專利名稱：準(zhǔn)位相匹配光學(xué)參量過程中的周期加場電調(diào)諧方法及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及準(zhǔn)位相匹配光學(xué)參量過程中的周期加場電調(diào)諧方法及其應(yīng)用。
普通均勻結(jié)構(gòu)非線性光學(xué)材料如BBO、LBO、KTP等已廣泛應(yīng)用于激光技術(shù)的許多領(lǐng)域。然而，由于非線性光學(xué)系數(shù)還不算太大(幾個(gè)pm/v)；有位相匹配角度、匹配溫度的限制，因而在應(yīng)用上具有一定的局限性。其調(diào)諧手段一般也是機(jī)械轉(zhuǎn)角或溫度調(diào)諧。由于電光系數(shù)太小，可實(shí)現(xiàn)的電調(diào)寬度很小(約50MHz左右)。
利用室溫極化技術(shù)制備的新型光學(xué)超晶格材料如光學(xué)超晶格LN、LT、SBN(鈮酸鍶鋇)等具有很大的有效非線性光學(xué)系數(shù)，易于在90°入射情況室溫工作。同時(shí)，它們又是良好的電光、壓電材料和摻雜基質(zhì)材料。因此，近年來光學(xué)超晶格LN、LT及相關(guān)器件研究已成為當(dāng)今光電子技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)熱門課題。利用QPM技術(shù)，許多基于光學(xué)超晶格LN的光電子器件如倍頻器、自倍頻器、光參量振蕩器已達(dá)到或接近實(shí)用化水平并開始進(jìn)入市場。這些器件均展示出不同于傳統(tǒng)器件的諸多優(yōu)點(diǎn)。如CN96117044.1給出了準(zhǔn)周期微米超晶格的制備方法，即通過在0.5mm厚的LN、LT晶體兩側(cè)加上脈沖高壓，在室溫下使其自發(fā)極化方向周期性的反轉(zhuǎn)而制得。樣品一旦制成，其周期結(jié)構(gòu)即不可改變。雖然人們可以通過晶體旋轉(zhuǎn)使實(shí)際通光路徑變長從而改變原先的QPM條件以實(shí)現(xiàn)光學(xué)參量過程(倍頻、和頻、差頻、OPA、OPO)的調(diào)節(jié)，但晶體偏離光軸通光會帶來復(fù)雜且不利的離散效應(yīng)，太薄的晶片尺寸也使得旋轉(zhuǎn)的控制較為復(fù)雜，而且機(jī)械旋轉(zhuǎn)的可靠性與響應(yīng)速度均不理想。所以，目前的QPM光學(xué)參量器件基本上均是采用溫度調(diào)諧的辦法。顯然，溫度調(diào)諧也存在著速度緩慢、操作不便，設(shè)備復(fù)雜，可靠性、穩(wěn)定性不佳等諸多缺陷，從而限制了這類器件的實(shí)用化。因此，能否尋找一種新穎、可靠、快速、高效的調(diào)諧調(diào)制手段，已成為光學(xué)超晶格材料這一優(yōu)秀的人工微結(jié)構(gòu)非線性光學(xué)材料及相關(guān)器件能否真正進(jìn)入市場的決定性因素之一。
本發(fā)明的目的是提供一種克服現(xiàn)有的以上兩種技術(shù)的不足、充分利用光學(xué)超晶格LN、LT等材料的優(yōu)秀非線性光學(xué)性質(zhì)、電光特性及作為摻雜基質(zhì)材料的特性、改進(jìn)現(xiàn)有的調(diào)諧手段的方法，實(shí)現(xiàn)QPM光學(xué)參量器件的快速高效可靠的調(diào)諧、本發(fā)明的目的還在于推進(jìn)目前的有關(guān)光參量激光裝置的實(shí)用化水平，拓寬光學(xué)超晶格材料的應(yīng)用范圍，研制出更為新穎高效的裝置。
本發(fā)明的內(nèi)容是這樣實(shí)現(xiàn)的1、利用室溫極化技術(shù)制備優(yōu)質(zhì)光學(xué)超晶格LN、LT、SBN等樣品。具體過程為在單疇LN、LT、SBN等晶體±C面鍍上鋁電極，其中的一側(cè)還需利用半導(dǎo)體光刻工藝將鋁電極刻蝕成微米量級的周期柵格，在室溫下利用這個(gè)電極在樣品上加上與原光自發(fā)極化方向相反的脈沖高壓，使樣品的自發(fā)極化周期性地反轉(zhuǎn)，這樣，樣品中就寫入一個(gè)一維的周期性鐵電疇結(jié)構(gòu)，即光學(xué)超晶格。
2、樣品制作完成以后，不是象通常那樣用磷酸洗去晶體表面的鋁電極，而是巧妙地應(yīng)用這個(gè)電極在晶體上加上周期性電場，即單在一個(gè)疇區(qū)(正疇區(qū)或負(fù)疇區(qū))加電場。由于電光效應(yīng)，加場區(qū)域折射率變?yōu)閚e′=ne-ne3γ33E；未加場區(qū)域折射率保持不變。這時(shí)，不僅晶體的非線性光學(xué)系數(shù)受到周期性的調(diào)制，其折射率即線性光學(xué)性質(zhì)也有周期性的躍變。與通常的光學(xué)超晶格LN、LT不同，此時(shí)，經(jīng)推廣的準(zhǔn)位相匹配條件為△K’L1+△K”L2=2mπ(m=1,2,3...)。由于△K與折射率有關(guān)而電場又影響了折射率的改變。于是，若外加電場改變，為仍滿足QPM條件，光學(xué)參量過程中參與耦合的三波應(yīng)發(fā)生變化，即實(shí)現(xiàn)了QPM光學(xué)參量過程的快速電調(diào)。
3、基于以下分析，將這種特殊加場方式應(yīng)用于具體的器件，即可從根本上改變QPM光參量器件無法快速高效調(diào)諧的現(xiàn)狀，并可望開發(fā)一些新型器件。其應(yīng)用方式如下3.1、用于二次諧波發(fā)生(SHG)或和頻(SFG)等參量頻率上轉(zhuǎn)換器件。
SFG和SHG是產(chǎn)生短波長激光的主要手段，利用光學(xué)超晶格LN對近紅外LD直接倍頻，已經(jīng)研制成全固化的小型藍(lán)光激光器。若結(jié)合本發(fā)明與LD的可調(diào)諧特性，則可望研制出可調(diào)諧的全固化小型綠、藍(lán)、紫光器件。
3.2、用于光參量放大(OPA)/光參量振蕩(OPO)(OPG)在基于光學(xué)超晶格LN、LT的光參量發(fā)生(OPG)器件上施以這種周期電場可代替溫度調(diào)諧手段實(shí)現(xiàn)OPG頻率輸出的快速電調(diào)。而且，若電場變化足夠快，達(dá)到與泵浦脈寬相近的尺度，OPG的脈沖輸出特性將受到電場的調(diào)制，這在超短脈沖發(fā)生方面，極具應(yīng)用意義。
3.3、用于QPM光差頻差頻是實(shí)現(xiàn)頻率下轉(zhuǎn)換的重要手段，利用QPM的輸出獲得中紅外輸出，在環(huán)境監(jiān)測、軍事應(yīng)用方面具有重大意義。若利用本法，結(jié)合泵浦光或信號光調(diào)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)差頻器件的電調(diào)諧。
3.4、用于光通訊領(lǐng)域由于石英光纖的傳播損耗僅在某些波段如1.3μm、1.5μm傳輸損耗最小即存在著所謂的通訊窗口。為提高通訊容量，目前光通訊技術(shù)的一個(gè)發(fā)展趨勢是波分復(fù)用(WDM)、即將一個(gè)通訊窗口分成若干個(gè)頻率相近的頻帶，每個(gè)頻帶單獨(dú)傳送一路信號。利用OSLLN、LT通過OPO、DFG可方便地獲得所需波長光源。利用本發(fā)明，通過電調(diào)制的方法，可以方便迅速地改變輸出波長，靈活選擇所需通信頻率，并可實(shí)現(xiàn)各頻帶之間的頻率轉(zhuǎn)換。一個(gè)很普通的例子就是1.3、1.5μm兩個(gè)窗口之間的頻率轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)與主干網(wǎng)之間的信息交換。此外，若將所加電場加以一定的信號調(diào)制，由于響應(yīng)速度極快，在基于DFG的系統(tǒng)中，所加電場將引起對準(zhǔn)位相匹配的偏離，影響差頻光輸出強(qiáng)度。利用這個(gè)性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)對通訊信號的調(diào)幅編碼輸出。若基于OPG系統(tǒng)，電場變化將引起參量光頻率輸出改變，又可用于調(diào)頻輸出。
3.5、用于腔內(nèi)倍頻或自倍頻、自和頻、自差頻器件。
由于這些器件與諧振腔特性關(guān)系極大，在基于光學(xué)超晶格LN、LT的這些器件上，若對光學(xué)超晶格LN或LT施以本發(fā)明所述的周期性外加電場。由于折射率改變，系統(tǒng)將偏離QPM條件要求，這時(shí)倍頻(和差頻)光輸出減小，基波(或信號光波)損耗同時(shí)大大減?。环粗?，也可對原先稍稍偏離嚴(yán)格QPM條件的系統(tǒng)加場使之滿足QPM條件，對諧振腔而言，即是其Q值隨電場變化。顯然，這意味著可直接利用光學(xué)超晶格LN、LT晶體本身實(shí)現(xiàn)調(diào)Q輸出。
本發(fā)明的效果是將本發(fā)明提出的這種加場方式應(yīng)用于具體的器件，大大提高其性能，便于其實(shí)用化和市場化。
以下結(jié)合附圖和通過如下這些實(shí)施例加以說明。


圖1、一個(gè)典型樣品加場后的OPG調(diào)諧曲線采用1064nm Nd:YAG激光器泵浦0.5mm厚、調(diào)制周期28μm的光學(xué)超晶格LN晶體的OPG電調(diào)諧曲線。僅需在樣品上施以±4kv的電壓即可實(shí)現(xiàn)20nm的波長調(diào)諧。
圖2、樣品制備示意利用外加高壓脈沖室溫極化技術(shù)制備光學(xué)超晶格LN、LT的示意3、加場方式示意光學(xué)超晶格LN、LT等材料周期加場示意4、直接倍頻器結(jié)構(gòu)示意5、腔內(nèi)倍頻器結(jié)構(gòu)示意6、自倍頻器結(jié)構(gòu)示意7、光參量振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖1、圖2中利用室溫極化工藝，給出制備特定周期的OSL LN、LT樣品的實(shí)施例。首先利用提拉法生長LN、LT晶體并作單疇化處理；然后切割成0.5mm厚的晶片(c方向)，在晶體1的±c面度上鋁電極。其中的一側(cè)還需利用半導(dǎo)體光刻工藝將鋁電極2刻蝕成微米量級的周期柵格[對倍頻、自倍頻器件為4-8微米(LN)、4-9微米(LT)，對OPG為26-31微米(LN)、26-33微米(LT)]，在室溫下利用這個(gè)電極在樣品上加上與原自發(fā)極化方向相反的脈沖高壓P(10千伏左右)，使樣品的自發(fā)極化周期性反轉(zhuǎn)。這樣，樣品中就寫入一個(gè)一維的周期性鐵電疇結(jié)構(gòu)，即光學(xué)超晶格。
2、圖4-圖7基于OSL LN、LT樣品，設(shè)計(jì)相關(guān)的倍頻、和頻、差頻光參量放大，光參量振蕩，自倍頻、自和頻等涉及到QPM光學(xué)參量過程的器件在泵譜源3的激發(fā)下獲得倍頻光或參量光的輸出。
3、利用樣品制作時(shí)的電極，在樣品上加上如圖3所示的周期性外電場(1-10千伏)，使其折射率周期性地改變，根據(jù)QPM條件的要求，實(shí)現(xiàn)相關(guān)器件的快速電調(diào)諧。
權(quán)利要求
1.一種在準(zhǔn)位相匹配光學(xué)參量過程中的周期加場電調(diào)諧方法，其特征是利用周期性電極通過室溫極化技術(shù)制備優(yōu)質(zhì)光學(xué)超晶格材料，在倍頻、和頻、光參量發(fā)生等參量過程中利用這個(gè)電極在晶體上加上周期性電場，即單在一個(gè)疇區(qū)加電場。
2.由權(quán)利要求1所述的在準(zhǔn)位相匹配光學(xué)參量過程中的周期加場電調(diào)諧方法，其特征是在LN、LT晶體上加上脈沖高壓，制備調(diào)制周期為如下參數(shù)的光學(xué)超晶格LN、LT對倍頻、自倍頻器件為4-8微米(LN)、4-9微米(LT)，對OPG為26-31微米(LN)、26-33微米(LT)。
3.由權(quán)利要求1所述的在準(zhǔn)位相匹配光學(xué)參量過程中的周期加場電調(diào)諧方法，其特征是在光學(xué)超晶格材料上加上1-10千伏周期性外電場。
4.由權(quán)利要求1所述的在準(zhǔn)位相匹配光學(xué)參量過程中的周期加場電調(diào)諧方法，其特征是所述的光學(xué)超晶格材料為LN、LT、SBN等。
全文摘要
本發(fā)明涉及到一種對光學(xué)超晶格LN、LT等材料選擇性加電場的新方法及其制品,由于巧妙地利用了樣品制備時(shí)的周期性電極,通過周期性外加電場調(diào)制樣品的折射率,實(shí)現(xiàn)了QPM光學(xué)參量過程的電光調(diào)諧,彌補(bǔ)了此類器件難以快速高效調(diào)諧的缺點(diǎn),大大提高了器件的調(diào)諧精度及速度,有利于OSLLN、LT及相關(guān)器件的實(shí)用化和市場化,并可望由此開發(fā)出更為新穎的相關(guān)器件,應(yīng)用于信息儲存、光通訊、信號處理、軍事對抗、環(huán)境保護(hù)等諸多領(lǐng)域。
文檔編號H03J1/00GK1213218SQ9710713
公開日1999年4月7日 申請日期1997年9月29日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月29日
發(fā)明者祝世寧, 許祖彥, 閔乃本, 陸延青, 駱桂蓬, 徐瑤, 何京良, 孔羽飛 申請人:南京大學(xué)