micro-cavity structure.

紫外激光技术是激光技术发展的前沿方向。本课题旨在对可调谐窄线宽的紫外激光产生的新途径进行探索性研究。晶体界面上增强的非线性效应可以实现许多新颖的非线性光学过程，其在可调谐性等方面具有独特优势，同时也是腔内非线性效应研究的物理基础。本课题提出适用于紫外波段的表面反射型位相匹配机制，设计独特的离散型完全位相匹配微腔结构，以实现可调谐高效率紫外激光输出。不同于传统的双折射位相匹配方案，该方案利用全新的类反常色散位相匹配方式和结构设计，不存在传统倍频晶体在紫外波段频率转换中难以解决的走离角度大，调谐范围小等问题。通过本课题研究，不但可以深化对紫外光表面非线性过程中新原理、新机制的认识，也对基于腔结构的高效紫外光产生研究具有重要意义。

可调谐的紫外激光技术在基础研究、国防、民用等方面有重要需求。非线性频率变换作为拓展激光波长的重要方法在紫外波段受到诸多限制。本课题旨在利用非线性晶体界面上增强的非线性效应，研究新颖的位相匹配方式在紫外波段的特性。.在本项目的资助下，开展了深入的非线性界面谐波的物理、模拟和实验研究。梳理了晶体内表面高次非线性切伦科夫辐射和其他的级联非线性过程，该方法通过红外基频光直接实现了5阶高次谐波的同时产生，降低了传统多次频率变换紫外激光系统的复杂性。建立了界面耦合波模型，系统分析研究了不同晶系的非线性晶体反射型位相匹配条件及有效非线性系数等因素。开展多种晶体材料的内表面全反射高效倍频实验，实现了紫外波段反射型匹配的倍频、和频、三倍频、四倍频，单次反射四倍频效率3.6%。针对表面反射型完全位相匹配在实现高效紫外倍频的难点，例如紫外晶体非线性系数较小，不加调制的表面反射型位相匹配受到仍然受到短波极限的限制等，提出了相应的解决方案，并通过理论和实验进行了验证。包括利用非线性系数阶跃界面提升紫外晶体的非线性效应使得谐波效率提高了5-13倍、利用界面一维光子结构对非线性过程匹配角度进行调控从而突破原有的紫外双折射短波极限、利用反射界面相位突变实现紫外晶体的准位相匹配等。证明了多点表面反射位相匹配的相干性，为基于离散位相匹配的腔结构或波导结构的高效紫外倍频提供了实验和理论基础。对表面非线性增强的谐波产生物理过程的有了较为清晰的认识，进一步发现了表面线性切伦科夫辐射、表面三阶非线性效应等方面的新现象、新机理。. 本项目的研究方法、研究结论揭示了晶体非线性界面作为一种全新光学功能材料特性，展示了通过表面反射型位相匹配结合界面结构调控在可调谐的紫外激光光源方面潜在应用前景。