近期，中科院上海光機(jī)所高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室朱健強(qiáng)研究員、劉德安研究員研究團(tuán)隊(duì)提出并驗(yàn)證了新一類相位匹配方法——電壓調(diào)諧相位匹配，被Phys. Rev. Lett. 的審稿人評(píng)價(jià)為結(jié)果新穎、可靠，并有望在非線性光學(xué)領(lǐng)域開啟一個(gè)新的視角。
相位匹配是非線性光學(xué)領(lǐng)域內(nèi)容的一個(gè)基本問題，也已經(jīng)有多種方案來(lái)實(shí)現(xiàn)相位匹配。為什么這篇論文能引起光學(xué)專家的廣泛關(guān)注，并被《中國(guó)科學(xué)報(bào)》于2017年2月22日在頭版給予重點(diǎn)報(bào)道？中國(guó)激光采訪了論文第一作者——崔子健博士。
相位匹配是非線性光學(xué)領(lǐng)域內(nèi)容的一個(gè)基本問題，也已經(jīng)有多種方案來(lái)實(shí)現(xiàn)相位匹配。為什么這篇論文能引起光學(xué)專家的廣泛關(guān)注，并被《中國(guó)科學(xué)報(bào)》于2017年2月22日在頭版給予重點(diǎn)報(bào)道？中國(guó)激光采訪了論文第一作者——崔子健博士。
崔子健博士在視頻中簡(jiǎn)單介紹了自己所做的主要工作及研究中遇到的困難。
中國(guó)激光：論文中的“電壓調(diào)諧相位匹配”技術(shù)用到的電光調(diào)制方法并不是一種新方法。那么，您是如何想到用這種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)相位匹配的？是遇到什么實(shí)驗(yàn)結(jié)果而得到的靈感嗎？
崔子?。?頻率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)本身就對(duì)溫度、角度的變化非常敏感，相關(guān)領(lǐng)域的研究人員已經(jīng)提出了一些溫度不敏感的頻率轉(zhuǎn)換方案。我們也進(jìn)行了相關(guān)的研究，提出了利用電光效應(yīng)補(bǔ)償相位失配，實(shí)現(xiàn)溫度、角度不敏感的頻率轉(zhuǎn)換方案，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
但這些方案只是緩解了溫度、角度敏感的問題，在原理上無(wú)法保證嚴(yán)格的相位匹配。在前期實(shí)驗(yàn)中，我們采用的是多晶體級(jí)聯(lián)方案，電光效應(yīng)和頻率轉(zhuǎn)換過程是分開的。實(shí)驗(yàn)之后，我們就想能不能把兩種效應(yīng)同時(shí)應(yīng)用在單塊晶體中。理論分析后，發(fā)現(xiàn)這一方法可以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的相位匹配，是一類新的相位匹配方法。
實(shí)驗(yàn)原理圖（圖片版權(quán)屬于崔子健博士，未經(jīng)授權(quán)，不得轉(zhuǎn)載）
中國(guó)激光：您在實(shí)驗(yàn)中遇到的比較大的困難是什么？最后怎么解決的？整個(gè)這項(xiàng)工作經(jīng)歷多長(zhǎng)時(shí)間？
崔子?。?)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程中遇到的困難相比，其實(shí)實(shí)驗(yàn)之前的困難更多。
電壓調(diào)諧相位匹配方法把不同的光學(xué)效應(yīng)應(yīng)用在了一起，所以材料和光傳輸特性都會(huì)發(fā)生變化。要建立起一個(gè)清晰的理論框架，就要分析清楚不同材料線性電光效應(yīng)的特性、相位匹配類型、頻率轉(zhuǎn)換的特性以及這些光學(xué)效應(yīng)共同作用下材料的有效非線性系數(shù)、折射率橢球主軸、光波傳輸偏振態(tài)變化等特征。
建立起理論框架之后，在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下，如何給出令人信服的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，并盡可能地簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)，還需要綜合考慮激光波段、晶體、相位匹配類型、晶體隨角度、溫度以及激光波長(zhǎng)變化的特性、溫控條件、電壓源的范圍與精度等因素。所以，整個(gè)過程中我覺得最大難點(diǎn)在于理論框架的建立和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。
2）從產(chǎn)生這個(gè)想法，到建立起完整的理論框架，并設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案，前后有一年左右的時(shí)間。后期從實(shí)驗(yàn)設(shè)備、材料、光學(xué)器件的準(zhǔn)備到最終完成實(shí)驗(yàn)用了兩個(gè)月左右的時(shí)間。
實(shí)驗(yàn)裝置圖
中國(guó)激光：這種全新的相位匹配方法和其他相位匹配方法相比，它有哪些優(yōu)點(diǎn)？
崔子?。合啾扔诔Ｓ玫慕嵌群蜏囟日{(diào)諧方法，電壓調(diào)諧相位匹配是通過引入外電場(chǎng)，利用材料的電光效應(yīng)靈活精確地調(diào)控材料的折射率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。改變電壓源的輸出電壓，可以非常靈活地而且非機(jī)械式地調(diào)節(jié)電場(chǎng)的強(qiáng)度，其調(diào)節(jié)速度快、精度高，從根本上克服了高功率激光系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換效率對(duì)角度、溫度、波長(zhǎng)漂移變化敏感的問題。
更重要的是，這一方法能夠拓展許多材料在非線性光學(xué)中的應(yīng)用。比如：對(duì)于一些低雙折射材料，電壓調(diào)諧相位匹配可以人為地增大雙折射，從而實(shí)現(xiàn)相位匹配；對(duì)各向同性材料，通過引入外電場(chǎng)可以產(chǎn)生人工雙折射，其實(shí)用性可以顯著增加。
中國(guó)激光：常用的非線性光學(xué)晶體有很多，為什么會(huì)選擇氘化磷酸二氫鉀（DKDP）晶體呢？是不是之前對(duì)這種晶體進(jìn)行過特別研究，對(duì)晶體各種性能了解的比較多？
崔子?。何覀儗?shí)驗(yàn)室主要承擔(dān)“神光”高功率激光裝置的研制和應(yīng)用。DKDP晶體是“神光”激光裝置頻率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵材料。實(shí)際應(yīng)用過程中，我們發(fā)現(xiàn)DKDP晶體頻率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)對(duì)溫度非常敏感，一定程度上會(huì)影響轉(zhuǎn)換效率。正是這一實(shí)際問題，引起了我們的關(guān)注。
我們重點(diǎn)從如何補(bǔ)償溫度導(dǎo)致的相位失配這一角度出發(fā)，對(duì)DKDP晶體進(jìn)行了研究。這一研究為進(jìn)一步提升激光裝置中相應(yīng)組件的性能提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。當(dāng)然，這種方法并不僅限于應(yīng)用在DKDP晶體中。
中國(guó)激光：請(qǐng)描述一下電壓調(diào)諧相位匹配方法的實(shí)現(xiàn)有哪些價(jià)值？對(duì)于“神光”激光裝置有沒有什么影響？
崔子?。汉芏囝l率轉(zhuǎn)換過程的相位匹配機(jī)理非常相似，這一方法可以推廣到其他頻率轉(zhuǎn)換過程中，包括激光倍頻、差頻、光參量放大等。電壓調(diào)諧相位匹配方法不僅為設(shè)計(jì)新穎的非線性光學(xué)器件提供了新的途徑，也為進(jìn)一步深入研究非線性光學(xué)相互作用提供了新的方向。
另外，這一方法可以賦予材料通常情況下不具有的特性，這為擴(kuò)大傳統(tǒng)非線性材料甚至低雙折射材料和各向同性材料的應(yīng)用開啟了一個(gè)新的道路。
在“神光”激光裝置中，頻率轉(zhuǎn)換器是一個(gè)重要組成部分，其轉(zhuǎn)換效率是決定整個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置輸出能量的一個(gè)關(guān)鍵。電壓調(diào)諧相位匹配法可以更靈活地對(duì)頻率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，為進(jìn)一步提升多路激光頻率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供新的方案。同時(shí)，該方法也有望在正在研制的飛秒拍瓦裝置中寬帶高增益激光脈沖放大方面得到替代性的應(yīng)用。
致謝：特別感謝實(shí)驗(yàn)室劉德安老師對(duì)本次采訪的大力支持！
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