双周期结构的超晶格及其在激光变频中的应用制造技术

本发明专利技术涉及双周期超晶格及其在激光变频中的应用，这种超晶格以铁电晶体为基质，通过一种特定双调制结构的设置，能够同时提供用来匹配倍频和和频波矢失配的二个倒格矢，从而使三倍频能够持续的增长，从而实现高效三倍频，或实现倍频、三倍频的同时输出。具有这种结构的钽酸钾（ＬｉＴａＯ↓［３］）超晶格可用于对Ｎｄ：ＹＶＯ↓［４］和Ｎｄ：ＹＡＧ激光器的１０６４纳米激光实行三倍频，输出３５５纳米的紫外激光。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种双调制结构超晶格设置，以及这种双周期超晶格在激光变频中的应用，这种超晶格具有直接三倍频的功能。祝世宁等人1997年在Science上发表了“用准周期Fibonacci光学超晶格(QPOS)实现绿光三倍频”的文章，利用准周期Fibonacci序列的LiTaO3超晶格，三倍频1570nm的NdYAG激光，产生523nm的绿光。QPOS中的基本参数l=10.7μm，A=24μm，B=17.5μm。样品总长度为8mm，厚度为0.5mm。1570nm红外光单次通过QPOS三倍频，产生绿光功率达6mW，转换效率为23％。J.P.Meyn和M.M.Feier在1997年的Opt.Lett上发表了“利用周期极化的钽酸锂通过二倍频获得紫外输出”的文章。钽酸锂超晶格的周期为2.625微米，获得的紫外激光的波长是325纳米，其有效非线性系数为2.6pm/V，是理论值的55％。A.Arie等人在Optics Communications上发表了“用周期极化的KTP准位相匹配产生倍频绿光和紫外光”的文章，他们利用一块周期为8.98微米的KTP超晶格实现了对783.5纳米激光的倍频紫外输出。1厘米长的超晶格晶体，泵浦光为259mW时，可得到75.3μW的紫外激光，转换效率约为0.12％/W。以上三篇文章分别介绍了用准周期光学超晶格实现绿光三倍频和用周期光学超晶格实现激光紫外倍频。在第一篇文章中，使用的是标准的Fibonacci的准周期超晶格。第二篇文章和第三篇文章分别是用周期超晶格对650纳米和783.5纳米光源倍频实现紫外激光输出。所有上述方案均不涉及双调制结构超晶格和利用该结构的超晶格实现激光三倍频，不涉及对1064纳米激光进行直接三倍频获得355纳米紫外激光。本专利技术的目的在于寻找一种新型的光学超晶格设置结构_双调制结构，该结构能实现多波长激光倍频和对任何波长的激光三倍频。从而提供一种光学超晶格晶体作为三倍频频率转换器件，构成一种高效率的小型全固态的能够输出绿光、蓝光、紫光或近紫外的激光器。特别是采用一块双周期结构的LiTaO3超晶格对NdYVO4和NdYAG激光器1064纳米输出直接三倍频，获得355纳米的紫外激光输出。本专利技术的目的是这样实现的利用一块双调制(双周期或周期_准周期)结构的钽酸锂(或其他非线性光学材料)超晶格作为激光变频介质，其特征在于这种双调制结构能够同时提供用来匹配倍频和和频波矢失配的二个倒格矢，从而使三倍频能够持续的增长，实现高效的三倍频输出。由于该结构的倒格矢的位置和大小可通过对结构参数设置进行调节，从而可以实现任意波段尤其是蓝光、近紫外和紫外的激光高效三倍频。现以双周期超晶格为例说明这种双调制结构超晶格的设置过程基本思路是对于任意的基波波长，选取其周期结构参数使该结构中倍频过程及和频过程产生的波矢失配大小相等。在这种情况下，二次谐波输出是等振幅或变振幅振荡的，三次谐波输出是在轻微振荡中增长的。二次谐波三次谐波的强度随周期超晶格晶体长度的关系如图3所示。这样，以二次谐波输出的振荡周期为新的周期对原周期结构进行再次调制。其结果是二次谐波得到持续增长，导致三次谐波光也能够高效输出。基波、倍频和三倍频的强度随双周期超晶格晶体长度的关系如图4所示(周期_准周期超晶格的设置思想与方法同)。附图说明图1和图2是其中一种双周期设置方案的模板和频谱。在图1中我们看到，双周期的主要参数是小的周期结构的周期l和大的调制周期结构的周期L。如果这两个参数确定了，双周期结构基本上就确定了。下面我们看看如何通过设置的要求来导出这两个基本参数。图2是双周期结构的典型频谱图。我们用Gm，n来表示这种双周期结构的主要倒格矢，m，n是整数。Gm,n=2πml+2πnL-------(1)]]>△k1，△k2分别代表倍频及和频过程中的波矢失配，如果我们选择双周期结构中的Gm，n和Gm’，n’分别来补偿这两个波矢失配，则有Gm,n-Δk1=2πml+2πnL-Δk1=0]]>..........(2)Gm',n'-Δk2=2πm'l+2πn'L-Δk2=0]]>由以上公式我们可求出双周期的主要结构参数l和L的表达式l=2π(mn'-m'n)Δk1n'-Δk2n]]>…………(3)L=2π(nm'-n'm)Δk1m'-Δk2m]]>其中的△k1，△k2又可表示为Δk1=4πλ(n2-n1)]]>……………(4)Δk2=2πλ(3n3-2n2-n1)]]>(4)式中的n1，n2，n3分别是超晶格晶体在基波，二倍频，三倍频时的折射率。一般情况下，选择m=1，n=-1，m’=3，n’=1(图1，图2就是这种情况)。如果以最常用的Nd激光器的1064nm输出为基波，设置温度为40℃，双周期结构的两个基本参数l=6.77um，L=50.86um(对LiTaO3而言)。在具体的设置中，一组用来匹配倍频失配和和频失配的两个倒格矢可作灵活选择。可选择G1，-1，G3，1或者G1，-1，G3，-1或者G1，-3，G3，-1，不同的选择导致不同的双周期结构，对应于不同的基波波长。因为紫外、近紫外光已靠近LiTaO3晶体的吸收边，实际三倍频的转换效率要比理论计算的略小。同时，为了消除光折变效应对转换效率和光斑质量的影响，设置的匹配温度最好在100℃～200℃之间。这种双周期结构的超晶格可用铁电晶体材料，如LiTaO3，LiNbO3，KTP等，通过室温极化或条纹生长法来制备，结合波导工艺也可以制备成具有同样频率转换功能的双调制畴结构光波导器件。即LT、LN或KPT超晶格作为激光变频介质。在材料设置中需要利用材料折射率的色散公式，这里给出LiTaO3单晶的含温度系数的色散公式ne2(λ,T)=A+B+b(T)λ2-[C+c(T)]2+Eλ2-F2+Dλ2]]>其中的参数为A=4.5284，B=7.2449×10-3，C=0.2453，D=-2.3670×10-2，E=7.7690×10-2，F=0.1838，b(T)=2.6794×10-8(T+273.15)2，c(T)=1.6234×10-8(T+273.15)2。对其他材料如LiNbO3，KTP等请参阅非线性光学材料手册和有关文献。本专利技术的特点是本专利技术用光学超晶格晶体代替常规使用的非线性光学晶体，用双调制结构光学超晶格代替周期、准周期结构光学超晶格，从而可对任何激光波长实现直接三倍频。由于LiTaO3紫外吸收边在280纳米，采用一块双周期结构的LiTaO3超晶格可实现对最普及的Nd激光器1064纳米输出的直接三倍频，获得355纳米本文档来自技高网...

【技术保护点】
双周期结构的超晶格材料，其特征是用铁电晶体材料ＬｉＴａＯ↓［３］、ＬｉＮｂＯ↓［３］、ＫＴＰ通过室温极化或条纹生长法来制备、或结合波导工艺制备成具有如下结构参数的材料：用Ｇ↓［ｍ，ｎ］来表示这种双周期结构的主要倒格矢，ｍ，ｎ是整数：Ｇ↓ ［ｍ，ｎ］＝２πｍ／ｌ＋２πｎ／ＬΔｋ↓［１］，Δｋ↓［２］分别代表倍频及和频过程中的波矢失配，如果我们选择双周期结构中的Ｇ↓［ｍ，ｎ］和Ｇ↓［ｍ′，ｎ′］分别来补偿这两个波矢失配，则有：Ｇ↓［ｍ，ｎ］－Δｋ↓［１］＝２πｍ／ｌ＋２ πｎ／Ｌ－Δｋ↓［１］＝０Ｇ↓［ｍ′，ｎ′］－Δｋ↓［２］＝２πｍ′／ｌ＋２πｎ′／Ｌ－Δｋ↓［２］＝０由Ｇ↓［ｍ，ｎ］和Ｇ↓［ｍ′，ｎ′］分别来补偿这两个波矢失配，由以上公式我们可求出双周期的主要结构参数ｌ和Ｌ的表达式：＊＊＊ 其中的Δｋ↓［１］，Δｋ↓［２］又可表示为：Δｋ↓［１］＝４π／λ（ｎ↓［２］－ｎ↓［１］）Δｋ↓［２］＝２π／λ（３ｎ↓［３］－２ｎ↓［２］－ｎ↓［１］）上式中的ｎ↓［１］，ｎ↓［２］，ｎ↓［３］分别是超晶格晶体在基波，二倍频 ，三倍频时的折射率。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱永元，祝世宁，秦亦强，刘照伟，刘辉，王惠田，何京良，闵乃本，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]