专利名称：准位相匹配光学参量过程中的周期加场电调谐方法及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及准位相匹配光学参量过程中的周期加场电调谐方法及其应用。
普通均匀结构非线性光学材料如BBO、LBO、KTP等已广泛应用于激光技术的许多领域。然而，由于非线性光学系数还不算太大(几个pm/v)；有位相匹配角度、匹配温度的限制，因而在应用上具有一定的局限性。其调谐手段一般也是机械转角或温度调谐。由于电光系数太小，可实现的电调宽度很小(约50MHz左右)。
利用室温极化技术制备的新型光学超晶格材料如光学超晶格LN、LT、SBN(铌酸锶钡)等具有很大的有效非线性光学系数，易于在90°入射情况室温工作。同时，它们又是良好的电光、压电材料和掺杂基质材料。因此，近年来光学超晶格LN、LT及相关器件研究已成为当今光电子技术领域的一个热门课题。利用QPM技术，许多基于光学超晶格LN的光电子器件如倍频器、自倍频器、光参量振荡器已达到或接近实用化水平并开始进入市场。这些器件均展示出不同于传统器件的诸多优点。如CN96117044.1给出了准周期微米超晶格的制备方法，即通过在0.5mm厚的LN、LT晶体两侧加上脉冲高压，在室温下使其自发极化方向周期性的反转而制得。样品一旦制成，其周期结构即不可改变。虽然人们可以通过晶体旋转使实际通光路径变长从而改变原先的QPM条件以实现光学参量过程(倍频、和频、差频、OPA、OPO)的调节，但晶体偏离光轴通光会带来复杂且不利的离散效应，太薄的晶片尺寸也使得旋转的控制较为复杂，而且机械旋转的可靠性与响应速度均不理想。所以，目前的QPM光学参量器件基本上均是采用温度调谐的办法。显然，温度调谐也存在着速度缓慢、操作不便，设备复杂，可靠性、稳定性不佳等诸多缺陷，从而限制了这类器件的实用化。因此，能否寻找一种新颖、可靠、快速、高效的调谐调制手段，已成为光学超晶格材料这一优秀的人工微结构非线性光学材料及相关器件能否真正进入市场的决定性因素之一。
本发明的目的是提供一种克服现有的以上两种技术的不足、充分利用光学超晶格LN、LT等材料的优秀非线性光学性质、电光特性及作为掺杂基质材料的特性、改进现有的调谐手段的方法，实现QPM光学参量器件的快速高效可靠的调谐、本发明的目的还在于推进目前的有关光参量激光装置的实用化水平，拓宽光学超晶格材料的应用范围，研制出更为新颖高效的装置。
本发明的内容是这样实现的1、利用室温极化技术制备优质光学超晶格LN、LT、SBN等样品。具体过程为在单畴LN、LT、SBN等晶体±C面镀上铝电极，其中的一侧还需利用半导体光刻工艺将铝电极刻蚀成微米量级的周期栅格，在室温下利用这个电极在样品上加上与原光自发极化方向相反的脉冲高压，使样品的自发极化周期性地反转，这样，样品中就写入一个一维的周期性铁电畴结构，即光学超晶格。
2、样品制作完成以后，不是象通常那样用磷酸洗去晶体表面的铝电极，而是巧妙地应用这个电极在晶体上加上周期性电场，即单在一个畴区(正畴区或负畴区)加电场。由于电光效应，加场区域折射率变为ne′=ne-ne3γ33E；未加场区域折射率保持不变。这时，不仅晶体的非线性光学系数受到周期性的调制，其折射率即线性光学性质也有周期性的跃变。与通常的光学超晶格LN、LT不同，此时，经推广的准位相匹配条件为△K’L1+△K”L2=2mπ(m=1,2,3...)。由于△K与折射率有关而电场又影响了折射率的改变。于是，若外加电场改变，为仍满足QPM条件，光学参量过程中参与耦合的三波应发生变化，即实现了QPM光学参量过程的快速电调。
3、基于以下分析，将这种特殊加场方式应用于具体的器件，即可从根本上改变QPM光参量器件无法快速高效调谐的现状，并可望开发一些新型器件。其应用方式如下3.1、用于二次谐波发生(SHG)或和频(SFG)等参量频率上转换器件。
SFG和SHG是产生短波长激光的主要手段，利用光学超晶格LN对近红外LD直接倍频，已经研制成全固化的小型蓝光激光器。若结合本发明与LD的可调谐特性，则可望研制出可调谐的全固化小型绿、蓝、紫光器件。
3.2、用于光参量放大(OPA)/光参量振荡(OPO)(OPG)在基于光学超晶格LN、LT的光参量发生(OPG)器件上施以这种周期电场可代替温度调谐手段实现OPG频率输出的快速电调。而且，若电场变化足够快，达到与泵浦脉宽相近的尺度，OPG的脉冲输出特性将受到电场的调制，这在超短脉冲发生方面，极具应用意义。
3.3、用于QPM光差频差频是实现频率下转换的重要手段，利用QPM的输出获得中红外输出，在环境监测、军事应用方面具有重大意义。若利用本法，结合泵浦光或信号光调节即可实现差频器件的电调谐。
3.4、用于光通讯领域由于石英光纤的传播损耗仅在某些波段如1.3μm、1.5μm传输损耗最小即存在着所谓的通讯窗口。为提高通讯容量，目前光通讯技术的一个发展趋势是波分复用(WDM)、即将一个通讯窗口分成若干个频率相近的频带，每个频带单独传送一路信号。利用OSLLN、LT通过OPO、DFG可方便地获得所需波长光源。利用本发明，通过电调制的方法，可以方便迅速地改变输出波长，灵活选择所需通信频率，并可实现各频带之间的频率转换。一个很普通的例子就是1.3、1.5μm两个窗口之间的频率转换，实现局域网与主干网之间的信息交换。此外，若将所加电场加以一定的信号调制，由于响应速度极快，在基于DFG的系统中，所加电场将引起对准位相匹配的偏离，影响差频光输出强度。利用这个性质，可以实现对通讯信号的调幅编码输出。若基于OPG系统，电场变化将引起参量光频率输出改变，又可用于调频输出。
3.5、用于腔内倍频或自倍频、自和频、自差频器件。
由于这些器件与谐振腔特性关系极大，在基于光学超晶格LN、LT的这些器件上，若对光学超晶格LN或LT施以本发明所述的周期性外加电场。由于折射率改变，系统将偏离QPM条件要求，这时倍频(和差频)光输出减小，基波(或信号光波)损耗同时大大减小；反之，也可对原先稍稍偏离严格QPM条件的系统加场使之满足QPM条件，对谐振腔而言，即是其Q值随电场变化。显然，这意味着可直接利用光学超晶格LN、LT晶体本身实现调Q输出。
本发明的效果是将本发明提出的这种加场方式应用于具体的器件，大大提高其性能，便于其实用化和市场化。
以下结合附图和通过如下这些实施例加以说明。
图1、一个典型样品加场后的OPG调谐曲线采用1064nm Nd:YAG激光器泵浦0.5mm厚、调制周期28μm的光学超晶格LN晶体的OPG电调谐曲线。仅需在样品上施以±4kv的电压即可实现20nm的波长调谐。
图2、样品制备示意利用外加高压脉冲室温极化技术制备光学超晶格LN、LT的示意3、加场方式示意光学超晶格LN、LT等材料周期加场示意4、直接倍频器结构示意5、腔内倍频器结构示意6、自倍频器结构示意7、光参量振荡器结构示意图1、图2中利用室温极化工艺，给出制备特定周期的OSL LN、LT样品的实施例。首先利用提拉法生长LN、LT晶体并作单畴化处理；然后切割成0.5mm厚的晶片(c方向)，在晶体1的±c面度上铝电极。其中的一侧还需利用半导体光刻工艺将铝电极2刻蚀成微米量级的周期栅格[对倍频、自倍频器件为4-8微米(LN)、4-9微米(LT)，对OPG为26-31微米(LN)、26-33微米(LT)]，在室温下利用这个电极在样品上加上与原自发极化方向相反的脉冲高压P(10千伏左右)，使样品的自发极化周期性反转。这样，样品中就写入一个一维的周期性铁电畴结构，即光学超晶格。
2、图4-图7基于OSL LN、LT样品，设计相关的倍频、和频、差频光参量放大，光参量振荡，自倍频、自和频等涉及到QPM光学参量过程的器件在泵谱源3的激发下获得倍频光或参量光的输出。
3、利用样品制作时的电极，在样品上加上如图3所示的周期性外电场(1-10千伏)，使其折射率周期性地改变，根据QPM条件的要求，实现相关器件的快速电调谐。
权利要求
1.一种在准位相匹配光学参量过程中的周期加场电调谐方法，其特征是利用周期性电极通过室温极化技术制备优质光学超晶格材料，在倍频、和频、光参量发生等参量过程中利用这个电极在晶体上加上周期性电场，即单在一个畴区加电场。
2.由权利要求1所述的在准位相匹配光学参量过程中的周期加场电调谐方法，其特征是在LN、LT晶体上加上脉冲高压，制备调制周期为如下参数的光学超晶格LN、LT对倍频、自倍频器件为4-8微米(LN)、4-9微米(LT)，对OPG为26-31微米(LN)、26-33微米(LT)。
3.由权利要求1所述的在准位相匹配光学参量过程中的周期加场电调谐方法，其特征是在光学超晶格材料上加上1-10千伏周期性外电场。
4.由权利要求1所述的在准位相匹配光学参量过程中的周期加场电调谐方法，其特征是所述的光学超晶格材料为LN、LT、SBN等。
全文摘要
本发明涉及到一种对光学超晶格LN、LT等材料选择性加电场的新方法及其制品,由于巧妙地利用了样品制备时的周期性电极,通过周期性外加电场调制样品的折射率,实现了QPM光学参量过程的电光调谐,弥补了此类器件难以快速高效调谐的缺点,大大提高了器件的调谐精度及速度,有利于OSLLN、LT及相关器件的实用化和市场化,并可望由此开发出更为新颖的相关器件,应用于信息储存、光通讯、信号处理、军事对抗、环境保护等诸多领域。
文档编号H03J1/00GK1213218SQ9710713
公开日1999年4月7日 申请日期1997年9月29日 优先权日1997年9月29日
发明者祝世宁, 许祖彦, 闵乃本, 陆延青, 骆桂蓬, 徐瑶, 何京良, 孔羽飞 申请人:南京大学