專利名稱：雙周期超晶格及其在激光變頻中的應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種雙調制結構超晶格設置，以及這種雙周期超晶格在激光變頻中的應用，這種超晶格具有直接三倍頻的功能。
祝世寧等人1997年在Science上發表了“用準周期Fibonacci光學超晶格(QPOS)實現綠光三倍頻”的文章，利用準周期Fibonacci序列的LiTaO3超晶格，三倍頻1570nm的NdYAG激光，產生523nm的綠光。QPOS中的基本參數l=10.7μm，A=24μm，B=17.5μm。樣品總長度為8mm，厚度為0.5mm。1570nm紅外光單次通過QPOS三倍頻，產生綠光功率達6mW，轉換效率為23％。
J.P.Meyn和M.M.Feier在1997年的Opt.Lett上發表了“利用周期極化的鉭酸鋰通過二倍頻獲得紫外輸出”的文章。鉭酸鋰超晶格的周期為2.625微米，獲得的紫外激光的波長是325納米，其有效非線性系數為2.6pm/V，是理論值的55％。
A.Arie等人在Optics Communications上發表了“用周期極化的KTP準位相匹配產生倍頻綠光和紫外光”的文章，他們利用一塊周期為8.98微米的KTP超晶格實現了對783.5納米激光的倍頻紫外輸出。1厘米長的超晶格晶體，泵浦光為259mW時，可得到75.3μW的紫外激光，轉換效率約為0.12％/W。
以上三篇文章分別介紹了用準周期光學超晶格實現綠光三倍頻和用周期光學超晶格實現激光紫外倍頻。在第一篇文章中，使用的是標準的Fibonacci的準周期超晶格。第二篇文章和第三篇文章分別是用周期超晶格對650納米和783.5納米光源倍頻實現紫外激光輸出。所有上述方案均不涉及雙調制結構超晶格和利用該結構的超晶格實現激光三倍頻，不涉及對1064納米激光進行直接三倍頻獲得355納米紫外激光。
本發明的目的在于尋找一種新型的光學超晶格設置結構_雙調制結構，該結構能實現多波長激光倍頻和對任何波長的激光三倍頻。從而提供一種光學超晶格晶體作為三倍頻頻率轉換器件，構成一種高效率的小型全固態的能夠輸出綠光、藍光、紫光或近紫外的激光器。特別是采用一塊雙周期結構的LiTaO3超晶格對NdYVO4和NdYAG激光器1064納米輸出直接三倍頻，獲得355納米的紫外激光輸出。
本發明的目的是這樣實現的利用一塊雙調制(雙周期或周期_準周期)結構的鉭酸鋰(或其他非線性光學材料)超晶格作為激光變頻介質，其特征在于這種雙調制結構能夠同時提供用來匹配倍頻和和頻波矢失配的二個倒格矢，從而使三倍頻能夠持續的增長，實現高效的三倍頻輸出。由于該結構的倒格矢的位置和大小可通過對結構參數設置進行調節，從而可以實現任意波段尤其是藍光、近紫外和紫外的激光高效三倍頻。
現以雙周期超晶格為例說明這種雙調制結構超晶格的設置過程基本思路是對于任意的基波波長，選取其周期結構參數使該結構中倍頻過程及和頻過程產生的波矢失配大小相等。在這種情況下，二次諧波輸出是等振幅或變振幅振蕩的，三次諧波輸出是在輕微振蕩中增長的。二次諧波三次諧波的強度隨周期超晶格晶體長度的關系如圖3所示。這樣，以二次諧波輸出的振蕩周期為新的周期對原周期結構進行再次調制。其結果是二次諧波得到持續增長，導致三次諧波光也能夠高效輸出。基波、倍頻和三倍頻的強度隨雙周期超晶格晶體長度的關系如圖4所示(周期_準周期超晶格的設置思想與方法同)。
圖1和圖2是其中一種雙周期設置方案的模板和頻譜。
在圖1中我們看到，雙周期的主要參數是小的周期結構的周期l和大的調制周期結構的周期L。如果這兩個參數確定了，雙周期結構基本上就確定了。下面我們看看如何通過設置的要求來導出這兩個基本參數。
圖2是雙周期結構的典型頻譜圖。我們用Gm，n來表示這種雙周期結構的主要倒格矢，m，n是整數。Gm,n=2πml+2πnL-------(1)]]>△k1，△k2分別代表倍頻及和頻過程中的波矢失配，如果我們選擇雙周期結構中的Gm，n和Gm’，n’分別來補償這兩個波矢失配，則有Gm,n-Δk1=2πml+2πnL-Δk1=0]]>..........(2)Gm',n'-Δk2=2πm'l+2πn'L-Δk2=0]]>由以上公式我們可求出雙周期的主要結構參數l和L的表達式l=2π(mn'-m'n)Δk1n'-Δk2n]]>…………(3)L=2π(nm'-n'm)Δk1m'-Δk2m]]>其中的△k1，△k2又可表示為Δk1=4πλ(n2-n1)]]>……………(4)Δk2=2πλ(3n3-2n2-n1)]]>(4)式中的n1，n2，n3分別是超晶格晶體在基波，二倍頻，三倍頻時的折射率。一般情況下，選擇m=1，n=-1，m’=3，n’=1(圖1，圖2就是這種情況)。如果以最常用的Nd激光器的1064nm輸出為基波，設置溫度為40℃，雙周期結構的兩個基本參數l=6.77um，L=50.86um(對LiTaO3而言)。
在具體的設置中，一組用來匹配倍頻失配和和頻失配的兩個倒格矢可作靈活選擇。可選擇G1，-1，G3，1或者G1，-1，G3，-1或者G1，-3，G3，-1，不同的選擇導致不同的雙周期結構，對應于不同的基波波長。
因為紫外、近紫外光已靠近LiTaO3晶體的吸收邊，實際三倍頻的轉換效率要比理論計算的略小。同時，為了消除光折變效應對轉換效率和光斑質量的影響，設置的匹配溫度最好在100℃～200℃之間。
這種雙周期結構的超晶格可用鐵電晶體材料，如LiTaO3，LiNbO3，KTP等，通過室溫極化或條紋生長法來制備，結合波導工藝也可以制備成具有同樣頻率轉換功能的雙調制疇結構光波導器件。即LT、LN或KPT超晶格作為激光變頻介質。
在材料設置中需要利用材料折射率的色散公式，這里給出LiTaO3單晶的含溫度系數的色散公式ne2(λ,T)=A+B+b(T)λ2-[C+c(T)]2+Eλ2-F2+Dλ2]]>其中的參數為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。對其他材料如LiNbO3，KTP等請參閱非線性光學材料手冊和有關文獻。
本發明的特點是本發明用光學超晶格晶體代替常規使用的非線性光學晶體，用雙調制結構光學超晶格代替周期、準周期結構光學超晶格，從而可對任何激光波長實現直接三倍頻。由于LiTaO3紫外吸收邊在280納米，采用一塊雙周期結構的LiTaO3超晶格可實現對最普及的Nd激光器1064納米輸出的直接三倍頻，獲得355納米的紫外輸出。和半導體激光器相結合，可研制成低閾值、高效率、優質光束、結構簡單和小型全固態紫外激光器。因而在光譜學，生物醫學，生物醫藥研究，光信息儲存及其他領域得將到廣泛的應用。
下面結合附圖及具體實施方案對本發明作進一步詳細說明圖1為本發明的一種雙周期設置方案的模板示意2是雙周期結構的典型頻譜圖，橫座標為倒格矢，縱座標為傅立葉系數值圖3所示為二次諧波、三次諧波的強度隨周期超晶格晶體長度的關系圖。三倍頻效率隨著晶體橫軸的長度增加而增加。以二次諧波輸出的振蕩周期為新的周期對原周期結構進行再次調制。其結果是二次諧波得到持續增長，導致三次諧波光也能夠高效輸出。
圖4為基波、倍頻和三倍頻的強度隨雙周期超晶格晶體長度的關系圖，其中縱座標表示轉換效率，而FG、SHG、THG三根曲線分別表示基波、倍頻和三倍頻的轉換效率，橫座標為長度。
圖5是本發明的紫外、近紫外激光器的結構示意圖。
圖6是本發明的紫外、近紫外激光器的一種鍍膜設置的結構示意圖。
圖7是本發明的紫外、近紫外激光器的一種加腔設置的結構示意圖。
10-多層膜，1064nm的增透膜，532nm的高反膜；11-532nm的高反膜，355nm的高透膜；12-諧振腔鏡，為多色鏡；13-輸出端腔鏡，紫外、近紫外透光實施例1按照圖5制作一臺用一塊雙周期超晶格組成的腔外三倍頻近紫外激光器。1為808納米的LD激光器，最大輸出功率為15W，NdYVO4晶體3的前表面鍍膜，和腔鏡5一起構成激光的諧振腔，在腔鏡5后能產生大約2w的準連續1064納米的激光。一塊大小周期(L，l)分別為50.86微米和6.77微米的雙周期鉭酸鋰超晶格(放置在控溫爐(7)中，調節控溫爐到45.4攝氏度時，產生波長為355納米的紫外激光(9)。改變光學超晶格(8)的長度可改變輸出紫外激光(9)的強度，一般超晶格的長度范圍在幾個毫米到幾個厘米。
實施例2按照圖6制作一臺用一塊雙周期超晶格組成的三倍頻近紫外激光器。與圖5設置方案不同的是，在超晶格的前后兩個表面進行鍍膜處理。前表面鍍1064納米的增透膜，532納米的高反膜；后表面鍍532納米的高反膜，355納米的高透膜。這樣在超晶格內部實現倍頻532納米激光的諧振，使其達到一定的強度，后表面532納米高反膜的透過率可以調節輸出綠光的強度。由于在超晶格內倍頻激光強度的提高，三倍頻紫外光的效率將明顯提高，同時腔鏡在不同波段透過率的調節可以實現輸出綠光和紫外光的不同配比。
實施例3，按照圖7制作一臺用一塊雙周期超晶格組成的加腔三倍頻近紫外激光器。將一塊大小周期(L，l)分別為50.86微米和6.77微米的雙周期鉭酸鋰超晶格8放置在諧振腔內，反射鏡12為多色鏡，透過1064nm的泵浦光而全反532nm的倍頻光，腔鏡13透過355nm的紫外光，而對532nm的透過率可按照需要進行調節。同實施例2一樣，可同時實現倍頻綠光和三倍頻紫外的雙色輸出，它們之間的強度也可由腔鏡在不同波段的透過率加以調節，而光束質量又大有改善。
權利要求
1.雙周期結構的超晶格材料，其特征是用鐵電晶體材料LiTaO3、LiNbO3、KTP通過室溫極化或條紋生長法來制備，或結合波導工藝制備成具有如下結構參數的材料用Gm，n來表示這種雙周期結構的主要倒格矢，m，n是整數；Gm,n=2πml+2πnL]]>△k1，△k2分別代表倍頻及和頻過程中的波矢失配，如果我們選擇雙周期結構中的Gm，n和Gm’，n’分別來補償這兩個波矢失配，則有Gm,n-Δk1=2πml+2πnL-Δk1=0]]>Gm',n'-Δk2=2πm'l+2πn'L-Δk2=0]]>由Gm，n和Gm’，n’分別來補償這兩個波矢失配，由以上公式我們可求出雙周期的主要結構參數l和L的表達式l=2π(mn'-m'n)Δk1n'-Δk2n]]>L=2π(nm'-n'm)Δk1m'-Δk2m]]>其中的△k1，△k2又可表示為Δk1=4πλ(n2-n1)]]>Δk2=2πλ(3n3-2n2-n1)]]>上式中的n1，n2，n3分別是超晶格晶體在基波，二倍頻，三倍頻時的折射率。
2.由權利要求1所述的雙周期結構的超晶格材料，其特征是一組用來匹配倍頻失配和和頻失配的兩個倒格矢可作靈活選擇，可選擇G1，-1，G3，1或者G1，-1，G3，-1或者G1，-3，G3，-1，得到不同的雙周期結構，對應于不同的基波波長。
3.雙周期超晶格在激光變頻中的應用，其特征是利用一塊雙調制或雙周期結構的LT、LN或KPT超晶格作為激光變頻介質，尤其是三倍頻介質，這種雙調制結構的參數如權利要求1-3所示。
全文摘要
本發明涉及雙周期超晶格及其在激光變頻中的應用,這種超晶格以鐵電晶體為基質,通過一種特定雙調制結構的設置,能夠同時提供用來匹配倍頻和和頻波矢失配的二個倒格矢,從而使三倍頻能夠持續的增長,從而實現高效三倍頻,或實現倍頻、三倍頻的同時輸出。具有這種結構的鉭酸鉀(LiTaO
文檔編號H01S3/10GK1288275SQ0011900
公開日2001年3月21日 申請日期2000年10月11日 優先權日2000年10月11日
發明者朱永元, 祝世寧, 秦亦強, 劉照偉, 劉輝, 王惠田, 何京良, 閔乃本 申請人:南京大學