專利名稱：制備稀土離子摻雜ln、lt光學(xué)超晶格材料及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新材料及相關(guān)光電子器件尤其涉及稀土離子摻雜LN、LT光學(xué)超晶格材料及其應(yīng)用。
目前商用的小型全固化光源主要還是半導(dǎo)體二極管激光器(LD)，如810nm附近的GaAlAs激光二極管，980nm附近的InGaAs激光二極管等等。這些二極管激光器在激光存貯、印刷等領(lǐng)域已發(fā)揮了巨大的作用。然而，由于波長較長，存貯、印刷的密度都受到限制。目前由于巨大應(yīng)用與市場前景的驅(qū)策，在世界范圍內(nèi)已經(jīng)掀起了一股研制短波長激光器的熱潮。然而，直至現(xiàn)在，藍(lán)、綠光半導(dǎo)體激光器還沒有真正走進(jìn)市場。雖然GaN藍(lán)光半導(dǎo)體激光器已經(jīng)已有了重要的突破，但其工作壽命仍是制約其走出實(shí)驗(yàn)室的重要因素。所以目前，利用間接的方法如非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換、頻率上轉(zhuǎn)換等技術(shù)獲得高效藍(lán)綠光仍是平行于藍(lán)綠光半導(dǎo)體激光器的另一個(gè)重要的技術(shù)途徑。而且，其光束輸出質(zhì)量還可以得到大大的改善。
非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換既是利用材料的非線性光學(xué)性質(zhì)，通過倍頻(包括腔內(nèi)倍頻、腔外倍頻和外腔倍頻)、和頻等途徑對半導(dǎo)體激光器的輸出進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換以獲得短波長輸出。目前的一種新型藍(lán)光倍頻材料光學(xué)超晶格材料(簡稱OSL，如OSLLN,OSLLT等)，及其相關(guān)器件的研究是該領(lǐng)域的一個(gè)研究重點(diǎn)。以O(shè)SLLN為例，這種材料的鐵電疇結(jié)構(gòu)受到周期、準(zhǔn)周期或其它特殊形式的人工調(diào)制?；谒^的準(zhǔn)位相匹配(QPM)理論，OSLLN能在其全透光波段(尤其是在單疇LN無法匹配的藍(lán)光波段)內(nèi)實(shí)現(xiàn)90°入射室溫倍頻，且其有效非線性光學(xué)系數(shù)比LN大4-5倍，達(dá)20pm/v左右。目前，OSLLN已被公認(rèn)為一種新型的優(yōu)秀藍(lán)光倍頻材料。
頻率上轉(zhuǎn)換不同于倍頻，是一種非參量過程。目前其機(jī)制尚未完全清楚，但最常見的是激發(fā)態(tài)吸收(ESA)機(jī)制，即電子吸收某頻率的光子到激發(fā)態(tài)，在激發(fā)態(tài)上再吸收一個(gè)相同頻率的光子能量而激發(fā)到稀土離子的更高能級上，并經(jīng)過無輻射躍遷而分別到達(dá)發(fā)光上能級，最后輻射出一個(gè)比泵光頻率高的光子。當(dāng)然，除了ESA機(jī)制，還有一些其他的理論解釋(如雙光子吸收機(jī)制TPA)，但都是電子通過某種過程吸收了兩個(gè)光子的能級的二級過程，其結(jié)果則是產(chǎn)生了比原先泵光波長更短的光輸出。正是由于上轉(zhuǎn)換的這種性質(zhì)，與大功率半導(dǎo)體激光器相配合，就可以得到全固化、小型化和短波長的激光輸出，從而在軍事和民用上有重要應(yīng)用價(jià)值。已經(jīng)報(bào)道的實(shí)現(xiàn)了在室溫下的上轉(zhuǎn)換激光振蕩的稀土離子有Br3+、Ho3+、Tm3+及Pr3+等。所使用的基質(zhì)材料泵光大多是重金屬氟化物玻璃光纖(ZBLAN)或晶體。1985年天津大學(xué)的阮永豐等人還報(bào)道了Er3+摻雜的普通LiNbO3晶體的制備及其上轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。
近年來，雙波長激光器越來越成為國際上另一個(gè)較熱門的研究課題，廣泛用于干涉彩虹全息、精確激光光譜、多光子分子分離、光雷達(dá)、非線性頻率轉(zhuǎn)換，激光醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。雖然氣體激光器較易獲得多波長激光輸出，但比較而言，固體雙波長激光器更為重要。因?yàn)樗母采w波段遠(yuǎn)比氣體為寬。目前的雙波長激光器已見報(bào)道的有Nd:YAG、Nd:YLF等，還有一些以兩種激活離子如Er3+、Nd3+共摻的YAG激光器。然而，這些雙波長器件一方面位于紅外波段，另一方面由于受到嚴(yán)格的多波長同時(shí)振蕩條件的限制，對諧振腔的設(shè)計(jì)要求十分苛刻，有的材料僅能滿足脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)條件，有的材料甚至幾乎無法實(shí)現(xiàn)雙波長運(yùn)轉(zhuǎn)。因而，目前這方面的工作還有待進(jìn)一步的深八。又如CN95112708.x和CN96117044.1分別給出了自倍頻光學(xué)超晶格LN、LT晶體的生長及準(zhǔn)周期微米超晶格的制備方法及在激光變頻方面的應(yīng)用。
本發(fā)明的目的是充分結(jié)合上述現(xiàn)有的各種技術(shù)的優(yōu)勢，通過對激光與非線性光學(xué)材料的人工設(shè)計(jì)，制備出一種新型的雙波長多功能晶體；通過合適的光路設(shè)計(jì)，研制出全固化的小型可見光雙波長激光器，用于顯示、存儲、光譜等多個(gè)領(lǐng)域。本發(fā)明的目的還在于短波長波段的雙波長激光器。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的1．制備稀土摻雜光學(xué)超晶格晶體可根據(jù)提拉法直接制備或外加脈沖電場室溫極化制備。
2．利用Er3+等稀土摻雜的光學(xué)超晶格LiNbO3、LiTaO3等材料通過半導(dǎo)體激光器泵浦制作近紅外的全固化小型激光器。這時(shí)，雖然只用到Er3+等離子的頻率下轉(zhuǎn)換的特性，是經(jīng)典的單光子過程，但由于光學(xué)超晶格結(jié)構(gòu)的引入，晶體的抗光損傷閾值將會得到提高。因此，我們可以用Er3+等摻雜的光學(xué)超晶格LiNbO3、LiTaO3得到比普通Er3+:LiNbO3等更高的激光輸出，從而在光通訊等領(lǐng)域發(fā)揮重要的應(yīng)用價(jià)值。
3．利用Er3+、Pr3+等摻雜的光學(xué)超晶格LiNbO3、LiTaO3材料制作上轉(zhuǎn)換激光器。同樣由于其抗光損傷能力的提高。這種器件的性能講比用單疇Er3+:LiNbO3等的器件為佳。
4 ．制備Er3+摻雜的光學(xué)超晶格LiNbO3、LiTaO3，設(shè)計(jì)合適的周期(8-9微米)，使其滿足對810nm左右的GaAlAs半導(dǎo)體激光器倍頻的準(zhǔn)位相匹配條件，利用GaAlAs半導(dǎo)體激光器的泵浦，輔以恰當(dāng)?shù)闹C振腔設(shè)計(jì)，得到能同時(shí)發(fā)射405nm的紫色倍頻光與550nm左右的綠色上轉(zhuǎn)換光的雙波長激光器。
5．制備Er3+摻雜的光學(xué)超晶格LiNbO3、LiTaO3，設(shè)計(jì)合適的周期(5-6微米)，使其滿足對980nm左右的InGaAs半導(dǎo)體激光器倍頻的準(zhǔn)位相匹配條件，利用InGaAs半導(dǎo)體激光器的泵浦，輔以恰當(dāng)?shù)闹C振腔設(shè)計(jì)，得到能同時(shí)發(fā)射490nm的紫色倍頻光與550nm左右的綠色上轉(zhuǎn)換光的雙波長激光器。
6．利用Er3+離子670nm左右的紅光頻率上轉(zhuǎn)換特性，選擇GaAlAs半導(dǎo)體激光器泵浦光學(xué)超晶格Er3+:LiNbO3，得到紫、紅光或藍(lán)、紅光雙波長激光器。
7．利用Pr3+、Ho3+等其他稀土離子的頻率上轉(zhuǎn)換特性，制備Pr3+、Ho3+等摻雜的光學(xué)超晶格材料。通過合適的泵光選擇與諧振腔設(shè)計(jì)，同時(shí)通過頻率上轉(zhuǎn)換和倍頻，得到覆蓋不同波長的各種雙波長激光器。
8．利用上述的材料和器件制作新型的光電子器件，如利用4、5或6中所述可見雙波長激光器制作全光真彩顯示設(shè)備等。
本發(fā)明最直接的效果就是研制出幾種新型的可見光雙波長激光器。通過不同的稀土離子(Er3+、Pr3+、Ho3+...)與不同的基質(zhì)材料(LiNbO3、LiTaO3...)，可以覆蓋多個(gè)發(fā)光波段從而滿足不同的需要。間接地講基于這種光源的一些新型實(shí)用化器件同樣是本發(fā)明的效果。這些器件在全色顯示、光通訊、光存貯等領(lǐng)域的應(yīng)用帶來極大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。
以下結(jié)合附圖和通過實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明

圖1．Er3+:LiNbO3的電子能級2．幾種上轉(zhuǎn)換機(jī)制示意圖2(1)激發(fā)態(tài)吸收(ESA)2(2)雙光了吸收(TPA)圖3．室溫極化法制備光學(xué)超晶格LiNbO3、LiTaO3示意4．810nm、980nm半導(dǎo)體激光器泵浦雙波長激光器設(shè)計(jì)示意5．光學(xué)超晶格Er3+:LiNbO3的室溫吸收光譜圖6．810nm LD泵浦光學(xué)超晶格Er3+:LiNbO3的上轉(zhuǎn)換發(fā)射譜圖7．810nm LD泵浦光學(xué)超晶格Er3+:LiNbO3550nm上轉(zhuǎn)換熒光強(qiáng)度與泵光強(qiáng)度關(guān)系1．樣品制作，即制備稀土離子，主要是Er3+、Pr3+、Ho3+等摻雜的具有周期性鐵電疇結(jié)構(gòu)的光學(xué)超晶格LiNbO3、LiToO3等晶體。
制備稀土摻雜的光學(xué)超晶格晶體可利用兩種有效的方法，以下以Br3+:LiNbO3(OSLELN)為例說明。
一種是根據(jù)提拉法直接制備。在LiNbO3中摻入一定量的Er2O3(0.1～1.0mol％)，在晶體生長時(shí)人為地使晶體轉(zhuǎn)軸偏離溫場的軸對稱中心約1-2cm，這時(shí)隨著晶體的邊提拉邊旋轉(zhuǎn)，固液界面上某一點(diǎn)的溫度將產(chǎn)生周期性的起伏。由于Er3+在LiNbO3中的分凝系數(shù)不等于1，這個(gè)周期性的溫度起伏導(dǎo)致了Er3+離子在提拉方向上的周期性濃度偏聚，從而對應(yīng)著一個(gè)周期性的空間電荷場。這個(gè)周期內(nèi)場在鐵電相變時(shí)，會使得LiNbO3中的Li+、Nb5+離子產(chǎn)生擇優(yōu)位移，不同的電場決定了不同的擇優(yōu)位移方向濟(jì)自發(fā)極化方向。這樣，一個(gè)周期性的鐵電疇結(jié)構(gòu)就在晶體中形成，即才成了光學(xué)超晶格Er:LiNbO3。
另一種成功的制備方法是外加脈沖電場室溫極化技術(shù)，首先仍利用提拉法生長Er3+等摻雜的LiNbO3、LiTaO3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刻蝕成微米量級的周期柵格(5.26微米、8.16微米)，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(10千伏)，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．本發(fā)明的應(yīng)用如器件制作即選擇合適的泵浦光源，設(shè)計(jì)合適的光路，制作可見光雙波長激光器。
泵光的選擇與不同的稀土摻雜離子有關(guān)，比如講，Er3+在810nm附近和980nm附近就有較強(qiáng)的吸收。因此，810nm的GaAlAs和980nm的InGaAs半導(dǎo)體激光器就是合適的泵浦光源。在泵光的激勵(lì)之下，由于激發(fā)態(tài)吸收或其他可能的原因，光學(xué)超晶格Er:LiNbO3呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的上轉(zhuǎn)換特性。如果我們的光學(xué)超晶格Er:LiNbO3的周期剛好等于對應(yīng)于該泵光的兩倍相干長度，則由于光學(xué)超晶格LiNbO3的優(yōu)良非線性光學(xué)性質(zhì)，它在產(chǎn)生上轉(zhuǎn)換綠光的同時(shí)還能通過對泵光的倍頻獲得另一波長的光輸出。若選用810nm泵光，則能產(chǎn)生紫(405nm)綠(550nm，上轉(zhuǎn)換光)光雙波長輸出；若選用980nm泵光，則能同時(shí)產(chǎn)生藍(lán)(490nm)綠(550nm上轉(zhuǎn)換光)光。而且由于倍頻過程無泵浦閥值的要求，這樣的雙波長輸出也不同于通常的利用某種離子的兩個(gè)躍遷來達(dá)到的方法，因而大大放松了雙波長激光獲得的條件，或者講諧振腔的設(shè)計(jì)大為簡單，且易獲得連續(xù)波輸出。固此只要設(shè)計(jì)一個(gè)對上轉(zhuǎn)換起振，對倍頻光通過的諧振腔即可獲得一個(gè)可見光(紫綠或藍(lán)綠)雙波長激光器。
形象地，我們的發(fā)明內(nèi)容可用如下流程(以光學(xué)超晶格Er:LiNbO3為例)表示。
權(quán)利要求
1．制備稀土離子摻雜光學(xué)超晶格材料的方法，其特征是根據(jù)提拉法直接制備或外加脈沖電場室溫極化制備Er3+、Pr3+、Ho3+等稀土離子摻雜的光學(xué)超晶格LN、LT晶體。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備稀土離子摻雜光學(xué)超晶格材料的方法，其特征是室溫極化制備法是利用提拉法生長Er3+等摻雜的LiNbO3、LiTaO3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刻蝕成微米量級的周期柵格(5.26微米、8.16微米)，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(10千伏)，使樣品的自發(fā)極化周期性反轉(zhuǎn)。
3．稀土離子摻雜光學(xué)超晶格材料的應(yīng)用，其特征是利用Er3+、Pr3+等摻雜的光學(xué)超晶格LiNbO3、LiTaO3材料制作上轉(zhuǎn)換激光器。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的稀土離子摻雜光學(xué)超晶格材料的應(yīng)用，其特征是制備Er3+摻雜的光學(xué)超晶格LiNbO3、LiTaO3，設(shè)計(jì)合適的周期(8-9微米)，使其滿足對810nm左右的GaAlAs半導(dǎo)體激光器倍頻的準(zhǔn)位相匹配條件，利用GaAlAs半導(dǎo)體激光器的泵浦，輔以恰當(dāng)?shù)闹C振腔設(shè)計(jì)，得到能同時(shí)發(fā)射405nm的紫色倍頻光與550nm左右的綠色上轉(zhuǎn)換光的雙波長激光器。
5．根據(jù)權(quán)利要求3所述的稀土離子摻雜光學(xué)超晶格材料的應(yīng)用，其特征是制備Er3+摻雜的光學(xué)超晶格LiNbO3、LiTaO3，設(shè)計(jì)合適的周期(5-6微米)，使其滿足對980nm左右的InGaAs半導(dǎo)體激光器倍頻的準(zhǔn)位相匹配條件，利用InGaAs半導(dǎo)體激光器的泵浦，輔以恰當(dāng)?shù)闹C振腔設(shè)計(jì)，得到能同時(shí)發(fā)射490nm的紫色倍頻光與550nm左右的綠色上轉(zhuǎn)換光的雙波長激光器。
6．根據(jù)權(quán)利要求3所述的稀土離子摻雜光學(xué)超晶格材料的應(yīng)用，其特征是利用Er3+離子670nm左右的紅光頻率上轉(zhuǎn)換特性，選擇GaAlAs半導(dǎo)體激光器泵浦光學(xué)超晶格Er3+:LiNbO3，得到紫、紅光或藍(lán)、紅光雙波長激光器。
7．根據(jù)權(quán)利要求3所述的稀土離子摻雜光學(xué)超晶格材料的應(yīng)用，其特征是利用Pr3+、Ho3+等其他稀土離子的頻率上轉(zhuǎn)換特性，制備Pr3+、Ho3+等摻雜的光學(xué)超晶格材料。通過合適的泵光選擇與諧振腔設(shè)計(jì)，同時(shí)通過頻率上轉(zhuǎn)換和倍頻，得到覆蓋不同波長的各種雙波長激光器。
全文摘要
制備稀土離子摻雜光學(xué)超晶格材料的方法及應(yīng)用,根據(jù)提拉法或室溫極化制備Er
文檔編號H01S3/16GK1213020SQ9710713
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)明者陸延青, 鄭建軍, 閔乃本 申請人:南京大學(xué)