一维光子晶体中二次谐波产生的增强效应

通过对基频场及介质方向进行调制的方法研究了光子晶体中二次谐波产生转换效率的影响因素.该方法运用转移矩阵法计算得出二次谐波产生的转换效率,通过改变空气层厚度实现对基频场的调制,运用模拟退火的方法来实现对介质层方向的优化,然后通过场能量,基频波透射率和倍频波透射率随空气层厚度的变化规律,分析了一维光子晶体中影响二次谐波产生转换效率的因素.结果表明:传统的准相位匹配条件对一维光子晶体已不再适用;除了光子晶体的带边效应,基频场以及倍频场的分布同样对二次谐波产生有重大影响,当达到透射共振时,二次谐波转换效率会有很大提高;通过调制介质层的极化方向,二次谐波产生转换效率会大大提高.这些结论为非线性光子晶体中提高二次谐波产生转化效率提供理论指导.     

基于MgO:PPLN晶体光参量振荡的调谐及容差特性

通过分析准相位匹配光参量振荡器(QPM-OPO)实现参量的过程,分析了基于掺5mol%MgO:PPLN非线性晶体的准相位匹配光参量振荡器的调谐特性,并在泵浦光一定时给出了相应的调谐曲线.在慢变振幅近似情况下,从耦合波方程出发利用准相位匹配技术的位相匹配关系,推导出掺5mol%MgO:PPLN非线性晶体光参量振荡系统温度、极化反转畴周期和泵浦光波长匹配带宽的近似解析表达式,并在此基础上给出了相关的理论曲线.     

基于级联和频+差频效应的平坦带宽波长转换器

针对改善波长转换器转换特性的问题,研究了周期极化铌酸锂晶体中采用分段准相位匹配光栅结构对基于级联和频+差频效应的波长转换器特性的影响.对于单通和双通构型,增加段数,并优化设计每段的极化周期,可以同时获得高转换效率、大转换带宽和较好的平坦性.在相同条件下,双通构型波长转换器的转换效率和平坦性较好,但转换带宽比单通构型稍差.与采用位移泵浦光的波长提高平坦性的方法相比,利用分段准相位匹配光栅结构能够获得几乎相同的平坦性,但转换效率和转换带宽却比泵浦光波长位移法好.此外,研究了晶体长度对基于分段准相位匹配光栅结构波长转换器特性的影响.     

掺杂晶体AgGa1-xInxSe2的群速失配对频率转换的影响

为了研究群速失配对掺杂晶体AgGa1-xInxSe2频率转换的影响,依据超短脉冲的群速匹配理论和晶体的Sellmeier方程,计算了二次谐波产生(SHG)和Nd3 :YAG(1.06μm)与Ho3 :ILF(2.08μm)激光泵浦光学参量振荡器(OPO)的相位匹配和群速失配.该结果对AgGa1-xInxSe2晶体应用具有指导意义.     

光学超晶格中涡旋光的产生与调控

携带轨道角动量的光束,又称为涡旋光,因其新奇的相位分布和物理特性,在光学微操控、超分辨成像、高容量光通信和量子信息技术等领域有重要的应用.涡旋光应用于不同场景需要不同的频率,使用基于准相位匹配原理的光学超晶格作为非线性转换晶体,是获得新频率光源的重要手段.涡旋光与介质的非线性相互作用,不仅要考虑常规的能量守恒和线性动量守恒,还需要关注轨道角动量的守恒问题.本文综述了光学超晶格中涡旋光产生和调控方面的研究进展.通过倍频、和频、三倍频和参量下转换等非线性频率转换过程,可以高效的将涡旋光的工作波长拓展到蓝紫直至中红外波段;通过光学超晶格倒格矢的精密设计,可以灵活调控涡旋光非线性频率转换过程中的轨道角动量转移等.基于非线性全息思想设计非线性光子晶体,可以在频率转换的同时调控光场的波前、相位和振幅等物理参量,从而实现涡旋光束的非线性产生;伴随着超晶格制备技术的突破,调控的维度也从二维拓展至三维.光学超晶格中涡旋光产生和调控的研究,可以加深对轨道角动量这一重要物理守恒量的理解,以及推动相关应用研究的进展.     

中红外LiNbO_3和KTP光参量振荡器的比较研究

为选择适合中红外光参量振荡器(OPO)的非线性晶体,研究了LiNbO_3和KTP光参量振荡器的特性,LiNbO_3OPO采用非共线泵浦、短波长信号波腔内完全谐振以及非谐振闲频波高耦合输出结构,可调谐范围为3.0～4.5μm,最高输出能量为12 mJ,能量转换效率为4.5％。由于KTP晶体在3.0～4.0 μm范围内吸收严重,非临界相位匹配的KTP OPO在3.3μm最高输出能量仅为2mJ,转换效率为1％。     

KNSBN晶体全息再现像质量的研究

为了研究钾钠铌酸锶钡KNSBN晶体的全息存储特性,设计了相关实验结构,通过改变物光与参考光在KNSBN晶体中形成的体相位栅的位置,研究了体相位栅在晶体内不同位置对体全息再现像质量的影响及再现时的衍射效率.研究结果表明:当体相位栅到晶体前端的距离为2.0~3.5mm时,再现图像质量相对稳定;当距离L=3.0mm时衍射效率达到最大值31%,此时再现像保持时间最长,可达到262s;图像质量最好,亮度大,稳定性好且再现像不失真.实验结果证实了KNSBN晶体可作为一种优良的体全息存储介质,且在体全息存储中,尽可能的将物光与参考光叠加形成的体相位栅置于晶体内部时,再现时将能得到较高的衍射效率和质量较高的再现图像.     

基于二次谐波的对称波纹板早期损伤检测

为方便利用非线性兰姆波二次谐波分量进行对称波纹板的早期损伤无损健康检测,基于二次材料弱非线性,建立非线性兰姆波二次谐波结构准相位匹配理论。以结构准相位匹配理论为指导,依据波纹板的空间周期和平均厚度,选择超声波检测基波频率,确定接收探头的空间分布规律。以经过汉宁窗调制的中心频率为500 kHz的短脉冲激励为例,建立仿真模型,验证对称波纹板结构准相位匹配理论,实施对称波纹板材结构早期损伤超声无损健康检测。理论仿真结果与分析讨论表明,通过结构准相位匹配,对称波纹板非线性兰姆波二次谐波分量具有更长的累积距离,可从基波获得更多的能量,可有效实施基于非线性兰姆波二次谐波分量的波纹板结构早期损伤超声无损健康检测。     

中红外LiNbO3和KTP光参量振荡器的比较研究

为选择适合中红外光参量振荡器(OPO)的非线性晶体，研究了LiNbO3和KIP光参量振荡器的特性。LiNbO3OPO采用非共线泵浦、短波长信号波腔内完全谐振以及非谐振闲频波高耦合输出结构，可调谐范围为3．0～4．5μm，最高输出能量为12mJ，能量转换效率为4．5％。由于KTP晶体在3．0～4．0μm范围内吸收严重，非临界相位匹配的KTP OPO在3．3μm最高输出能量仅为2mJ，转换效率为1％。     

LBO晶体非临界相位匹配倍频研究

利用LBO晶体对Nd:YAG ns激光器进行了腔外倍频实验研究。实验中LBO晶体采用Ⅰ类非临界相位匹配(NCPM),温度调谐,将倍频转换效率和温度调谐的理论值与实验数据进行了对比,实验结果基本与理论值相符。当基频光的单脉冲能量为1.3J时,获得了840mJ的532nm倍频绿光输出,最高转换效率达到65％,倍频光能量不稳定度小于±3％。     

Experimental investigation of nonlinear process based on cSHG/DFG in PPLN waveguide

Effects of second harmonic generation (SHG) and cascaded second harmonic generation/difference frequency generation(cSHG/DFG) based on the quasi-phase-matching (QPM) condition in periodically poled lithium niobate (PPLN) waveguide were investigated experimentally. SHG conversion efficiency of-13.6 dB and QPM bandwidth of 0.45 nm were achieved using a 16.1 dBm power of fundamental wave at 1550.4 nm. Using pulsed all-fiber passive mode locked laser and tunable continuous wave laser,cSHG/DFG effect utilized for optical sampling was observed. Conversion efficiencies were calculated, and 11.88 nm-wide QPM bandwidth was achieved through changing the wavelength of input signal. Conversion efficiency of cSHG/DFG effect increased linearly with the total injected power.     

Periodically poled LiNbO_3 crystals from 1D and 2D to 3D

A periodically-poled LiNbO_3(PPLN) crystal features space-dependent second-order nonlinear coefficients, which is one of the most important materials to effectively control nonlinear optical interactions through quasi-phase matching(QPM). By using electric-field poling method, 1D and 2D PPLN crystals have been successfully fabricated for laser frequency conversion, quantum light sources, nonlinear beam shaping and nonlinear optical imaging. Recently, femtosecond laser engineering technique is utilized to prepare 3D domain structures inside LiNbO_3 crystal, which provides a promising platform to control nonlinear interacting waves in 3D configuration. After 40 years of developments, PPLN crystals still have exciting prospects in fundamental researches and practical applications for integrated photonic chip, quantum information processing,and so on.     

Vibration Absorption Efficiency and Higher Branches Elimination of Variable-Stiffness Nonlinear Energy Sink

变刚度非线性能量阱的吸振效能及高分支响应抑制研究

钟锐^1,2，陈建恩^1,2*，葛为民^1,2，刘军^1,2，王肖锋^1,2

（1.天津理工大学 天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津 300384；2.天津理工大学 机电工程国家级实验教学示范中心，天津 300384)

创新点说明：

非线性能量阱只能在一定输入能量范围内保持吸振效能，本文提出一种可变刚度的非线性能量阱，根据外部激励大小，合理改变其刚度可以消除高分支响应，并且可以使系统呈现强调制响应，提高吸振效能。

研究目的：

消除连接非线性能量阱的系统在大幅激励下的高分支响应，并在激励大范围变化的环境下提高非线性能量阱的吸振效能。

研究方法：

1）使用复变量-平均法推导出连接变刚度非线性能量阱的系统的慢变动力学模型

2）使用龙格-库塔法验证所推导出的近似模型的准确性。

3）使用Maple和MATLAB软件求出系统在不同幅值的简谐和冲击载荷激励下的系统响应。

研究结果：

1）简谐激励幅值增大后系统频响出现了高、低两个分支，随着激励幅值的进一步增大，高、低分支合并，使非线性能量阱接近失效。通过使用变刚度非线性能量阱，合理减小非线性能量阱的刚度可以消除高分支，降低主振子振幅。

2）在系统即将出现高分支响应之前，随着简谐激励幅值增加，系统固有频率附近的不稳定解的频带会变宽。

3）在冲击激励下，使用合理调整刚度后的变刚度非线性能量阱，相比于普通定刚度非线性能量阱，可以较大幅度提高系统的能量耗散率。

结论：

使用变刚度设计的非线性能量阱可以通过合理减小刚度来消除由外部激励幅值增大而产生的高分支响应，从而使其在更宽的输入能量变化范围内保持较高的吸振效能。值得注意的是，有利于吸振的强调制响应对应的频带加宽到一定程度后，系统会产生高分支响应，因此，应该控制非线性能量阱的刚度以使系统的强调制响应处于较窄的频带内。

关键词：非线性能量阱；吸振效能；变刚度；振动抑制；高分支

     

相位畸变光倍频转换的统计光学处理方法

从统计光学观点出发，针对高斯型随机相位畸变，在薄晶体近似下，分析相位畸变光束的倍频转换过程，给出了基波、倍频波随相位畸变特征量变化的理论模型和数值计算结果，介绍了一种对相位畸变光倍频的描述方法．     

BBO晶体光学参量发生器

通过对BBO晶体中光学参量发生器的理论分析,并且利用YAG锁模激光器的2、3、4次谐波泵浦光参量发生器,得到了BBO晶体中各物理量对光学参量发生器的阈值,转换效率和线宽影响的实验结果,参量光转换效率超过30％。     

光学混频效应的理论探讨

以BBO晶体为冽,对光学混颊效应的稳态理论和瞬态理论进行了研究,讨论了泵浦光参数(光强、光波长、脉宽、发散角、线宽等)对光学混频效应的转换效率、脉宽及最佳晶体长度的影响。结果表明,为得到高的转换效率,应努力改善泵浦光束质量,使晶体长度处于最佳值,并注意适当选择泵浦光强、波长和脉宽。     

A theoretical analysis of optical-to-THz conversion efficiency via optical rectification

A theoretical analysis of an ultra-short pulse converted to Terahertz radiation via optical rectification in nonlinear optical crystal is presented here; several factors that affect optical-to-THz conversion efficiencies are discussed; pulse durations affect the conversion efficiency effectively: when crystal length is equal to the optimal crystal length l _c, optical-to-THz conversion efficiency is the highest, but for the periodically-inverted electro-optic crystals, conversion efficiency is almost proportional to the crystal length when absorption can be neglected. Taking account of the absorption of crystals, effective length of crystal is L _eff=0.63/α, there is no apparent increase of conversion efficiency and the conversion efficiency approaches to a constant eventually when the crystal length is increased.     

强迫Duffing振子的增量谐波平衡格式

采用增量谐波平衡法导出强迫Duffing振子稳态响应的IHB计算格式，并作出特定系统参数下的周期响应极限环，其结果与Runge-Kutta方法进行对比，表明此法精度可以灵活控制，且收敛速度快。结果可靠，是强非线性问题动力学特性分析的有效方法，同时以外激励频率为参数进行跟踪延续获得系统主共振时的幅频响应特性。     

左手非线性传输线三倍频器设计

非线性传输线通常用来实现谐波产生和脉冲形成。利用左手非线性传输线的谐波产生特性,设计仿真了100MHz的三倍频器。该倍频器采用5级级联的“T”形非线性单元,不需要任何偏置电路。相比传统方法,该方法具有电路尺寸小、结构简单、调试容易、倍频效率高、相对带宽较宽等优点。