準相位匹配（Quasiphasematching）是非線性光學頻率轉換的一種重要技術，其思想最早由 J Armstrong 等人 1 於 1962 年提出，V Berger2 於 1998 年將它推廣到二維結構，並提出非線性光子晶體的概念。非線性頻率轉化中要求動量守恆，在普通非線性晶體中由於色散的存在較難實現，特別是同時多個非線性相互作用的，而非線性週期性結構提供的倒格矢則能較容易地實現相位匹配。透過在非線性介質中構造週期性的結構（非線性光子晶體），它能有效的實現非線性頻率轉化。相對通常的完美相位匹配（溫度匹配，角度匹配），這種方法稱為準相位匹配，它能更容易利用較大的非線性係數。因此，現在這種技術已廣泛應用於非線性光學領域，並且實現了一些普通晶體中難以做到的現象。 準相位匹配需要在非線性光子晶體中實現，在非線性光學發展初期，這種技術主要停留在理論階段。20 世紀 90 年代，隨著非線性晶體生長和極化技術的提高，非線性光子晶體的製作得到極大發展。1993 年，Yamada 等人首次利用電極化反轉的方法制作出光學超晶格；1995 年，M Fejer 等人制作出大塊週期性極化鈮酸鋰（periodically poled lithium niobate PPLN） 1997 年，閔乃本等人（NB Ming et al）製作出準週期極化光學超晶格，並用首次利用單束光單塊晶體實現了三倍頻綠光的產生；1999 年，N Broderick 等人制作出第一個二維，並驗證了非線性布拉格衍射。現在，非線性光子晶體中的準相位匹配技術已廣泛應用於二次，三次和高次諧波的產生，波長轉換，參量轉換等過程。 原理 非線性過程透過非線性係數實現耦合。除能量守恆，非線性耦合還要求動量守恆，即相位匹配，當相位匹配時，可以獲得很高的轉換效率，反之，非線性過程就很弱。通常可以採用角度匹配，溫度匹配，準相位匹配等方法實現相位匹配。但前二者對光波的傳播方向和偏振態要明確要求，一般也不能利用到晶體較大的非線性係數，同時對於不同波長的匹配也很困難，多個非線性過程同時實現更是困難。而準相位匹配則能較好解決這些問題。可以透過一個三波耦合說明準相位匹配原理。考慮一個三波（mathbf omega_1mathbf omega_2mathbf omega_3）的相互作用 mathbf omega_3mathbf omega_1mathbf omega_2，它們的波矢分別為 mathbf k_1mathbf k_2mathbf k_3 通常，由於頻率色散的存在，它們的相位不匹配，即相位失配量 Delta mathbf kmathbf k_3mathbf k_2mathbf k_1。而在準相位匹配結構中，由於非線性係數被週期性調製，因此它是空間 mathbf r 的函式。通常可以用一個結構函式 f mathbf r 來描述這種週期性調製。對結構函式 f mathbf r 可進行傅立葉展開，f mathbf rsum_mn f_mn exp imathbf G_mnmathbf r 其中，mathbf G_mn 準相位結構提供的倒格矢，f_mn 為相應的傅立葉係數，mn 為整數。可以看到，準相位匹配結構可以提供多個倒格矢，這樣可以需要選擇和合適的倒格矢，從而實現相位匹配。例如選擇合適的 mathbf G_mn 可以得到 mathbf k_3mathbf k_2mathbf k_1mathbf G_mn0，即相位匹配，從而獲得高效率的非線性頻率轉換。 重要成果 電極化製作 PPLN 大塊 PPLN 的實現 單束光單晶體直接三倍頻 三原色雷射器 相關文獻 一維 1 綜述文章 YY Zhu and NB Ming Dielectric superlattices for nonlinear optical effectsOptical and Quantum Electronics31109311281999doi101023A1006932103769 2 準週期結構 S N Zhu Y Y Zhu and N B Ming Quasiphasematched thirdharmonic generation in a quasiperiodic optical superlattice Science 278 843846 1997 doi 101126science2785339843 K F Kashi and A Arie Multiplewavelength quasiphasematched nonlinear interactions IEEE J Quantum Electron 35 16491655 1999 doi1011093798088 3 非週期結構 B Y Gu B Z Dong Y Zhang and G Z Yang Enhanced harmonic generation in aperiodic optical superlattices Appl Phys Lett 75 21752177 1999doi1010631124956 4 非週期結構 H Liu Y Y Zhu S N Zhu C Zhang and N B Ming Aperiodic optical superlattices engineered for optical frequency conversion Appl Phys Lett 79 728730 2001 doi10106311381569 5 非週期結構 T Kartaloğlu Z Gürkan Figen and O Aytür Simultaneous phase matching of optical parametric oscillation and secondharmonic generation in aperiodically poled lithium niobate J Opt Soc Am B 20 343350 2003 doi101364JOSAB20000343 6 啁啾結構 K L Baker Singlepass gain in a chirped quasiphasematched optical parametric oscillator Appl Phys Lett 82 38413843 2003 doi10106311579848 二維 1 綜述文章 A Arie A Bahabad and N Habshoosh Nonlinear interactions in periodic and quasiperiodic nonlinear photonic crystals in Ferroelectric Crystals for Photonic Applications eds P Ferraro S Grilli and P De Natale ch10259294 Springer Verlag 2008doi1010079783540779650 2 第一塊二維非線性光子晶體 N G R Broderick G W Ross H L Offerhaus D J Richardson and D C Hanna Hexagonally poled lithium niobate a twodimensional nonlinear photonic crystal Phys Rev Lett 84 43454348 2000 doi 101103PhysRevLett844345 參考資料 1 JA Armstrong N Bloembergen J Ducuing PS Pershan 1962 Interaction between light waves in a nonlinear dielectric Physical Review 127 1918 doi101103PhysRev1271918 2 V Berger 1998 Nonlinear photonic crystals Physical Review Letters 81 4136 doi101103PhysRevLett814136 Category 物理學術語 Category 非線性光學