專利名稱：準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)用光參量過程。如激光的倍頻、和頻、光參量放大和振蕩等場合。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激光的需求。CN94111519.4給出了室溫條件下對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)移的非線性光學領(lǐng)域是采用了準位相匹配(QPM)技術(shù)。通過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。從物理角度分析，由于周期結(jié)構(gòu)能提供一個倒格矢，這一倒格矢G可以參與光在介質(zhì)中非線性相互作用。補償位相失配使得ΔK+G＝0。激光頻過程能在位相匹配條件下得已實現(xiàn)，不過由于一種周期結(jié)構(gòu)只能提供一個倒格矢G＝2π/∧，∧為周期，所以一種周期只能參與一種參量過程(如倍頻，或和頻)，如果需要實現(xiàn)二個參量過程如三倍頻，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。其他參量過程也可依此類推。
本發(fā)明的目的是將準周期超晶格材料及設(shè)計引入非線性光學和激光頻率轉(zhuǎn)移的參量過程，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計從準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同時參與若干參量過程，使得這些參量過程同時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)解決方案是二種準周期微米超晶格的準周期設(shè)計制備方法，其特征是通過物理方法，將鐵電晶體的鐵電疇按準周期排列，從而實現(xiàn)非線性系數(shù)的準周期調(diào)制。對準周期參數(shù)的選擇以其倒格矢參數(shù)滿足耦合激光參量過程中的位相匹配的條件下選取。所述的激光參量過程包括倍頻、和頻、差頻或其結(jié)合。
而準周期微米超晶格制備方法，其特征是采用室溫外電場選區(qū)極化方法制成準周期鐵電疇結(jié)構(gòu)的超晶格。
本發(fā)明的科學價值在于，首次將準晶，準周期材料引入非線性光學，將利用周期微米超晶格晶體實現(xiàn)單一參量過程的準位相匹配原理推廣至利用準周期微米超晶格晶體實現(xiàn)耦合參量過程的多重準位相匹配。本發(fā)明應(yīng)用價值在于找到一種同時滿足多個參量過程位相匹配的方法，將本需通過若干過程，采用若干晶體完成的激光變頻，轉(zhuǎn)換過程用單一晶體完成，并獲得高效輸出。
以下結(jié)合附圖和通過實施例對本發(fā)明作進一步說明

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驗結(jié)果圖3為圖1材料三倍頻光參量過程示意圖現(xiàn)以利用具有菲波拉(Fibonacci)序列極化的LitaO3微米超晶體實現(xiàn)高效三倍頻為例介紹準周期微米超晶格如何實現(xiàn)多重準位相匹配的耦合參量過程獲得高效高次諧波的原理、設(shè)計方案、材料的制備以及實驗結(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分別是序列的兩個構(gòu)造單元，其長度分別為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對于j＝1，τ＝1/2(1+5)為黃金分割數(shù)，j≠1，τ＝1/2(m+m2+4)。
實現(xiàn)三倍頻位相匹配條件現(xiàn)有技術(shù)實現(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。這是因為二過程的位相匹配條件必須設(shè)計二種不同的結(jié)構(gòu)加以滿足。利用準周期微米超晶格LT或LN(LitaO3、LiNbO3)，可以通過結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計、選取不同的倒格矢分別補償倍頻和頻過程的位相匹配。使得二個過程同時位相匹配，和頻過程接聯(lián)倍頻過程，二過程耦合直接從一塊晶體中獲得三倍頻，具體設(shè)計為設(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，nw，n2w，n3w分別為基波，倍頻與三倍頻波長對應(yīng)的折射率。利用Gm，n補償倍頻的位相失配(2)利用Gm′，n′補償和位相失配(3)如(2)、(3)式同時滿足，則倍頻與和頻過程同時在一塊晶體中發(fā)生，見圖(1)即實現(xiàn)三倍頻的位相匹配。
菲波拉微米超晶格的實際設(shè)計的實施例圖2為菲波拉LiTaO3微米超晶格的示意圖，二單元的準周期材料有二個基本單元A與B。每一單元都有一組正、負疇構(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)，所以倒格矢可寫成Gm，n＝2π(m+nτ)/D＝π(m+nτ)/la1(1+τ)如果要用這樣的材料實現(xiàn)三倍頻，即要完成倍頻與和頻兩個參量過程，則倍頻過程的位相匹配為ΔK1＝4π/λ(n2w-nw)和頻過程位相匹配為ΔK2＝2π/λ(3n3w-2n2w-nw)我們可以通過設(shè)計材料參數(shù)la1，并根據(jù)入射的基波波長，分別算出n3w，n2w，nw的值，選取不同的m， n，m′，n′值。使(2)，(3)兩式同時滿足，即可使倍頻與和頻過程同時在一塊材料中的完成。
更具體言之，例如設(shè)入射基波波長為1.568μm。選取的材料為Lita，根據(jù)LitaO3的色散關(guān)系可算得nw，n2w及n3w的值，我們設(shè)計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)計便可同時完成倍頻與和頻過程的位相匹配，用一塊材料獲得0.523μm的綠光輸出。
當以A→AAB，B→A規(guī)則迭代時，在上述材料時有下述實施參數(shù)la1＝lb1＝5.5μm la2＝16.5μm，lb2＝4.9μm，取基頻光波長為1.710μm時，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驗結(jié)果實驗測試結(jié)果見圖3與表1。
除了可直接獲得20％左右的三倍頻轉(zhuǎn)換效率外，由于準周期可提供多組倒格矢，所以通過調(diào)諧基波波長，在不同的波長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。
準周期微米超晶格的制備方法和實施例1.對于鐵電晶體，可采用“室溫外場極化技術(shù)”選取0.2-1mm厚的Z切晶片，在+Z面鍍上準周期電極，在-Z面鍍上平電極，采用電場強度約為20KV/mm-30KV/mm(對于LiNbO3和LiTaO3晶體)的正向電脈沖對晶片進行準周期極化。準周期極化的樣品可通過剖面的腐蝕加以確認(見圖1c)2.對于非鐵電晶體則需采用疊片的方法即機構(gòu)加工或所需厚度的晶片，按準周期序列疊合，或用MOCVD，PLD，MBE，Sol-gel等技術(shù)制備準周期多層膜來制作。
準周期超晶格的應(yīng)用，實驗測試結(jié)果見圖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，用一個泵浦光源，可實現(xiàn)多波長的光參量放大與光參量振蕩。
以上僅以LitaO3和最簡單的Fibonacci序列(即A→AB，B→A及A→AAB，B→A)為例。說明準周期微米超晶格的設(shè)計制備及非線性光學效應(yīng)與應(yīng)用。設(shè)計思路可推廣至其他準周期序列，包括多組元的Fibonacci序列，本發(fā)明所覆蓋的準周期序列及其生成規(guī)則已有成熟的表述，由于每一種準周期結(jié)構(gòu)的不同的取值，倒格矢在倒空間的分布不一樣。于是在光參量過程中表現(xiàn)出各自的特點。各種晶體材料也有各種色散特性。但設(shè)計的思路和方法與以上所述無區(qū)別，制備方法也一樣，這些均沒有超出本發(fā)明的范圍。
表1<
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權(quán)利要求
1.一種準周期微米超晶格的準周期設(shè)置方法，其特征是用鐵電疇單晶材料的電疇制成準周期結(jié)構(gòu)，對準周期參數(shù)的選擇在倒空間倒格矢滿足耦合激光參量過程中的位相匹配的條件下選取。
2.由權(quán)利要求1所述的準周期超晶格的設(shè)置方法，所適用的參量過程包括倍頻、和頻、差頻以及光參量放大和振蕩。
3.由權(quán)利要求1所述的準周期微米超晶格制備方法，其特征是采用室溫外電場選區(qū)極化方法制成準周期結(jié)構(gòu)參數(shù)電疇。
4.由權(quán)利要求1所述的準周期微米超晶格制備方法，其特征是以LitaO3晶體、LiNbO3晶體制成二個和二個以上基本單元，每一單元都有一組正、負疇構(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周期材料置于基頻激光中通過耦合光參量過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
一種準周期微米超晶格的準周期設(shè)置方法,其特征是用鐵電疇單晶材料的電疇制成準周期結(jié)構(gòu),對準周期參數(shù)的選擇在倒空間倒格矢滿足耦合激光參量過程中的位相匹配的條件下選取。所適用的參量過程包括倍頻、和頻、差頻以及光參量放大和振蕩。本發(fā)明應(yīng)用價值在于找到一種同時滿足多個參量過程位相匹配的方法,將本需通過若干過程,采用若干晶體完成的激光變頻,轉(zhuǎn)換過程用單一晶體完成,并獲得高效輸出。
文檔編號H01S3/00GK1172367SQ9611704
公開日1998年2月4日 申請日期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 申請人:南京大學