用4H碳化硅晶体制造的非线性光学器件制造技术

本发明专利技术涉及一种用4H碳化硅晶体制造的非线性光学器件。该非线性光学晶体用于改变具有特定频率的至少一束激光(12)，产生至少一束不同于所述频率的另一特定频率的激光(16)，所述非线性光学晶体为4H碳化硅晶体(13)。由于4H碳化硅晶体具有很高的激光损伤阈值、较宽的透光范围(0.38-5.9μm及6.6-7.08μm)、较大的二阶非线性光学系数(d15＝6.7pm/V)、较大的双折射、高热导率(490Wm-1K-1)以及高化学稳定性等特点，使得本发明专利技术的非线性光学器件在输出高功率、高光束质量的中红外激光方面更好地满足实际应用需求，具有显著地实际应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用4H碳化硅晶体制造的非线性光学器件，属于材料领域和激光

技术介绍
中红外波段(3-5μπι)是大气的一个重要窗口，该波段的激光对空气中的大雾、烟尘等具有很强的透过能力，因而该波段激光在军事上可用于激光制导、光电对抗及目标探测等。另外，多数的碳氢气体及其它有毒的气体分子在3-5 μ m波段有很强的吸收，因此，中红外激光在气体探测、大气遥感和环境保护等领域也有着广泛的应用。由于缺乏直接的激光增益介质，非线性频率变换如光参量振荡、光参量放大及差频等是产生中红外激光的主要手段。在3-5 μ m波段，一般采用的非线性光学晶体有LiNb03、KTiOPO4, AgGaS2及ZnGeP2等。上述非线性晶体虽然具有较大的非线性系数，但其激光损伤阈值都很低，其中，LiNbO3的激光损伤阈值约为120MW/cm2(1.064ym，30ns)，KTiOPO4的激光损伤阈值约为150MW/cm2(l.064 μ m, 30ns)，AgGaS2及ZnGeP2的激光损伤阈值约分别为25MW/cm2 (1.064 μ m, 35ns)和 3MW/cm2 (1.064 μ m, 30ns)(详见:Dmitriev 等人的 Handbookof Nonlinear Optical Crystals, Springer, Berlin, 1999, p.118)。因此，上述中红外非线性光学晶体受到激光损伤阈值的限制，在很多场合得不到广泛的应用。碳化硅晶体具有250多种晶型，其中最常见的有3C碳化硅、4H碳化硅和6H碳化硅，其中4H和6H碳化硅具有非零的二阶非线性光学系数，并具有以下特点:1.具有较大的二 阶非线性光学系数(4H碳化硅:d15 = 6.7pm/V ;6H碳化硅:d15=6.6pm/V)(详见:Sato 等人的 “Accurate measurements ofsecond-order nonlinearoptical coefficients of 6H and 4H silicon carbide，，，Journal of the OpticalSociety ofAmerica B 26,1892 (2009))；2.在可见和红外光区有较高的透过率(4H碳化硅透光范围为0.38-5.5μπι，6Η碳化硅透光范围为0.4-5.5 μ m);3.具有较高的激光损伤阈值(6H和4H碳化硅的激光损伤阈值均大于80GW/cm2 (1.064 μ m, IOns))(详见:Niedermeier 等人的 “Second-harmonicgeneration insilicon carbide polytypes，，，Applied Physics Letter.75,618 (1999))；4.热导率高(6H和4H的热导率均为49(^- -1)，化学稳定性好，不潮解；5.晶体生长工艺成熟，晶体光学质量较高。4H和6H碳化硅晶体均为正单轴晶体(n。< ne)，精确测量晶体的折射率(η。及ne)是研究其非线性光学性质的重要前提。一定温度下晶体的折射率数据唯一决定了该晶体在透光范围内是否满足非线性光学频率变换的相位匹配条件。只有实现相位匹配时，非线性频率转换才有较高的效率，进而得到实际应用。1944年，Thibault采用最小偏向角法率先测量了 6H碳化硅在可见光波段(0.4047-0.6708 μ m)的折射率(详见:Thibault 的 “Morphological andstructuralcrystallography and optical properties of silicon carbide (SiC)，，，TheAmericanMineralogist 29，327 (1944))，测试的精度约为 3X 10_4。1968 年，Choyke 等人采用牛顿等倾干涉法测量了 6H碳化硅的ο光折射率(η。)，并把η。扩展到紫外和红外波段，测量精度约为 2 X ICT3 (详见:Choyke 等人的 “Refractive index and low-frequency dielectricconstant of 6H SiC，，，Journal of the Optical Society ofAmerica 58,377(1968))。1971年，Shaffer测量了 4H和6H碳化硅在可见光波段(0.467-0.691 μ m)的折射率，并拟合了它们的色散方程，测量精度约为I X 1(Γ3(详见:Shaffer的“Refractiveindex,dispersion, and birefringence of silicon carbide polytypes，，，AppliedOptics 10,1034(1971))。1972 年的美国专利 “Nonlinear optical devices utilizingsubstantiallyhexagonal silicon carbide”(专利号:US3676695)及其同族专利(CA962755，NL 7210039，SE 3676695， IT 964758，GB 1375638，FR 2147103，DE 2235800 及 BE786555)通过最小偏向角法测试了一个六方结构的碳化硅在6个波长下(0.488,0.5017，0.5145,0.5321,0.6328及1.064 μ m)的折射率。该专利中碳化硅晶体的吸收谱显示，该晶体的最短透过波长为0.4 μ m，对应于6H碳化硅的带隙(3.0eV);其折射率的测试数据也进一步表明该晶体为6H碳化硅。该专利提出采用6H碳化硅作为非线性光学晶体通过角度相位匹配可用于倍频及光参量等频率变换，而且参与非线性光学频率变换的光束中，至少有一束激光的波长大于I μ m。上述专利的专利技术人Singh等人在随后发表的文章中指出6H碳化硅在基频光波长大于2 μ m时可以实现倍频相位匹配，特别是当基频光波长为2.128 μ m时，倍频相位匹配角约为75° (详见:Singh等人的“Nonlinear optical properties ofhexagonal si I iconcarbide”，Applied Physics Letters 19,53(1971))。值得注意的是，该专利测试6H碳化硅折射率所使用的光源的最长波长仅为1.064 μ m,而非线性光学频率变换的波长涉及到波长较长的红外光波段(如2.128 μ m)，通过基于短波长的折射率拟合的色散公式外推较长波长折射率的方法会导致折射率数据有很大的偏差。本专利技术的专利技术人提供的新的折射率数据表明，6H碳化硅晶体不可能在红外波段内用于激光倍频及光参量，即Singh等人所申请的专利及其同族专利中所涉及的
技术实现思路
是不可能实现的，详见下述内容。1985年Choyke等人在文献中提供的6H碳化娃的折射率η。数据大部分取自于上述的1944年Thibault, 1968年Choyke等人及1971年Shaffer等人文献中的数据，并且只是将这些文献中的折射率η。的数据进行简单的堆砌；由于这三篇文献测试折射率时采用不同的测试方法，使得本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非线性光学器件，包括至少一个非线性光学晶体，该非线性光学晶体用于改变具有特定频率的至少一束激光(12)，产生至少一束不同于所述频率的另一特定频率的激光(16)，其特征在于：所述非线性光学晶体为4H碳化硅晶体(13)。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈小龙，王顺冲，彭同华，王刚，刘春俊，王文军，金士锋，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：