專利名稱：三硼酸鋰晶體纖維及用其制造的器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種非線性光學材料-三硼酸鋰晶體纖維及用該晶體纖維制造的非線性激光器件。
三硼酸鋰單晶(LiB3O5、簡稱LBO)的生長和激光領域中的用途已有中國專利申請?zhí)?81048380和中國專利申請公開號CN1030482A做了說明，但是關于晶體纖維狀的三硼酸鋰尚未見有任何報道。雖然由D.Gasson等人在J.Mater.Sci.，5(1970)，P100及Stanford News，Stanford University News，May.10(1988)報道了眾多的單晶纖維，卻沒有涉及本發(fā)明的三硼酸鋰晶體纖維。當然就單晶纖維的制造技術而言、就其基本方法，上述有關資料進行了一般介紹?！凹す饧訜峄w生長-提高氧化物超導體材料臨界電流密度的工藝途徑”(葛云龍等，物理，18卷3期P158-160，1989)對晶體纖維的生長技術及有關產品做了扼要的介紹，仍未有三硼酸鋰晶體纖維的任何信息。
從已有的資料中可以看出，晶體纖維是有很大前途的材料，將能在光通信和激光領域中發(fā)揮重要作用。本發(fā)明的研究者們認識到，由于LBO單晶的優(yōu)越性能，研制它的晶體纖維將更有意義。為此，本發(fā)明采用激光加熱基座法生長了LBO晶體纖維，并用它來制造非線性激光器件。
本發(fā)明的LBO晶體纖維，是用激光束加熱LBO原料棒，在棒的端面形成微小的熔區(qū)，用籽晶伸入熔體再緩慢提拉出來形成LBO晶體纖維。
通過調整加熱用的激光功率、LBO源棒的給進速率和籽晶的提拉速度可以獲得不同直徑的LBO晶體纖維，籽晶采取同質的，可按幾何結晶學的任何方向生長，也可按相位匹配角方向生長，LBO晶體纖維的長度可按需要控制。
本發(fā)明所制備的LBO晶體纖維、化學組成為LiB3O5，直徑為0.005～0.5mm，長度一般為1～100mm。除光波導特性之外，它的物理性質和化學性質與塊狀LBO單晶一樣。它的非線性特性，透過光的波段、光損傷閾值等也和塊狀LBO單晶一樣。由于LBO晶體纖維具有波導的幾何形狀，特別適應于非線性光學效應元件和波導元件，能大大提高非線性轉換效率，同時又可減少光在傳輸過程中的能量損耗。例如LBO晶體纖維倍頻器，由于被它傳輸的光信號約束在晶體纖維中，沿著纖維長度方向傳輸多不發(fā)散，避免了泵浦光和信頻光束的走離角，增加了光學非線性作用的長度，從而提高了光能的轉換效率。又如，用塊狀LBO單晶所制做的非線性光學效應元件，當它和傳光光纖配合時必須解決光耦合的問題，而采用晶體纖維的LBO來做同一器件就可提高耦合效率、減少能量損耗。特別是按照激光的相位匹配角方向拉制的LBO晶體纖維，做為非線性光學效應元件，可直接應用，不需要像塊狀晶體一樣按匹配角方向加工。不按匹配角方向拉制的LBO晶體纖維也可控制溫度實現相位匹配。在相同泵浦光功率條件下，用LBO晶體纖維可得到更高的泵浦光功率密度，從而可對光強較弱的光源(如激光二極管、小型YAG激光器等)的光實現倍頻、和頻、差頻及光參量振蕩等非線性光學過程，并具有許多塊狀單晶不具有的優(yōu)異性能，LBO晶體纖維有光明的應用前景，它可廣泛用于激光頻率變換的非線性光學器件，如倍頻器、差額器、和頻器，還可用于光參量放大器和光參量振蕩器。
所謂激光頻率變換的非線性光學器件，就是指具有如下特性的激光器件，即至少一束激光輻射入射通過器件中的非線性晶體后能輸出至少一束激光輻射，其頻率和入射光束的頻率不一樣。如果只一束入射光，輸出光束的頻率為入射光束頻率的整數倍，即ω1→nω1(稱ω2).(n＝1、2……)。如果入射光為二束，而輸出光束為一束，輸出光束的頻率為ω3＝ω1±ω2，這就是所謂的和頻和差頻變換。如果入射光束ωp為泵浦頻率，ωs光束為信號頻率，通過非線性光學器件，由于光場的耦合、信號頻率ωs可被放大并伴隨產生第三種頻率為Wi的光束，這種變頻效果稱為光參量放大。如果光參量放大作用發(fā)生在光學諧振腔內，并附加一定條件就可產生光參量振蕩(簡稱OPO)。如果諧振腔對ωs和ωi光束都是低損耗的，泵浦光ωp達到一定強度后，變頻晶體對ωs和ωi光束的增益超過損耗，就有ωs和ωi的激光輸出、這種效應稱雙諧振蕩。如果諧振腔對ωi不是低損耗的，則只產生ωs的激光輸出，稱單諧振蕩。
用本發(fā)明的晶體纖維制做的非線性光學器件與用塊狀LBO晶體制做非線性光學器件相比，具有獨特的優(yōu)點。除前面敘述過的優(yōu)點外，還有用LBO晶體纖維制作的非線性光學器件對泵浦光能量利用率高的特點，而且對泵浦光的發(fā)散角的要求低。用塊狀LBO晶體制成的非線性器件的相位匹配角寬度比KDP等非線性晶體大，但還需進一步增大以提高泵浦光利用率并降低對泵浦光發(fā)散角的要求。用LBO塊狀單晶體上形成的光波導做為非線性光學器件，由于該波導內外的介質折射率差不夠大，因而波導對光束的約束能力不夠大，導致泵浦光利用率不高和對泵浦光束發(fā)散角要求仍然較高，而且這種波導與泵浦光的截面形狀不同導致耦合效率降低，這種耦合技術至今未得到很好的解決。同時波導作用比較弱，可能會使所產生的新頻率的光從波導的側面泄漏到波導之外，這既會降低轉換效率，也會給使用造成新的困難。而LBO晶體纖維制成的非線性光學元件，由于可獲波導內外介質之間很大的折射率差，因而其波導作用極強，從而大大降低了對泵浦光發(fā)散角的要求，這對于實際應用，尤其是對一些光束質量不好的泵浦光源(如半導體激光器等)的倍頻器等是非常重要的。它對泵浦光的接收角達到2π球面度，即只要泵浦光照到其端面上就可進入纖維并沿纖維傳播。這表明單模LBO晶體纖維非線性光學器件對泵浦光發(fā)散角沒有任何要求，而多模，LBO晶體纖維也可接收全部入射的泵浦光并且通過纖維內部傳導模式之間的耦合而大大提高泵浦光的利用率。同時，所產生的新頻率光全部限制在纖維內傳播。這樣既提高了倍頻效率，也因只在端面輸出光而為使用提供方便。又因其橫截面可與泵浦光截面良好地匹配，提高耦合效率。通常晶體纖維的通光橫截面為0.00003～0.08cm2。


圖1、為LBO晶體纖維激光倍頻器結構示意2、為LBO晶體纖維激光和頻、差頻結構示意3、為LBO晶體纖維激光參量振蕩器示意圖上述付圖結合器件施例說明。
實施例一圖1是用LBO晶體纖維制做的激光倍頻器示意圖，(1)是泵浦光源;(2)光輸入偶合系統(tǒng);(3)LBO晶體纖維;(4)激光輸出耦合系統(tǒng);LBO晶體纖維(3)直徑0.01mm，長度20mm;二個端面可以是平面，也可以是球面。兩端面可以分別鍍增透膜(5)和(6)，也可不鍍膜。其組成的順序是(1)→(2)→(5)→(3)→(6)→(4)。增透膜(5)可改為泵浦光高透而對倍頻光是高反射的反射鏡，(6)膜是可改成對泵浦光高反對倍頻高透的透光鏡。這二個鏡可以作成獨立的元件，也可以粘在晶體纖維的二個端面上或鍍在二端面上。光輸入耦合系統(tǒng)(2)和輸出耦合系統(tǒng)(4)可以用常規(guī)的聚焦透鏡(單透鏡或組合透鏡)，也可用自聚焦透鏡(梯度折射率棒)，或者是二者的組合。光輸出耦合系統(tǒng)中可加入濾光片分光元件，使輸出光只含有所需頻率的光。光耦合系統(tǒng)也可不用，由泵浦光直接耦合到LBO晶體纖維中從其內部直接輸出到下一個系統(tǒng)。泵浦光(1)可以是固體激光器輸出的激光束，也可以是液體激光器或氣體激光器的激光束。一定強度的激光進入此系統(tǒng)中的LBO晶體纖維后，在相位匹配條件下就可輸出倍頻光束。
實例二圖2是用LBO晶體纖維制做的非線性激光和頻和差頻器示意圖。(1)和(2)分別是ω1和ω2泵浦激光光束，ω1≠ω2，(3)是合光系統(tǒng)、(4)是光輸入耦合系統(tǒng)、(5)是LBO晶體纖維、(6)是光輸出耦合系統(tǒng)。合光系統(tǒng)(3)把兩束激光ω1和ω2合成一束光、然后經過光輸入耦合系統(tǒng)將光束輸入LBO晶體纖維(5)中。合光系統(tǒng)(3)可以用波長選擇反射器或y型光纖耦合器、或光纖定向耦合器、或偏振棱鏡，或上述幾種的組合。甚至可省去合光系統(tǒng)(3)，而只用光輸入耦合系統(tǒng)(4)把ω1和ω2光輸入到LBO晶體纖維中去。因為LBO晶體纖維對泵浦光的會聚角要求很寬。只要使LBO晶體纖維滿足ω1和ω2和頻和差頻的相位匹配條件，就能輸出ω1+ω2的和頻光束ω3或｜ω1-ω2｜的差頻光束ω4。光輸出耦合系統(tǒng)可采用波長選擇反射鏡，常規(guī)聚焦透鏡、自聚焦透鏡(梯度折射率棒)，分光棱鏡、偏光棱鏡中的一種或幾種組合。而光輸入耦合系統(tǒng)(4)和LBO晶體纖維(5)與實施例一中的要求相同。
實例三圖3是用LBO晶體纖維制成的光參量振蕩器示意圖。(1)是激光束W1、(2)光輸入耦合系統(tǒng)、(3)光輸端反射鏡、(4)是LBO晶體纖維、(5)光輸出端反射鏡、(6)是光輸出耦合系統(tǒng)。其中的(1)、(2)、(6)的結構和要求同實例一。而按照光參量振蕩器的要求，相應的信號頻率，在本系統(tǒng)中，則將LBO晶體纖維的自發(fā)輻射信號ω2作為信號頻率，而且ω2＜ω1，輸入端的反射鏡(3)是對ω1高透，對ω2全反的反射鏡。輸出端的反射鏡(5)是對ω1全反，對ω2部分反射的反射鏡。反射鏡(3)和(5)可以是獨立的光學元件，也可以是被制做在晶體纖維端面上的膜。對于LBO晶體纖維的要求和例一相同，但匹配條件應符合光參量振蕩器的要求。在本實例中，激光ω1進入光參量振蕩器后，在通過LBO晶體纖維時，使晶體纖維自身的自發(fā)輻射頻率ω2得到放大并產生振蕩，所輸出的ω2作為一個特例，頻率是ω1的一半，即波波長增大一倍。
上述實例也可作為非線性波導的實例，也可做成單純的波導器件，總之用LBO晶體纖維做波導比塊狀單晶LBO波導更為優(yōu)越。
權利要求
1.一種非線性光學晶體三硼酸鋰、化學組成形式是LiB3O5，其特征在于所述的三硼酸鋰晶體是纖維狀晶體。
2.按照權利要求1所述的LBO纖維晶體，其特征在于纖維直徑是0.005～0.5mm，晶體纖維的長度是1～100mm。
3.一種用三硼酸鋰晶體制做的非線性光學器件，它包括可將一束或一束以上的激光輻射波入射至非線性晶體后，從非線性光學晶體中輸出一束或一束以上頻率不同于入射光的輻射輸出裝置，其特征在于所說的三硼酸鋰非線性晶體是纖維狀的三硼酸鋰晶體。
4.按照權利要求3所述的非線性光學器件，其特征在于所說的三硼酸鋰晶體纖維的通光截面為0.00003～0.08cm2。
5.一種非線性光學波導器件，它包含將至少一束入射光波輸入至至少一段非線性晶體LBO后，輸出至少一束頻率不同于入射光的光輻射輸出裝置，其特征在于所述的非線性晶體LBO是晶體纖維，而且至少有一段晶體纖維是波導，所入射的光波經過該波導。
6.按照權利要求5所述的非線性光波波導器件，其特征在于LBO晶體纖維波導是由晶體纖維本身符合波導的幾何形狀。
7.按照權利要求5所述的非線性光學波導器件，其特征在于LBO晶體纖維和與該纖維軸向周圍接觸的界質之間有大的折射率差。
全文摘要
本發(fā)明闡述由激光加熱基座法制做的三硼酸鋰晶體纖維的性質，組成、形狀和尺寸及用它制做的非線性光學器件的特點。說明晶體纖維和塊狀單晶有相同的組成和物化性能，所制纖維直徑為0.005-0.5mm，長度為1-100mm。同時還說明了利用LBO晶體纖維制做的倍頻器，和頻器、差頻器、光參量振蕩器和波導器的一般結構和使用實例。
文檔編號C03B37/01GK1044799SQ90100029
公開日1990年8月22日 申請日期1990年1月8日 優(yōu)先權日1990年1月8日
發(fā)明者霍玉晶, 季陽陽, 趙書清, 張紅武, 黃朝恩, 周炳琨 申請人:清華大學電子工程系, 國家建筑材料工業(yè)局, 人工晶體研究所