一种基于光学tamm态的m-dbr非线性激光限幅结构
技术领域
1.本发明涉及光学tamm态、光子晶体和非线性光学领域，具体涉及一种基于光学tamm态的m-dbr非线性激光限幅结构，可应用于1064nm波长处激光，同时对弱光实现高透过，对强光实现高衰减。
背景技术：2.随着激光技术的发展，能量较低的激光可以作为信号光，用于己方的激光测距和激光告警，而能量较高的激光可被作为攻击光，对己方形成人员或光电设备进行干扰、致盲，甚至毁伤。如常见波长为1064nm的激光，当激光功率密度达到58mw/mm2时，短暂的照射就会对视网膜造成不可逆的损伤。因此需要对高功率激光进行限幅防护，而低功率的激光作为仪器的信号输入，则不需要限幅。
3.目前常用的激光限幅技术按照原理可以被划分为三大类：基于相变原理的光限幅技术、基于线性光学原理的光限幅技术、基于非线性光学原理的光限幅技术。其中基于相变原理的光限幅技术，使用的材料从金属态转化为半导体态的过程需要一定的恢复时间，在这一段时间内，相变材料呈现低透射状态，光电传感器无法正常接收信号。基于线性光学原理实现的激光限幅技术也存在不少缺点，难以对多波长激光实现防护，其透过率也无法根据入射激光的强度动态调整，难以满足对于同一波段弱信号光的高透过，强攻击光的高衰减。目前已有的基于一维光子晶体带隙反射的yag激光防护镜设计，应用的是线性光学原理，存在不能根据激光的强度动态控制激光透过率的缺点。
4.光学tamm态是一种无损的光学表面态，是光子在光学晶体的电介质表面的强局域现象。与普通的光子晶体产生的光子局域现象相比，光学tamm态的光子局域可以高出一个、甚至多个数量级，更易于激发介质的非线性作用，实现更好的限幅效果。基于光学tamm态进行非线性激光限幅器的设计，不需要对入射光进行严格的方位角控制；且响应速度极快，可以达到纳秒数量级，对比之前的限幅方法有显著的优点。
5.综上所述，为了解决现有的技术缺陷，本项发明基于光学tamm态设计了一种新型的m-dbr非线性限幅结构，对弱光实现高透过的同时实现强光的高衰减。
技术实现要素：6.本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于光学tamm态的m-dbr非线性激光限幅结构。
7.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
8.一种基于光学tamm态的m-dbr非线性激光限幅结构，该非线性激光限幅结构由三种光学介质按一定顺序堆叠而成，设三种介质分别为a、b和m，则该非线性激光限幅结构为m(ab)4，介质a和b为非线性光学材料，介质m为金属材料，上标4表示介质层ab交替四个周期。
9.介质m与a、b交替组成的dbr结构表面满足相位匹配条件，形成光学tamm态，使得原本为dbr光子晶体禁带的波段出现光学tamm态诱导的透射增强现象，从而使得较弱的入射
光也能够有着高的透过；随着入射光功率密度的不断增大，光学tamm态具有光场局域作用，使得非线性光学介质a和b的折射率增加，从而导致透射谱中心发生红移，1064nm处逐渐恢复为原本光子晶体禁带的区域，因此针对于1064nm的强激光，透射率将不断降低，从而实现强光下的高衰减。
10.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
11.进一步地，适用于激光波长为1064nm的非线性激光限幅结构中，介质m的材料为金属银(ag)，介质a的材料为掺杂纳米铜和纳米铁的钛酸钡(nano-au:(nano-fe:batio3))，介质b的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)；三种介质a、b和m的厚度依次为108nm、141nm和24nm。
12.进一步地，适用于激光波长为1064nm的非线性激光限幅结构中，介质a的线性折射率为2.4，非线性折射率为2.1
×
10-8
cm2/w；介质b的线性折射率为1.48，非线性折射率为5.78
×
10-12
cm2/w；介质m的背景介电常数ε
∞
＝3.7，等离子体频率ω
p
＝1.38
×
10
16
/s，阻尼碰撞频率
13.进一步地，适用于激光波长为1064nm的非线性激光限幅结构中，光功率密度小于0.15mw/cm2时，光透射率大于70.52％；光功率密度为1.27mw/cm2时，光透射率为60.71％；光功率密度大于6mw/cm2时，光透射率为9.61％。
14.本发明的有益效果是：本发明利用介质银、掺杂纳米铜和纳米铁的钛酸钡和聚甲基丙烯酸甲酯提供了一种基于光学tamm态的m-dbr非线性激光限幅结构，对弱光实现高透过的同时实现强光的高衰减。光学tamm态是一种无损的光学表面态，与普通光子晶体产生的光子局域现象相比，光学tamm态激发可以高出几个数量级，能够更好的激发光子晶体的非线性，更容易实现非线性限幅效果。由于tm和te光都能够激发光学tamm态，因此基于光学tamm态设计的非线性限幅器对入射光的偏振性不敏感。光学tamm态对入射光的入射角度没有要求，因此可以实现广角的非线性限幅。此外，利用m-dnr结构可以对强光有较高的反射，减少了介质层本身对强光的吸收，大大提高了非线性限幅器的激光损伤阈值。
附图说明
15.图1为本发明m-dbr非线性限幅结构的横截面图；
16.图2为本发明m-dbr非线性限幅结构内部电场分布图；
17.图3为本发明m-dbr非线性限幅结构透射峰随着入射光功率密度增大而红移的示意图；
18.图4为入射光波长为1064nm下该限幅结构透过率随入射光功率密度的变化关系图。
具体实施方式
19.现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
20.如图1所示，一种基于光学tamm态的m-dbr非线性激光限幅结构，该非线性激光限幅结构由三种光学介质按一定顺序堆叠而成，设三种介质分别为a、b和m，则该非线性激光限幅结构为m(ab)4，介质a和b为非线性光学材料，介质m为金属材料，上标4表示介质层ab交替四个周期。
21.针对攻击波长为1064nm的激光，在本基于光学tamm态的m-dbr非线性激光限幅结构中，介质m的材料为金属银(ag)，厚度为108nm，背景介电常数ε
∞
＝3.7，等离子体频率ω
p
＝1.38
×
10
16
/s，阻尼碰撞频率介质a的材料为掺杂纳米铜和纳米铁的钛酸钡(nano-au:(nano-fe:batio3))，厚度为141nm，线性折射率为2.4，非线性折射率为2.1
×
10-8
cm2/w；介质b的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)，厚度为24nm，线性折射率为1.48，非线性折射率为5.78
×
10-12
cm2/w。当入射光功率密度小于0.15mw/cm2时，光透射率大于70.52％；光功率密度为1.27mw/cm2时，光透射率为60.71％；光功率密度大于6mw/cm2时，光透射率为9.61％。
22.针对本发明提供的基于光学tamm态的m-dbr非线性激光限幅结构，使用有限元分析软件comsol multiphysics进行仿真计算，添加波动光学模块中的电磁波频域物理场，进行稳态分析，可以得到本发明m-dbr非线性限幅结构内部电场分布。如图2所示，入射光场沿m-dbr结构工作方向振荡变化，由于介质m(金属层)与dbr结构产生的光学tamm态，光场局域在介质m(金属层)与dbr之间，使得较弱的1064nm激光也能够被诱导增强透射。如图3所示，由于介质a和b选用的是非线性光学材料，随着入射激光功率密度的不断增加，由于光学克尔效应，介质a和b的折射率增大，导致原本的透射峰红移，1064nm处的透过率相应的降低，达到高入射光功率密度下的光限幅效果。如图4，针对于波长1064nm的入射激光，本发明基于光学tamm态的m-dbr结构在入射光功率密度小于0.15mw/cm2时，透射率大于70.52％；当入射光功率密度不断增大到6mw/cm2时，光透射率能够逐渐降至9.61％，从而实现1064nm激光的非线性限幅。
23.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
技术特征：1.一种基于光学tamm态的m-dbr非线性激光限幅结构，其特征在于，该非线性激光限幅结构由三种光学介质按一定顺序堆叠而成，设三种介质分别为a、b和m，则该非线性激光限幅结构为m(ab)4，介质a和b为非线性光学材料，介质m为金属材料，上标4表示介质层ab交替四个周期。2.根据权利要求1所述的一种基于光学tamm态的m-dbr非线性激光限幅结构，其特征在于，适用于激光波长为1064nm的非线性激光限幅结构中，介质m的材料为金属银，介质a的材料为掺杂纳米铜和纳米铁的钛酸钡，介质b的材料为聚甲基丙烯酸甲酯；三种介质a、b和m的厚度依次为108nm、141nm和24nm。3.根据权利要求2所述的一种基于光学tamm态的m-dbr非线性激光限幅结构，其特征在于，适用于激光波长为1064nm的非线性激光限幅结构中，介质a的线性折射率为2.4，非线性折射率为2.1
×
10-8
cm2/w；介质b的线性折射率为1.48，非线性折射率的为5.78
×
10-12
cm2/w；介质m的背景介电常数ε
∞
＝3.7，等离子体频率ω
p
＝1.38
×
10
16
/s，阻尼碰撞频率4.根据权利要求3所述的一种基于光学tamm态的m-dbr非线性激光限幅结构，其特征在于，适用于激光波长为1064nm的非线性激光限幅结构中，光功率密度小于0.15mw/cm2时，光透射率大于70.52％；光功率密度为1.27mw/cm2时，光透射率为60.71％；光功率密度大于6mw/cm2时，光透射率为9.61％。
技术总结本发明提供一种基于光学Tamm态的M-DBR非线性激光限幅结构，该非线性激光限幅结构由三种光学介质按一定顺序堆叠而成，设三种介质分别为A、B和M，则该非线性激光限幅结构为M(AB)4，介质A和B为非线性光学材料，介质M为金属材料，上标4表示介质层AB交替四个周期。本结构基于光学Tamm态实现对1064nm弱信号激光的高透射，而对于较强的激光，利用非线性折射效应，使得该限幅器结构的透射谱中心发生移动，进而实现对1064nm强激光的非线性限幅。本发明可有效应用于对1064nm波长激光的限幅，同时对弱光实现高透射。弱光实现高透射。弱光实现高透射。
技术研发人员：路元刚 黄剑 王梓涵 黄木容 杨一国 茅竹鸣 郭奕辰
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2022.04.08
技术公布日：2022/7/5
