[论文解读] Coherently superposed efficient second harmonic generation by domain wall series in ferroelectrics

Huaijin Ren, Xuewei Deng+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2010

Photorefractive and Nonlinear Optics被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于离散畴壁发射的契伦科夫二次谐波（CSH）相干叠加的新型高效周期性畴反转铁电体二次谐波产生（SHG）机制。通过调节连续1064 nm激光束的入射角，实现数十个畴壁之间的相位匹配相长干涉，获得了5%/W的创纪录单程转换效率，显著高于传统准相位匹配（QPM）的单位周期效率。

ABSTRACT

A novel mechanism of efficient second harmonic generation in domain wall series is reported. By employing angle modulation, obvious intensity peaks of second harmonic appear at specific incident angles utilizing the continuous laser source of 200mW, and the single-pass conversion efficiency comes up to 5%/W only through dozens of domain walls. It can be shown that the phenomenon is caused by coherent superposition of Cherenkov second harmonics (CSH) generated by different domain walls, which is a novel mechanism totally distinguished from Quasi-phase-matching (QPM).

研究动机与目标

• 研究铁电畴壁在超越传统准相位匹配（QPM）的高效二次谐波生成中的作用。
• 确定多个畴壁发射的契伦科夫二次谐波（CSH）的相干叠加是否可导致SHG效率提升。
• 证明畴壁序列可作为离散、相位相干的源，实现完全相位匹配的SHG。
• 建立一种避免温度或精确相位匹配控制的新型高效频率转换机制。

提出的方法

• 采用200 mW连续波1064 nm激光束，以相对于周期性畴反转LiNbO₃（PPLN）晶体y轴可变角度入射，晶体周期为30 μm，占空比为1:1。
• 测量第二谐波强度随入射角的变化，观察到特定角度处存在明显的强度峰。
• 理论建模基于相位匹配条件：k₂cosθ = 2k₁cosα，其中α和θ分别为基频波与二次谐波波相对于y轴的内角。
• 推导出相干叠加条件：ΔΦ = 2πm，其中m为整数，确保相邻畴壁发射的CSH同相叠加。
• 利用斯涅尔定律将内角转换为外部出射角，以与实验数据对比。
• 计算单位周期（两个畴壁）的归一化转换效率，并与最先进的QPM结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 多个畴壁发射的契伦科夫二次谐波（CSH）的相干叠加是否可导致铁电体中二次谐波生成效率提升？
• RQ2 入射光束的角调谐是否可在畴壁序列中实现完全相位匹配，区别于准相位匹配（QPM）？
• RQ3 与周期性畴反转铁电体中的传统QPM相比，该基于CSH的机制可实现的转换效率如何？
• RQ4 该机制是否可在连续波（CW）激发下高效工作，而不同于以往仅限于超短脉冲的研究？
• RQ5 在特定入射角下观测到的第二谐波信号强度峰的物理起源是什么？

主要发现

• 在仅穿过20个畴壁的PPLN中，实现了5%/W的峰值单程转换效率，对应每周期0.5%/W。
• 最高效率出现在入射角6.15°处，此时相邻畴壁发射的CSH贡献之间的相位差ΔΦ恰好为2π，实现完全相长干涉。
• 观测到的强度峰被归因于畴壁发射的CSH相干叠加，而非QPM，这一点通过x轴方向无倒易矢量匹配得到证实。
• 该机制在连续波激发（200 mW）下工作，实现了毫瓦级第二谐波输出——在CW条件下CSHG中前所未有。
• 归一化后的效率（每周期0.5%/W）超过已报道的最高QPM效率（每周期0.37%/W）。
• 该方法可在无需温度稳定或精确相位匹配控制的条件下实现高效频率转换，仅依赖角度调谐。