专利名称：准周期微米超晶格的制备方法及其在激光变频方面的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及铁电畴晶体材料的制备方法及其应用。
现有的介电体微结构材料主要是指周期微米超晶格材料，特别是周期极化的LiNbO3，LiTaO3和其他铁电晶体，有块状的，也有光波导形式的。这种材料已经被广泛应用光参量过程。如激光的倍频、和频、光参量放大和振荡等场合。它能将激光频率从某一固定频率，转移至一新频率或调谐到某一范围。以满足不应用领域对不同波长激光的需求。CN94111519.4给出了室温条件下对LiTaO3等晶体周期极化技术。周期极化微米超晶格能应用于激光频率转移的非线性光学领域是采用了准位相匹配(QPM)技术。通过非线性极化率的周期改变可以不断修正由于色散效应引起了各参量光之间的位相匹配，使得频率转换效应得以增强。从物理角度分析，由于周期结构能提供一个倒格矢，这一倒格矢G可以参与光在介质中非线性相互作用。补偿位相失配使得ΔK+G＝0。激光频过程能在位相匹配条件下得已实现，不过由于一种周期结构只能提供一个倒格矢G＝2π/∧，∧为周期，所以一种周期只能参与一种参量过程(如倍频，或和频)，如果需要实现二个参量过程如三倍频，即倍频+和频，则需使用二块不同周期的超晶格材料，分两部完成，光用一块晶体获得倍频，再用第二块晶体将倍频与基频和频得到三倍频。其他参量过程也可依此类推。
本发明的目的是将准周期超晶格材料及设计引入非线性光学和激光频率转移的参量过程，通过结构参数的设计从准周期材料倒空间的多组倒格矢中选取所需要的若干倒格矢来同时参与若干参量过程，使得这些参量过程同时满足不同的位相匹配条件，且相互耦合，导致高效的高次谐波产生。
本发明的技术解决方案是二种准周期微米超晶格的准周期设计制备方法，其特征是通过物理方法，将铁电晶体的铁电畴按准周期排列，从而实现非线性系数的准周期调制。对准周期参数的选择以其倒格矢参数满足耦合激光参量过程中的位相匹配的条件下选取。所述的激光参量过程包括倍频、和频、差频或其结合。
而准周期微米超晶格制备方法，其特征是采用室温外电场选区极化方法制成准周期铁电畴结构的超晶格。
本发明的科学价值在于，首次将准晶，准周期材料引入非线性光学，将利用周期微米超晶格晶体实现单一参量过程的准位相匹配原理推广至利用准周期微米超晶格晶体实现耦合参量过程的多重准位相匹配。本发明应用价值在于找到一种同时满足多个参量过程位相匹配的方法，将本需通过若干过程，采用若干晶体完成的激光变频，转换过程用单一晶体完成，并获得高效输出。
以下结合附图和通过实施例对本发明作进一步说明
图1为二单元菲波拉LiTaO3微米超晶格结构示意2为图1材料用于三倍频的实验结果图3为图1材料三倍频光参量过程示意图现以利用具有菲波拉(Fibonacci)序列极化的LitaO3微米超晶体实现高效三倍频为例介绍准周期微米超晶格如何实现多重准位相匹配的耦合参量过程获得高效高次谐波的原理、设计方案、材料的制备以及实验结果。
菲波拉序例的生成方法F1＝{A}，F2＝{AB}…Fj＝Fj-1+Fj-2即通过取代规则A→AB，B→A逐代递推得到，如F3＝{ABA}，F4＝{ABAAB}…，A、B分别是序列的两个构造单元，其长度分别为la，lb。另一种取代规则是A→AAB，B→A逐代递推得到，F3＝{AABAABA}，F4＝{AABABAAABAABAAAB}，该递推规则可推广至A→A′B，B→A，其中j是任意正整数。
2.菲波拉序列的倒格矢和结构参数倒格矢Gmn＝2πp其中平均结构参数D＝τla+lb对于j＝1，τ＝1/2(1+5)为黄金分割数，j≠1，τ＝1/2(m+m2+4)。
实现三倍频位相匹配条件现有技术实现三倍频需要使用二块晶体，分两阶段完成、利用第一块晶体实现倍频，再用第二块晶体使倍频与基频和频产生三倍频。这是因为二过程的位相匹配条件必须设计二种不同的结构加以满足。利用准周期微米超晶格LT或LN(LitaO3、LiNbO3)，可以通过结构参数的设计、选取不同的倒格矢分别补偿倍频和频过程的位相匹配。使得二个过程同时位相匹配，和频过程接联倍频过程，二过程耦合直接从一块晶体中获得三倍频，具体设计为设倍频的位相失配为ΔK1＝4π/λ(n2w-nw)和频的位相失配为ΔK2＝2π/λ(3n3w-2n2w-nw)其中λ为基波波长，nw，n2w，n3w分别为基波，倍频与三倍频波长对应的折射率。利用Gm，n补偿倍频的位相失配(2)利用Gm′，n′补偿和位相失配(3)如(2)、(3)式同时满足，则倍频与和频过程同时在一块晶体中发生，见图(1)即实现三倍频的位相匹配。
菲波拉微米超晶格的实际设计的实施例图2为菲波拉LiTaO3微米超晶格的示意图，二单元的准周期材料有二个基本单元A与B。每一单元都有一组正、负畴构成，设A单元宽度为la＝la1+La2＝la1+la1(1+)，B单元宽度为lb＝lb1+lb2＝lb1+lb1(1-τ)一般选取La1＝Lb1，且为调节参数，τ为黄金分割数τ＝1.618于是la＝la1(α+)，lb＝la(2-τ)，D＝τla+lb＝2la(1+τ)，所以倒格矢可写成Gm，n＝2π(m+nτ)/D＝π(m+nτ)/la1(1+τ)如果要用这样的材料实现三倍频，即要完成倍频与和频两个参量过程，则倍频过程的位相匹配为ΔK1＝4π/λ(n2w-nw)和频过程位相匹配为ΔK2＝2π/λ(3n3w-2n2w-nw)我们可以通过设计材料参数la1，并根据入射的基波波长，分别算出n3w，n2w，nw的值，选取不同的m， n，m′，n′值。使(2)，(3)两式同时满足，即可使倍频与和频过程同时在一块材料中的完成。
更具体言之，例如设入射基波波长为1.568μm。选取的材料为Lita，根据LitaO3的色散关系可算得nw，n2w及n3w的值，我们设计la1＝lb1＝11μm，la2＝13μm令lb2＝6.5μm，m＝n＝1，m′＝2，n′＝3即G1，1＝ΔK2w，G2，3＝ΔK3w 这样设计便可同时完成倍频与和频过程的位相匹配，用一块材料获得0.523μm的绿光输出。
当以A→AAB，B→A规则迭代时，在上述材料时有下述实施参数la1＝lb1＝5.5μm la2＝16.5μm，lb2＝4.9μm，取基频光波长为1.710μm时，得到0.571的三倍频光输出。
菲波拉序列LitaO3微米超晶格倍频与三倍频实验结果实验测试结果见图3与表1。
除了可直接获得20％左右的三倍频转换效率外，由于准周期可提供多组倒格矢，所以通过调谐基波波长，在不同的波长处还可获得多处的倍频光的输出，利用同一块样品在0.9μm-1.4μm范围调谐获得红、绿、黄、蓝的倍频结果。转换效率在10％左右，所以该材料亦可用于制作多色倍频器件。
准周期微米超晶格的制备方法和实施例1.对于铁电晶体，可采用“室温外场极化技术”选取0.2-1mm厚的Z切晶片，在+Z面镀上准周期电极，在-Z面镀上平电极，采用电场强度约为20KV/mm-30KV/mm(对于LiNbO3和LiTaO3晶体)的正向电脉冲对晶片进行准周期极化。准周期极化的样品可通过剖面的腐蚀加以确认(见图1c)2.对于非铁电晶体则需采用叠片的方法即机构加工或所需厚度的晶片，按准周期序列叠合，或用MOCVD，PLD，MBE，Sol-gel等技术制备准周期多层膜来制作。
准周期超晶格的应用，实验测试结果见图1与表1。
(1)制作多色倍频器件，用一块晶体完成不同波长激光的倍频。
(2)完成激光的高次谐波转换，如三倍频，四倍频等。
(3)用一块晶体，用一个泵浦光源，可实现多波长的光参量放大与光参量振荡。
以上仅以LitaO3和最简单的Fibonacci序列(即A→AB，B→A及A→AAB，B→A)为例。说明准周期微米超晶格的设计制备及非线性光学效应与应用。设计思路可推广至其他准周期序列，包括多组元的Fibonacci序列，本发明所覆盖的准周期序列及其生成规则已有成熟的表述，由于每一种准周期结构的不同的取值，倒格矢在倒空间的分布不一样。于是在光参量过程中表现出各自的特点。各种晶体材料也有各种色散特性。但设计的思路和方法与以上所述无区别，制备方法也一样，这些均没有超出本发明的范围。
表1<
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权利要求
1.一种准周期微米超晶格的准周期设置方法，其特征是用铁电畴单晶材料的电畴制成准周期结构，对准周期参数的选择在倒空间倒格矢满足耦合激光参量过程中的位相匹配的条件下选取。
2.由权利要求1所述的准周期超晶格的设置方法，所适用的参量过程包括倍频、和频、差频以及光参量放大和振荡。
3.由权利要求1所述的准周期微米超晶格制备方法，其特征是采用室温外电场选区极化方法制成准周期结构参数电畴。
4.由权利要求1所述的准周期微米超晶格制备方法，其特征是以LitaO3晶体、LiNbO3晶体制成二个和二个以上基本单元，每一单元都有一组正、负畴构成，每一单元畴宽为将根据不同的位相匹配条件选取如11-13，11-6.5(μm)；5.5-16.5，5.5-4.9(μm)等等。
5.一种准周期铁电畴超晶格材料的应用，其特征是以菲波拉序列准周期材料置于基频激光中通过耦合光参量过程而制成激光的倍频、三倍频、四倍频和其他可调谐的激光变频器件。
全文摘要
一种准周期微米超晶格的准周期设置方法,其特征是用铁电畴单晶材料的电畴制成准周期结构,对准周期参数的选择在倒空间倒格矢满足耦合激光参量过程中的位相匹配的条件下选取。所适用的参量过程包括倍频、和频、差频以及光参量放大和振荡。本发明应用价值在于找到一种同时满足多个参量过程位相匹配的方法,将本需通过若干过程,采用若干晶体完成的激光变频,转换过程用单一晶体完成,并获得高效输出。
文档编号H01S3/00GK1172367SQ9611704
公开日1998年2月4日 申请日期1996年7月31日 优先权日1996年7月31日
发明者闵乃本, 朱永元, 祝世宁 申请人:南京大学