专利名称：铌酸锂晶体微区周期性畴结构的制备方法
技术领域：
本发明涉及铌酸锂晶体，是一种铌酸锂晶体微区周期性畴结构的制备方法。利用相干的飞秒激光与铌酸锂晶体相互作用使铌酸锂晶体已有的电畴调制成有频率转换性能的微区周期性畴结构。
背景技术：
1962年，Bloembergen等人提出准相位匹配(Quasi Phase Matching，简称QPM)理论通过晶体的非线性极化率的周期性调制来弥补由于折射率色散造成的基波和谐波之间的位相失配，以获得非线性光学效应的增强。用微结构材料代替均匀材料，用QPM实现激光倍频转换效应的增强，在技术上具有很大的吸引力，因此周期性畴结构的制备一直是人们研究的热点。在先技术中，SONY公司的M.Yamada等首次利用外加电场极化法(参见M.Yamada等，Appl.Phys.Lett，62卷，435-436页，1993年)实现了铌酸锂畴结构反转。此方法虽有很多优点，但也存在一些缺点1.由于室温下铌酸锂晶体中的矫顽场很大，大于铌酸锂的击穿电压，外加电场要求很高；2.制得的畴反转周期和占空比不易控制，且周期向更小发展时有困难；3.周期很难做到很小，只能达到微米量级。主要是受电极掩模版制作精度的限制。
为此，近年来又发展了很多新的制备方法，以激光诱导外加电场极化法(参见Chen Yunlin等，Optics Communications.188卷，359-364页，2001年)最受关注。但也只是降低了铌酸锂晶体的矫顽场，由于还是使用了外加电场，故仍存在以上的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备铌酸锂晶体微区周期性畴结构的方法。
本发明用于制备铌酸锂晶体微区周期性畴结构的方法实际上是在铌酸锂晶体单畴上，通过两束互相干涉的飞秒激光在C方向形成的调制强电场使晶体内已有的电畴实现周期性极化反转。
本发明的技术解决方案如下一种铌酸锂晶体微区周期性畴结构的制备方法，其特征在于该方法包括下列步骤①对LiNbO3单晶进行定向，垂直于晶轴方向为面切割成长方体晶片，晶片表面抛光，光洁度优于III级；②将所述的LiNbO3晶片置于相干飞秒激光装置的相干场靶位上，使相干的飞秒激光沿所述的LiNbO3晶片的C轴入射辐照，入射能量在100～500mw，辐照时间超过30秒。
所述的飞秒激光是脉宽为60fs，中心波长为800nm，频率为1000Hz的掺钛兰宝石激光器输出的飞秒激光。
所述的铌酸锂晶体微区周期性畴结构的制备方法中所使用的飞秒激光相干装置的构成是包括一飞秒激光器，在该飞秒激光器输出的飞秒激光的前进光路上，依次是第一全反镜，第一小孔光阑，第二小孔光阑，第二全反镜和第一分光镜，经该第一分光镜形成反射光束和透射光束，所述的透射光束的光路上依次是第一半波片、第一偏振片、第三全反镜、第四全反镜、由第五全反镜和第六全反镜组成的第一直角反射镜、第一透镜和第二分光镜；所述的反射光束的光路上依次是第二半波片、第二偏振片、第七全反镜、第八全反镜、由第九全反镜和第十全反镜组成的第二直角反射镜、第十一全反镜、第十二全反镜、第二透镜和第二分光镜，在该第二分光镜之后及第一透镜和第二透镜的共同焦点区域为LiNbO3晶片设置的晶体靶位，所述的第一直角反射镜或第二直角反射镜位于一导轨上并可沿该导轨移动，以调节反射光束与透射光束的光程差。
本发明的基本思想是用干涉的飞秒激光产生的强大的瞬间电场来实现铌酸锂晶体内的微区周期性畴结构制备，由于飞秒激光因光电效应产生的强大瞬间电场已足够克服室温下铌酸锂晶体中的矫顽场，达到畴反转的条件，故无需外加电场。
本发明的优点是1.无需外加电场，操作简单，精密度高；2.制得的畴结构反转周期和占空比容易控制，因为激光束的干涉图样聚焦前可以直观观察和调节，聚焦后容易用仪器监视；3.周期可以做到很小，根据需要可以达到小于微米的量级，应用性好。
图1为本发明方法所使用的飞秒激光相干装置示意图。
图中1-第一全反镜，2-第一小孔光阑，3-第二小孔光阑，4-第二全反镜，5-第一分光镜，6-第一半波片，7-第一偏振片，8-第三全反镜，9-第四全反镜，10-第五全反镜，11-第六全反镜，12-第一透镜，13-第二半波片，14-第二偏振反射镜，15-第七全反镜，16-第八全反镜，17-第九全反镜，18-第十全反镜，19-第十一全反镜，20-第十二全反镜，21-第二透镜，22-第二分光镜。
图2为本方法实施例输出的干涉光图样。
具体实施例方式
图1为本发明方法所使用的飞秒激光相干装置示意图。采用如图1的装置，中心波长为800nm的掺钛蓝宝石激光器输出的飞秒激光光束经过第一全反镜1，第一小孔光阑2，第二小孔光阑3，第二全反镜4到达第一分光镜5，经该第一分光镜5后形成反射光束和透射光束，所述的透射光束经第一半波片6、第一偏振片7、第三全反镜8、第四全反镜9、由第五全反镜10和第六全反镜11组成的第一直角反射镜、第一透镜12和第二分光镜22，最后达到LiNbO3晶片；所述的反射光束经第二半波片13、第二偏振片14、第七全反镜15、第八全反镜16、由第九全反镜17和第十全反镜18组成的第二直角反射镜、第十一全反镜19、第十二全反镜20、第二透镜21和第二分光镜22，最后达到LiNbO3晶片，设置LiNbO3晶片的晶体靶位在该第二分光镜22之后及第一透镜12和第二透镜21的共同焦点区域，即两光束相干的区域，所述的第一直角反射镜或第二直角反射镜位于一导轨上并可沿该导轨移动，以微调节反射光束与透射光束的光程差。干涉条纹的数目和间距均可以通过调节光路来控制。铌酸锂晶体根据需要放在透镜焦点附近不同位置可以制备出不同要求的微区畴结构。所述的第一小孔光阑2和第二小孔光阑3是调节范围为1～15mm的可变光阑。第一分光镜5和第二分光镜12是对实施例所用激光波长一个表面镀有半透半反介质膜、另一个表面镀有增透膜的平行平板。第一半波片6和第二半波片13是厚度为所用激光半波长整数倍的玻璃平板。第一透镜12和第二透镜21是焦距为80cm的聚焦凸透镜。
本发明方法实施的具体工艺流程为1)先将LiNbO3单晶进行定向，垂直于晶轴方向为面切割成一定厚度，厚度方向为垂直于C轴方向，也即入射激光方向，mm量级的长方体样品，晶体表面抛光，光洁度优于III级。
2)将脉宽约60fs，中心波长800nm，频率1000Hz的钛宝石飞秒强激光(最大输出功率约500mw)通过图1的实验装置调整成如图2所示的干涉的激光输出。
3)根据铌酸锂晶体微区周期性畴结构制备的需要(主要是畴结构的微区大小和畴的间距)，将铌酸锂晶体放置于实验装置的靶区适当位置进行微区周期性畴结构的制备。聚焦入射到晶体的长方体大表面(也即垂直于晶体C轴入射)，入射能量在100～500mw，辐照时间超过30秒，制备出所需要的微区周期性畴结构。
权利要求
1.一种铌酸锂晶体微区周期性畴结构的制备方法，其特征在于该方法包括下列步骤(1)对LiNbO3单晶进行定向，垂直于晶轴方向为面切割成长方体晶片，晶片表面抛光，光洁度优于III级；(2)将所述的LiNbO3晶片置于相干飞秒激光装置的相干场靶位上，使相干的飞秒激光沿所述的LiNbO3晶片的C轴入射辐照，入射能量在100～500mw，辐照时间超过30秒。
2.根据权利要求1所述的铌酸锂晶体微区周期性畴结构的制备方法，其特征在于所述的飞秒激光是脉宽为60fs，中心波长为800nm，频率为1000Hz的掺钛兰宝石激光器输出的飞秒激光。
3.根据权利要求1所述的铌酸锂晶体微区周期性畴结构的制备方法，其特征在于所述的飞秒激光相干装置的构成是包括一飞秒激光器，在该飞秒激光器输出的飞秒激光的前进光路上，依次是第一全反镜(1)，第一小孔光阑(2)，第二小孔光阑(3)，第二全反镜(4)和第一分光镜(5)，经该第一分光镜(5)形成反射光束和透射光束，所述的透射光束的光路上依次是第一半波片(6)、第一偏振片(7)、第三全反镜(8)、第四全反镜(9)、由第五全反镜(10)和第六全反镜(11)组成的第一直角反射镜、第一透镜(12)和第二分光镜(22)；所述的反射光束的光路上依次是第二半波片(13)、第二偏振片(14)、第七全反镜(15)、第八全反镜(16)、由第九全反镜(17)和第十全反镜(18)组成的第二直角反射镜、第十一全反镜(19)、第十二全反镜(20)、第二透镜(21)和第二分光镜(22)，在该第二分光镜(22)之后及第一透镜(12)和第二透镜(21)的共同焦点区域为LiNbO3晶片设置的晶体靶位，所述的第一直角反射镜或第二直角反射镜位于一导轨上并可沿该导轨移动，以调节反射光束与透射光束的光程差。
全文摘要
一种铌酸锂晶体微区周期性畴结构的制备方法，该方法的步骤是对LiNbO
文档编号G02F1/35GK1786804SQ20051011159
公开日2006年6月14日 申请日期2005年12月16日 优先权日2005年12月16日
发明者朋汉林, 潘守夔, 姜本学, 林礼煌 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所