專利名稱：準(zhǔn)周期微米超晶格的制備方法及其在激光變頻方面的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鐵電疇晶體材料的制備方法及其應(yīng)用。
現(xiàn)有的介電體微結(jié)構(gòu)材料主要是指周期微米超晶格材料，特別是周期極化的LiNbO3，LiTaO3和其他鐵電晶體，有塊狀的，也有光波導(dǎo)形式的。這種材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用光參量過(guò)程。如激光的倍頻、和頻、光參量放大和振蕩等場(chǎng)合。它能將激光頻率從某一固定頻率，轉(zhuǎn)移至一新頻率或調(diào)諧到某一范圍。以滿足不應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Σ煌ㄩL(zhǎng)激光的需求。CN94111519.4給出了室溫條件下對(duì)LiTaO3等晶體周期極化技術(shù)。周期極化微米超晶格能應(yīng)用于激光頻率轉(zhuǎn)移的非線性光學(xué)領(lǐng)域是采用了準(zhǔn)位相匹配(QPM)技術(shù)。通過(guò)非線性極化率的周期改變可以不斷修正由于色散效應(yīng)引起了各參量光之間的位相匹配，使得頻率轉(zhuǎn)換效應(yīng)得以增強(qiáng)。從物理角度分析，由于周期結(jié)構(gòu)能提供一個(gè)倒格矢，這一倒格矢G可以參與光在介質(zhì)中非線性相互作用。補(bǔ)償位相失配使得ΔK+G＝0。激光頻過(guò)程能在位相匹配條件下得已實(shí)現(xiàn)，不過(guò)由于一種周期結(jié)構(gòu)只能提供一個(gè)倒格矢G＝2π/∧，∧為周期，所以一種周期只能參與一種參量過(guò)程(如倍頻，或和頻)，如果需要實(shí)現(xiàn)二個(gè)參量過(guò)程如三倍頻，即倍頻+和頻，則需使用二塊不同周期的超晶格材料，分兩部完成，光用一塊晶體獲得倍頻，再用第二塊晶體將倍頻與基頻和頻得到三倍頻。其他參量過(guò)程也可依此類推。
本發(fā)明的目的是將準(zhǔn)周期超晶格材料及設(shè)計(jì)引入非線性光學(xué)和激光頻率轉(zhuǎn)移的參量過(guò)程，通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)從準(zhǔn)周期材料倒空間的多組倒格矢中選取所需要的若干倒格矢來(lái)同時(shí)參與若干參量過(guò)程，使得這些參量過(guò)程同時(shí)滿足不同的位相匹配條件，且相互耦合，導(dǎo)致高效的高次諧波產(chǎn)生。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是二種準(zhǔn)周期微米超晶格的準(zhǔn)周期設(shè)計(jì)制備方法，其特征是通過(guò)物理方法，將鐵電晶體的鐵電疇按準(zhǔn)周期排列，從而實(shí)現(xiàn)非線性系數(shù)的準(zhǔn)周期調(diào)制。對(duì)準(zhǔn)周期參數(shù)的選擇以其倒格矢參數(shù)滿足耦合激光參量過(guò)程中的位相匹配的條件下選取。所述的激光參量過(guò)程包括倍頻、和頻、差頻或其結(jié)合。
而準(zhǔn)周期微米超晶格制備方法，其特征是采用室溫外電場(chǎng)選區(qū)極化方法制成準(zhǔn)周期鐵電疇結(jié)構(gòu)的超晶格。
本發(fā)明的科學(xué)價(jià)值在于，首次將準(zhǔn)晶，準(zhǔn)周期材料引入非線性光學(xué)，將利用周期微米超晶格晶體實(shí)現(xiàn)單一參量過(guò)程的準(zhǔn)位相匹配原理推廣至利用準(zhǔn)周期微米超晶格晶體實(shí)現(xiàn)耦合參量過(guò)程的多重準(zhǔn)位相匹配。本發(fā)明應(yīng)用價(jià)值在于找到一種同時(shí)滿足多個(gè)參量過(guò)程位相匹配的方法，將本需通過(guò)若干過(guò)程，采用若干晶體完成的激光變頻，轉(zhuǎn)換過(guò)程用單一晶體完成，并獲得高效輸出。
以下結(jié)合附圖和通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明

圖1為二單元菲波拉LiTaO3微米超晶格結(jié)構(gòu)示意2為圖1材料用于三倍頻的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖3為圖1材料三倍頻光參量過(guò)程示意圖現(xiàn)以利用具有菲波拉(Fibonacci)序列極化的LitaO3微米超晶體實(shí)現(xiàn)高效三倍頻為例介紹準(zhǔn)周期微米超晶格如何實(shí)現(xiàn)多重準(zhǔn)位相匹配的耦合參量過(guò)程獲得高效高次諧波的原理、設(shè)計(jì)方案、材料的制備以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
菲波拉序例的生成方法F1＝{A}，F(xiàn)2＝{AB}…Fj＝Fj-1+Fj-2即通過(guò)取代規(guī)則A→AB，B→A逐代遞推得到，如F3＝{ABA}，F(xiàn)4＝{ABAAB}…，A、B分別是序列的兩個(gè)構(gòu)造單元，其長(zhǎng)度分別為la，lb。另一種取代規(guī)則是A→AAB，B→A逐代遞推得到，F(xiàn)3＝{AABAABA}，F(xiàn)4＝{AABABAAABAABAAAB}，該遞推規(guī)則可推廣至A→A′B，B→A，其中j是任意正整數(shù)。
2.菲波拉序列的倒格矢和結(jié)構(gòu)參數(shù)倒格矢Gmn＝2πp其中平均結(jié)構(gòu)參數(shù)D＝τla+lb對(duì)于j＝1，τ＝1/2(1+5)為黃金分割數(shù)，j≠1，τ＝1/2(m+m2+4)。
實(shí)現(xiàn)三倍頻位相匹配條件現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)三倍頻需要使用二塊晶體，分兩階段完成、利用第一塊晶體實(shí)現(xiàn)倍頻，再用第二塊晶體使倍頻與基頻和頻產(chǎn)生三倍頻。這是因?yàn)槎^(guò)程的位相匹配條件必須設(shè)計(jì)二種不同的結(jié)構(gòu)加以滿足。利用準(zhǔn)周期微米超晶格LT或LN(LitaO3、LiNbO3)，可以通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)、選取不同的倒格矢分別補(bǔ)償倍頻和頻過(guò)程的位相匹配。使得二個(gè)過(guò)程同時(shí)位相匹配，和頻過(guò)程接聯(lián)倍頻過(guò)程，二過(guò)程耦合直接從一塊晶體中獲得三倍頻，具體設(shè)計(jì)為設(shè)倍頻的位相失配為ΔK1＝4π/λ(n2w-nw)和頻的位相失配為ΔK2＝2π/λ(3n3w-2n2w-nw)其中λ為基波波長(zhǎng)，nw，n2w，n3w分別為基波，倍頻與三倍頻波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的折射率。利用Gm，n補(bǔ)償倍頻的位相失配(2)利用Gm′，n′補(bǔ)償和位相失配(3)如(2)、(3)式同時(shí)滿足，則倍頻與和頻過(guò)程同時(shí)在一塊晶體中發(fā)生，見(jiàn)圖(1)即實(shí)現(xiàn)三倍頻的位相匹配。
菲波拉微米超晶格的實(shí)際設(shè)計(jì)的實(shí)施例圖2為菲波拉LiTaO3微米超晶格的示意圖，二單元的準(zhǔn)周期材料有二個(gè)基本單元A與B。每一單元都有一組正、負(fù)疇構(gòu)成，設(shè)A單元寬度為la＝la1+La2＝la1+la1(1+)，B單元寬度為lb＝lb1+lb2＝lb1+lb1(1-τ)一般選取La1＝Lb1，且為調(diào)節(jié)參數(shù)，τ為黃金分割數(shù)τ＝1.618于是la＝la1(α+)，lb＝la(2-τ)，D＝τla+lb＝2la(1+τ)，所以倒格矢可寫(xiě)成Gm，n＝2π(m+nτ)/D＝π(m+nτ)/la1(1+τ)如果要用這樣的材料實(shí)現(xiàn)三倍頻，即要完成倍頻與和頻兩個(gè)參量過(guò)程，則倍頻過(guò)程的位相匹配為ΔK1＝4π/λ(n2w-nw)和頻過(guò)程位相匹配為ΔK2＝2π/λ(3n3w-2n2w-nw)我們可以通過(guò)設(shè)計(jì)材料參數(shù)la1，并根據(jù)入射的基波波長(zhǎng)，分別算出n3w，n2w，nw的值，選取不同的m， n，m′，n′值。使(2)，(3)兩式同時(shí)滿足，即可使倍頻與和頻過(guò)程同時(shí)在一塊材料中的完成。
更具體言之，例如設(shè)入射基波波長(zhǎng)為1.568μm。選取的材料為L(zhǎng)ita，根據(jù)LitaO3的色散關(guān)系可算得nw，n2w及n3w的值，我們?cè)O(shè)計(jì)la1＝lb1＝11μm，la2＝13μm令lb2＝6.5μm，m＝n＝1，m′＝2，n′＝3即G1，1＝ΔK2w，G2，3＝ΔK3w 這樣設(shè)計(jì)便可同時(shí)完成倍頻與和頻過(guò)程的位相匹配，用一塊材料獲得0.523μm的綠光輸出。
當(dāng)以A→AAB，B→A規(guī)則迭代時(shí)，在上述材料時(shí)有下述實(shí)施參數(shù)la1＝lb1＝5.5μm la2＝16.5μm，lb2＝4.9μm，取基頻光波長(zhǎng)為1.710μm時(shí)，得到0.571的三倍頻光輸出。
菲波拉序列LitaO3微米超晶格倍頻與三倍頻實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3與表1。
除了可直接獲得20％左右的三倍頻轉(zhuǎn)換效率外，由于準(zhǔn)周期可提供多組倒格矢，所以通過(guò)調(diào)諧基波波長(zhǎng)，在不同的波長(zhǎng)處還可獲得多處的倍頻光的輸出，利用同一塊樣品在0.9μm-1.4μm范圍調(diào)諧獲得紅、綠、黃、藍(lán)的倍頻結(jié)果。轉(zhuǎn)換效率在10％左右，所以該材料亦可用于制作多色倍頻器件。
準(zhǔn)周期微米超晶格的制備方法和實(shí)施例1.對(duì)于鐵電晶體，可采用“室溫外場(chǎng)極化技術(shù)”選取0.2-1mm厚的Z切晶片，在+Z面鍍上準(zhǔn)周期電極，在-Z面鍍上平電極，采用電場(chǎng)強(qiáng)度約為20KV/mm-30KV/mm(對(duì)于LiNbO3和LiTaO3晶體)的正向電脈沖對(duì)晶片進(jìn)行準(zhǔn)周期極化。準(zhǔn)周期極化的樣品可通過(guò)剖面的腐蝕加以確認(rèn)(見(jiàn)圖1c)2.對(duì)于非鐵電晶體則需采用疊片的方法即機(jī)構(gòu)加工或所需厚度的晶片，按準(zhǔn)周期序列疊合，或用MOCVD，PLD，MBE，Sol-gel等技術(shù)制備準(zhǔn)周期多層膜來(lái)制作。
準(zhǔn)周期超晶格的應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1與表1。
(1)制作多色倍頻器件，用一塊晶體完成不同波長(zhǎng)激光的倍頻。
(2)完成激光的高次諧波轉(zhuǎn)換，如三倍頻，四倍頻等。
(3)用一塊晶體，用一個(gè)泵浦光源，可實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)的光參量放大與光參量振蕩。
以上僅以LitaO3和最簡(jiǎn)單的Fibonacci序列(即A→AB，B→A及A→AAB，B→A)為例。說(shuō)明準(zhǔn)周期微米超晶格的設(shè)計(jì)制備及非線性光學(xué)效應(yīng)與應(yīng)用。設(shè)計(jì)思路可推廣至其他準(zhǔn)周期序列，包括多組元的Fibonacci序列，本發(fā)明所覆蓋的準(zhǔn)周期序列及其生成規(guī)則已有成熟的表述，由于每一種準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)的不同的取值，倒格矢在倒空間的分布不一樣。于是在光參量過(guò)程中表現(xiàn)出各自的特點(diǎn)。各種晶體材料也有各種色散特性。但設(shè)計(jì)的思路和方法與以上所述無(wú)區(qū)別，制備方法也一樣，這些均沒(méi)有超出本發(fā)明的范圍。
表1<
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權(quán)利要求
1.一種準(zhǔn)周期微米超晶格的準(zhǔn)周期設(shè)置方法，其特征是用鐵電疇單晶材料的電疇制成準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)，對(duì)準(zhǔn)周期參數(shù)的選擇在倒空間倒格矢滿足耦合激光參量過(guò)程中的位相匹配的條件下選取。
2.由權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)周期超晶格的設(shè)置方法，所適用的參量過(guò)程包括倍頻、和頻、差頻以及光參量放大和振蕩。
3.由權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)周期微米超晶格制備方法，其特征是采用室溫外電場(chǎng)選區(qū)極化方法制成準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)參數(shù)電疇。
4.由權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)周期微米超晶格制備方法，其特征是以LitaO3晶體、LiNbO3晶體制成二個(gè)和二個(gè)以上基本單元，每一單元都有一組正、負(fù)疇構(gòu)成，每一單元疇寬為將根據(jù)不同的位相匹配條件選取如11-13，11-6.5(μm)；5.5-16.5，5.5-4.9(μm)等等。
5.一種準(zhǔn)周期鐵電疇超晶格材料的應(yīng)用，其特征是以菲波拉序列準(zhǔn)周期材料置于基頻激光中通過(guò)耦合光參量過(guò)程而制成激光的倍頻、三倍頻、四倍頻和其他可調(diào)諧的激光變頻器件。
全文摘要
一種準(zhǔn)周期微米超晶格的準(zhǔn)周期設(shè)置方法,其特征是用鐵電疇單晶材料的電疇制成準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu),對(duì)準(zhǔn)周期參數(shù)的選擇在倒空間倒格矢滿足耦合激光參量過(guò)程中的位相匹配的條件下選取。所適用的參量過(guò)程包括倍頻、和頻、差頻以及光參量放大和振蕩。本發(fā)明應(yīng)用價(jià)值在于找到一種同時(shí)滿足多個(gè)參量過(guò)程位相匹配的方法,將本需通過(guò)若干過(guò)程,采用若干晶體完成的激光變頻,轉(zhuǎn)換過(guò)程用單一晶體完成,并獲得高效輸出。
文檔編號(hào)H01S3/00GK1172367SQ9611704
公開(kāi)日1998年2月4日 申請(qǐng)日期1996年7月31日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月31日
發(fā)明者閔乃本, 朱永元, 祝世寧 申請(qǐng)人:南京大學(xué)