高效中红外差频产生激光器及其制备方法技术

一种高效中红外差频产生激光器及其制备方法，提出了采用反质子交换工艺结合金刚石划片切割技术形成一种新型的脊波导，从而来克服基频光和闲频光模场重叠因子小，转换效率低的问题。基于这种新型的脊波导器件，构建了一种新型的高效中红外差频产生激光器。并通过具体方法解决了如何将这种新型晶体脊波导的差频应用拓展至中红外波段、充分利用成熟的退火质子交换工艺和脊波导的优良特性依然是该领域的一个难点的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于针对激光器
，具体设及一种高效中红外差频产生激光器及其 制备方法。
技术介绍
中红外激光位于波长2. 5-25ym范围内，包含了 3-5ym和8-12ym两个重要的大 气窗口，而且许多气体分子、毒剂、空气、水、±壤污染物、爆炸物等在运一波段都具有特征 光谱，运些特性使得中红外激光在光谱学、通讯、环保、化学、生物、医药及国防等诸多领域 具有非常重要的应用价值，特别是在大气痕量气体高灵敏度检测领域具有重要的地位。比 如CH4、NO、S〇2等气体在中红外波段存在强烈的基带吸收，其吸收强度比在近红外波段高 2-3个数量级，可通过中红外激光进行高灵敏的探测。迄今，基于不同激光产生机理出现了 多种中红外光源，如量子级联激光器、铅盐激光器、色屯、激光器、参量振荡等领域。但就现 有技术水平而言，运些激光器仍存在诸如需低溫制冷、激光线宽宽、无跳模运转范围小，价 格昂贵等问题，在高灵敏度痕量气体检测应用中存在一定的局限。另一方面，基于晶体二 阶非线性效应的中红外差频产生值FG)激光光源（例如1064nm和1550nm两个波段基频 光源组合差频转换得到3393nm中红外光源），与传统激光光源相比，由于具有成本相对较 低、结构简单、调谐方便、室溫运转和无阔值限制等优良特性，受到了广泛关注。此外，利用 非线性晶体差频可W拓展传统激光器的波长范围，还可W在溫室条件下实现连续、宽调谐、 窄线宽中红外光源。目前用于中红外差频转换常见的晶体有PPLN、KTP、BB0、P化T、AgGaSz, 其中PPLN晶体是当前应用前景较好，最具有吸引力的中红外差频转换晶体，由于PPLN具有 良好的物理机械性能、较高的非线性光学系数、透光范围宽、透过率高W及商品化程度高等 优良特性，已成为集成光学和非线性频率转换最常用的无机介电晶体材料。实验发现，在 LiNb〇3晶体生长时渗入一定摩尔比的MgO,形成MgO:LiNb〇3晶体，可提高晶体的抗光损伤阔 值，其抗光损伤能力比LiNbOs增强了约100倍，能适应波导器件对高光功率密度承受能力 的要求。 目前基于MgO:PPLN中红外差频产生激光光源有两种技术，一种是基于块状 MgO:PPLN晶体的非线性频率转换技术，另一种是基于波导的非线性频率转换技术。对基于 块状MgO:PPLN晶体的中红外差频光源而言，其具有价格便宜、性能稳定、输出光束质量好， 但其突出的缺点是由于光斑尺寸与晶体长度之间存在制约，运使得DFG的转换效率较低。 如何提高中红外DFG光源的转换效率，研究表明，其关键在于高效率非线性频率转换器件 的研制。若将非线性频率转换器件MgO:PPLN晶体做成MgO:PPLN波导结构，MgO:PPLN波导 的模式效应将激光光束约束在截面积很小的区域内传输，可极大地提高光功率密度和光场 的禪合系数，相应的也大大的提高了中红外差频转换效率。 对于MgO:PPLN波导，根据光在传播方向上受到的限制，波导可W分为平面光波导 (在一个方向上限制光场）和条形光波导（在两个方向上限制光场）。最近研究表明，若将 平板波导制备成脊形结构，由于脊形波导上表面和两个侧面直接与空气接触，折射率对比 度高，对激光光束具有很强的约束能力，可有效提高激光变频效率。且脊形波导具有非常优 越的抗光折变性能，增强了波长转换的稳定性，提高了波长的转换效率。2011年，加拿大麦 克马斯特大学徐长青教授研究组首次利用退火质子交换（AP巧技术制备了MgO:PPLN脊波 导，在绿光倍频实验中获得了高达53%的光光转换效率。尽管如此，有关基于该新型脊波导 的高效中红外差频转换的应用仍未见报道。其主要技术难点在于，退火质子交换工艺制备 的波导存在波导区域折射率渐变分布的特点，运使得该器件在用于中红外差频转换时存在 基频光和闲频光模场分布重叠因子小，转换效率低等问题。如何将运种新型晶体脊波导的 差频应用拓展至中红外波段，充分利用成熟的退火质子交换工艺和脊波导的优良特性依然 是该领域的一个难点。
技术实现思路
本专利技术的目的提供一种，提出了采用反 质子交换工艺结合金刚石划片切割技术形成一种新型的脊波导，从而来克服基频光和闲频 光模场重叠因子小，转换效率低的问题。基于运种新型的脊波导器件，构建了一种新型的高 效中红外差频产生激光器。并通过具体方法解决了如何将运种新型晶体脊波导的差频应用 拓展至中红外波段、充分利用成熟的退火质子交换工艺和脊波导的优良特性依然是该领域 的一个难点的问题。 为了克服现有技术中的不足，本专利技术提供了一种高效中红外差频产生激光器中的 反质子交换脊波导的制备方法的解决方案，具体如下： -种高效中红外差频产生激光器中的反质子交换脊波导的制备方法，包括如下步 骤：[000引步骤1，对MgO:PPLN进行抛光，并清洗抛光后样品的表面； 步骤2,对晶体进行质子交换，退火处理； 步骤3,对波导进行反质子交换处理； 步骤4,采用金刚石划片切割成脊形结构； 所述的步骤1中使用去离子水、丙酬、乙醇依次清洗MgO:PPLN晶体表面，每次持续 15分钟。 所述的步骤3的质子交换处理过程中，包括将苯甲酸粉末加热到240摄氏度后，将 PPLN晶体放入装有苯甲酸溶液的相蜗中进行12小时的质子交换，将交换好的PPLN波导片 清洗干净，放入相蜗中，送至退火炉的恒溫区，往退火炉中通入氧气，防止波导表面氧化物 分解，同时升溫到350摄氏度并恒定溫度进行退火，设定退火时间为12小时。 所述步骤3的反质子交换处理过程中，将退火质子交换形成的波导浸入 LiN〇3:KN〇3:NaN〇3的浓度比为37. 5:44. 5:18. 0的混合溶液中，并在335°C的溫度条件下持 续化恒溫加热。 一种基于新型MgO:PPLN脊波导的高效中红外差频产生激光器，包括LD激光器15、 中屯、波长为1550皿且反射率为99%的第一光纤布拉格光栅1、中屯、波长为1064皿且反射 率为99%的第二光纤布拉格光栅2、巧镜共渗光纤、中屯、波长为1064nm且反射率为10%的 第=光纤布拉格光栅3、中屯、波长为1550nm且反射率为10%的第四光纤布拉格光栅4、保偏 光纤5、物镜6、斩波片7、MgO:PPLN脊波导8、错片9、CaFz透镜10、光电探测器11、低噪声 功率放大器12、锁相放大器13、示波器14 ; 所述第一光纤布拉格光栅1和第四光纤布拉格光栅4,第二光纤布拉格光栅2和第 =光纤布拉格光栅3组成重叠的两个法布里一巧罗激光腔，法布里一巧罗激光腔的腔内设 置着作为增益介质的巧镜共渗光纤，该重叠的激光腔同LD激光器和保偏光纤5相连接，所 述保偏光纤5同物镜6相连接，在物镜的光路上顺序设置有斩波片7、MgO:PPLN脊波导8、 错片9、CaFz透镜10、光电探测器11，所述光电探测器11、低噪声功率放大器12、锁相放大 器13、示波器14依次两两连接，所述的斩波片7还同锁相放大器13相连接。 所述LD激光器为975nmLD激光器，且最大输出功率为8.抓。 所述巧镜共渗光纤为一段5米长的保偏化/孔共渗光纤。 所述保偏光纤是一段未渗杂的IOcm长的保偏光纤。 本专利技术属于一种基于新型MgO:PPLN脊波导的高效中红外差频产生激光器，通过 将MgO:PPLN晶体采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高效中红外差频产生激光器中的反质子交换脊波导的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，对MgO:PPLN进行抛光，并清洗抛光后样品的表面；步骤2，对晶体进行质子交换，退火处理；步骤3，对波导进行反质子交换处理；步骤4，采用金刚石划片切割成脊形结构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：常建华，唐安庆，郭跃，李红旭，桂诗信，严娜，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32