（物理电子学专业论文）准相位匹配ppktp的研制及有关应用研究.pdf

摘要 本研究来源于教育部科学技术研究重点项目和国家自然科学基金项目。本论 文从准相位匹配技术的理论和实验两个方面，对电场极化反转铁电体的机理和技 术关键进行了深入的研究，并在电场周期极化反转k t p 晶体制备和p p k t p 倍频 及光参量振荡等研究方面取得了初步的成果。 本文的研究内容突出以下几个方面： ( i ) 在大量电场致周期极化反转l i n b 0 3 晶体的实验基础上，模拟计算了晶 体表面和内部的电场分布，仔细研究了铁电畴反转动力学的基本规律。并获得了 与电场极化反转行为相关的p p l n 蚀刻表面特征。 ( 2 ) 用高压电场周期性极化反转磷酸氧钛钾( k t i o p 0 4 ，即k t p ) 晶体取得 了初步成功：采用离子交换法，降低了电导率；设计制作了波形可调的高压脉冲 电源：制各了一批p p k t p 倍频器样品；对p p k t p 表面进行化学蚀刻处理，发现 反转畴线条笔直，无弯曲变形，边界清晰，基本没有横向扩展。 ( 3 ) 在理论上研究了p p k t p 器件的倍频特性：在光学单通倍频实验中，利 用包层泵浦光纤激光器输出的1 0 6 4 i _ t m 的激光作为基频光，泵浦自行制备的 p p k t p 倍频器件，在室温下获得了连续的0 5 3 2 p m 的明亮绿光输出，倍频转换 效率为o 3 2 ，归一化倍频转换效率为2 4 ( w e r a ) 一。目前国内还未见其它同类 研制成果的报道。 ( 4 ) 在理论上详细进行了p p k t p 光参量振荡的各种调谐与容差特性的研 究，结论可以用于指导实验。 ( 5 ) 研究了利用p p l n 产生t h z 波输出的机理，并用准相位匹配参量振荡 原理研究了p p l nt h z 波产生的调谐与容差特性，理论研究结果与文献已有的实 验结果相吻合。说明理论模型是有效的，对今后的研究具有一定的指导意义。 关键词：准相位匹配( q p m )周期极化铌酸锂( p p l n ) 周期极化磷酸氧钛钾 ( p p k t p ) 电场极化 畴反转倍频( s h g ) 光参量振荡( o p o ) t h z 波产生 a b s t r a c t t h i sw o r ki ss u p p o r t e d b yb o t hs c i e n t i f i cr e s e a r c hk e yp r o j e c tf u n do f m i n i s t r yo f e d u c a t i o na n dn a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o n i n t h i s d i s s e r t a t i o n ，t h e f e r r o e l e e l r i ed o m a i ni n v e r t e d d y n a m i c sa n dt e c h n o l o g ya r ed e e p l yr e s e a r c h e db y t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lw a y s s o m ep r i m a r ya c h i e v e m e n t sh a v eb e e no b t a i n e d i nf a b r i c a t i o na n ds e c o n dh a r m o n i cg e n e r a t i o no f p e r i o d i c a l l yp o l i n gk t pc r y s t a l s f o l l o w i n ge m p h a s i sc o n t r i b u t i o na r ei n c l u d e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ： 1 b a s e do nl o t so fe l e c t r i cf i e l di n v e r t e d l i n b 0 3f a b r i c a t i o n t h ee l e c t r i cf i e l d d i s t r i b u t i o ni nt h ec r y s t a li ss i m u l a t e dc o m p u t a t i o n a n dt h ef e r r o e l e c t r i cd o m a i n i n v e r t e dd y n a m i c si sc a r e f u l l yr e s e a r c h e d t h ec h e m i c a le t c h e ds u r f a c e so f p p l n r e v e a lt h er e l a t i v ec h a r a c t e r so f e l e c t r i c p o l i n gb e h a v i o r 2 s o m ep r i m a r ya c h i e v e m e n t sh a v eb e e ng o ti nt h ef a b r i c a t i o no ff l u x - g r o w n p e r i o d i c a l l yp o l i n gk t i o p 0 4 ( p p k t p ) b yh i g h e l e c t r i c a l v o l t a g ep u l s e t o n - e x c h a n g ei s i n t r o d u c e dt od e c r e a s et h ec o n d u c t i v i v yo fk t p c r y s t a l s h i g h v o l t a g ep o w e r i sd e s i g n e da n dm a d et og e n e r a t ew a v e f o r mt u n a b l ep u l s e s o m e p p k t p s a m p l e s a r em a d ea n dt h ee t c h e ds u r f a c e sr e v e a lt h a tt h ei n v e r t e dd o m a i n s t r i p e sa r es t r a i g h ta n d n ob o u n d a r i e sb r o a d e n e d 3 t h es e c o n dh a r m o n i c g e n e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fp p k t pa r e t h e o r e t i c a l l y r e s e a r c h e d a n di ns i n g l e - p a s ss h o e x p e r i m e n t s , t h ed i o d e - p u m pd o u b l ec l a d f i b e rl a s e ra t1 0 6 4 1 m aw a su s e da sf u n d a m e n t a ll i g h tt op u m ps e l f - m a d ep p k t p d e v i c e b r i g h tg r e e nl i g h to u t p u tw a sg o tf r o mi t ，t h es h ge f f i c i e n c yi s o 3 2 a n dt h en o r m a l i z e ds h g e f f i c i e n c yi s2 4 f w c m ) t h e r ei s n oo t h e rs i m i l a r a c h i e v e m e n t r e p o r t e di nc h i n a 4 t h ep p k t p o p t i c a lp a r a m e t r i co s c i l l a t o rt u n i n ga n dt o l e r a n c ec h a r a c t e r i s t i c sa r e t h e o r e t i c a l l y r e s e a r c h e d t h ec o n c l u s i o n sc o u l db eu s e dt og u i d ee x p e r i m e n t s 5 t h ep r i n t i p l e so ft h zw a v eg e n e r a t e df r o mp p l na r er e s e a r c h e da n dt h et u n i n g a n dt o l e r a n c ec h a r a c t e r i s t i c sc u r v e sa r ea l s og i v eb a s e do nt h em e t h o do f o p t i c a l p a r a m e t r i co s c i l l a t o r t h er e s u l t sf i tw e l lw i t hs o m el i t e r a t u r ed a t a t h a tm e a n s t h et h e o r e t i c a lm o d e li su s e f u lt ot h ef u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：q u a s i - p h a s em a t c h e d ( q p m ) p p l n p p k t pe l e c t r i cf i e l d p o l i n g d o m a i ni n v e r t e ds h go p o t h z g e n e r a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 需蝎 签字日期：3 弓年f j 月，fe t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘兰有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁注盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 鼋鹋 导师签名 签字日期：o 墀，j 月，；e t签字日期：m 年t l 月t ，日 第一章绪论 第一章绪论 上个世纪六十年代初世界上第一台激光器的问世，给人类的社会生活和科学 研究带来了巨大而深远的变化，并且，激光这种高亮度的相干光源也使人们对传 统线性光学的认识发生了深刻的转变。今天，激光已经进入了我们日常生活的各 个角落：当我们听音乐时，它在c d 唱机里：当我们打电话或通过i n t e m e t 上网 时，它在光纤里。它还可以以极高的精度做精密测量，可以探测环境污染中的微 小颗粒，可以在医学诊治领域里大显身手，它在国防军事领域中的作用更是举足 轻重。 但是，激光并不能产生任意波长的输出，因为激光的波长是由增益介质中原 子、分子或离子的能级结构决定的。随着人们对激光光源的波长范围提出越来越 高的要求，非线性频率变换技术逐渐成为研究的热点，从理论上说，用一个激光 器作为泵浦源，通过适当的频率变换可以获得从红外到紫外宽阔波长区间的激光 输出。非线性光学频率变换的基本思想是：用一个“品质优良”的激光器，将它的 某一个固定波长的激光输出转换到很难或根本不可能直接得到的波长区间，不仅 能够保留原入射光源的稳定性和线宽等优点，还能够使转换输出的激光具有波长 可调谐等特性。这种思想最早在量子电子学中被认识到，经过几十年的发展，已 经在激光频率变换技术中得到了广泛的应用。如利用晶体的二阶非线性效应对现 有波长的激光输出实现倍频( s e c o n dh a r m o n i cg e n e r a t i o n ，s h g ) 、和频( s u m f r e q u e n c yg e n e r a t i o n ，s f g ) 、差频( d i f f e r e n tf r e q u e n c yg e n e r a t i o n ，d f g ) 、光参 量振荡( o p t i c a lp a r a m e t r i co s c i l l a t i o n ，o p o ) 、光参量放大( o p t i c a lp a r a m e t r i c a m p l i f i c a t i o n o p a ) 及光参量产生( o p t i c a lp a r a m e t r i cg e n e r a t i o n ，o p g ) 等，得 到各种波长的相干激光输出，以适应各种应用的需要。 为了使非线性频率变换有更高的转换效率，除了要求材料具有内在的二阶非 线性极化率，还必须使互作用光波的相速度匹配以保证入射光波的能量单向地变 换到转换光波。例如，在倍频过程中，这个相位匹配条件要求基频光波和倍频光 波的折射率必须相等，即n l - - n 2 ，但是由于非线性介质内在的色散，即折射率对 波长的依赖关系，n - - n ( x ) ，( 或者等价为波矢k 对光频率的依赖关系，k - k ( ( 0 ) ) 。 这个条件对一般的偏振方向相同的基频光和倍频光都不能满足，最早的实现方法 是利用晶体材料的自然双折射获得相互正交的偏振场之间的相速度匹配。随着 k d p 、a d p 、l n 、b b o 、l b o 、k t p 等新型菲线性晶体的不断出现，基于双折 射相位匹配技术的非线性频率变换得到快速的发展，它们都是利用晶体的备向异 性的特点，通过选择合适的角度使基频光与谐频光折射率相等而有相同的相速度 以满足相位匹配条件。实现能量的转换。 天津大学博士论文 由于双折射相位匹配依赖于材料的固有特性，对于某种具体的非线性材料而 言，只能在某些波长范围内得到相位匹配，并且，有效非线性系数的值既与通光 方向有关，又与互作用光的偏振方向有关。这些条件都极大地限制了频率变换技 术的应用范围。在实际使用中，一个好的频率变换材料除了必须具有满足相位匹 配条件的晶体结构特性和较高的非线性系数之外，还必须具有损伤阈值高、透光 范围宽、吸收小、造价低等特点。没有一种材料能够全部满足这些非线性互作用 的要求，而研制开发新的非线性晶体材料是一个漫长而又耗资的工程。 准相位匹配技术的应用不受晶体材料某些固有因素的限制，它通过对非线性 晶体材料进行巧妙的处理，在晶体中形成自发极化方向交替变化的铁电畴光栅， 将其产生的附加动量矢量引入到非谐性频率变换过程的动量守恒关系中。这个附 加的波矢最，增加了非线性过程中的灵活性和可控性，以崭新的思想方法开创了 非谐性频率变换技术的革命性的新阶段。准相位匹配技术可以通过多种手段来实 现，目前最热门的方法是周期性地极化反转铁电体材料中的自发极化方向。理论 上只要我们根据需要设计各种合适的极化反转周期，就可以实现任意晶体透光范 围内的波长变换。 本论文的主要工作包括用高压电场法周期极化反转铌酸锂( l i n b 0 3 ) 晶体 和磷酸氧钛钾( k t i o p o 。) 晶体的铁电畴，制备高质量反转光栅的周期性准相位 匹配倍频器件，实现有效的倍频输出。并且在理论上研究周期极化k t p 倍频 ( s h g ) 及光参量振荡( o p o ) 的容差特性，为今后成功实现周期极化k t p 晶 体的产品化打下理论和实验基础。最后还在理论上研究了用周期极化铌酸锂晶体 ( p p l n ) 产生t h z 波的机理和相关特性，并与已有实验结果进行了比较。 本章以下部分将阐述准相位匹配技术发展的历史及现状，对目前使用较多的 几种周期极化铁电材料的特性进行比较，介绍国内外在周期极化k t p 晶体方面 的研究应用的现状及发展趋势，说明课题研究意义与来源，文章结构与主要内容， 以及本论文的主要工作与创新之处。 第一节准相位匹配技术的国内外发展历史与现状 早在1 9 6 1 年f r a n k e n 和它的合作者就观察到光的二次谐波产生现象【1 】，对应 的基本过程是两个光子湮灭后产生了一个具有两倍能量的新光子。c a r r e t t 和 k a i s e r 观察到双光子吸收现象翻。1 9 6 2 年，a m s t r o n g 与b t o e m b e r g e n 等人在非 线性介质中光波的相互作用脚一文中提出了准相位匹配的基本思想，成为准相 位匹配理论的经典之作。他们借用半经典理论，推导了光在非线性晶体中的互作 用方程，认为基频光与谐频光之间可以通过多种途径来实现能量的转移，但是由 于当时技术条件所限，一直没能找到合适的实现手段。紧接着，p a f r a n k e n 等 2 第一章绪论 人州也在理论上研究了光的谐波和菲线性光学现象，提出了双折射相位匹配和准 相位匹配产生倍频的基本设想，并在已有的k d p 、石英等许多非线性晶体中获 得了倍频光输出，掀起了非线性光学的研究和应用的热潮。许多年来，科学家们 不仅将菲线性双折射匹配的理论和技术不断推向深入，而且一直在不断探索、寻 找实现准相位匹配的技术途径，直到1 9 7 5 年，c ed e w e y 等人发现z n s e 、z n s 的旋转孪晶可以提高倍频转换效斟 。同年，l e v i n e 等人【6 】尝试在填充液态硝基 苯的波导上加周期性电场以调整其非线性磁化系数来满足相位匹配条件，实现了 倍频输出。1 9 7 6 年，m s p i l t c h l 7 】及m o k a d a 等人【8 】分别用3 5 片c d t e 、g a a s 、 l i n b 0 3 、石英晶体等材料的薄片，以自发极化方向交替变化的方式堆积起来， 满足准相位匹配条件实现了倍频输出，这些方法的共同缺点是由于材料厚度远大 于相干长度，利用的是高阶的准相位匹配，因此效率很低，且实验重复性差。1 9 7 9 年，日本的s h i n t a r o 在制作钛扩散l i n b 0 3 波导时发现 9 1 ：高温钛扩散可以使晶 体中的铁电畴方向发生反转，这一发现被i s h i g a m e 等人用来制作n 扩散准相位 匹配倍频器i l ，它的缺点是畴反转很浅，波导特性也受到负面影响；还有i t o 等 人尝试着用电子柬写入法1 1 l 】使l i n b 0 3 晶体中的铁电畴方向反转，也成功地实现 了倍频输出，但这种方法很难制作出光栅均匀的畴反转结构；南京大学闵乃本院 士领导的科研组于1 9 8 0 年开始在c z o c h r a l s k i 提拉法生长铌酸锺晶体的过程中， 通过控制晶体生长时的温度涨落，生长出畴周期极化反转的光学超晶格晶体 【1 2 】1 嘲，并进行了大量的倍频实验，之后他们又用同样的方法生长出周期性畴反 转的l i t a o s 晶体【1 9 1 。用这种方法制备出来的晶体，通光面积大，可以大量生产， 但是，生长条件要求复杂，精确度难于控制。多年来，以色列的m r o t h 等人也 一直在仔细研究了k t p 晶体的生长条件与铁电畴特性的关系，2 0 0 1 年，他们通 过控制晶体生长过程中的离子浓度梯度、温度梯度等手段，用熔盐法直接成功生 长出周期极化k t p 晶体1 2 0 j 。 二十世纪九十年代初，日本的m y a m a d a 等人f 2 l l 首次利用外加电场极化法 对铁电晶体的铁电畴实现周期性极化反转，调整其非线性系数使之满足准相位匹 配条件，成功地实现了倍频输出，掀起了这一研究领域新一轮的研究热潮。1 9 9 3 年，c q x u 等人口2 】首次将周期性畴反转的l i n b 0 3 波导用于1 5 x m 的光通信 波段，并实现了单通道的波长变换。1 9 9 4 年以来，美国斯坦福大学的m m f e j e r 等人敏锐地看到了电场极化铁电体制备准相位匹配器件的发展潜力，投入巨大经 费研究周期极化铌酸锂( p p l n ) 器件，不断取得新的成果，成为这一研究领域 的杰出代表。他们不仅在周期极化l i b r 0 0 3 晶体的制各技术上日渐成熟，而且在 非线性光参量效应产生多频率波( o p g ) ( o p o ) 、脉冲熬形与压缩、超短脉冲产 生和利用周期极化铌酸镪波导器件中的级联二阶非线性效应( 妒：z 国) ，实现光 天津大学博士论文 通信波段的波长变换方面的研究取得了巨大的成功( 2 3 1 - 1 3 ”，1 9 9 9 年，他们首次 报道了利用p p l n 波导中的级联二阶非线性效应对通信波段的四个波长实现了 波长变换口“，2 0 0 0 年，又报道了利用p p l n 波导中的和频( s f g ) 效应获得了 低功率光开关的实验 3 3 1 ，标志着准相位匹配技术开始向光通信应用的广阔领域发 展。2 0 0 1 年，他们又报道了在退火质子交换光波导( a p e ) 的p p l n 器件中实现 了泵浦耗尽接近于9 9 的单通倍频实验 3 4 1 ，这种高泵浦耗尽的p p l n 波导倍频 器件具有很高的应用价值，如用于级联二阶过程的波长变换、光码分复用系统中 的波形解码和光盘系统中的蓝光产生。与此同时，他们还报道了在大泵浦耗尽的 情况下，用o p o 输出的1 5 6 0 n m 激光泵演长度为5 5 5 m m 、周期为1 4 7 5 t t m 的 p p l n 倍频波导器件，获得了6 0 的饱和倍频转换效率【3 那。2 0 0 2 年，他们又报 道了用1 5 5 0 r i m 的激光泵浦p p l n 波导，利用级联二阶非线性效应( 倍频与差频 产生( d f g ) 过程级联) 获得了两个5 5 m b s 的副载频通道的无代价( p e n a l t y f r e e ) 全光波长变换，该过程的无串扰透明运行的线宽动态范围大于3 0 d b 3 6 】。随着研 究的迸一步深入，准相位匹配技术及器件将会对未来全光通信系统的发展产生重 要影响。 目前，美国、以色列、法国、日本等国家己经掌握了比较成熟的周期极化铌 酸锂晶体的制作工艺，实现了产品的商品化，广泛用于科学研究、国防军事、通 信及环保等领域，但器件价格十分昂贵。 国内致力于研究制冬准相位匹配技术和器件的单位也很多，前面提到南京大 学闵乃本院士领导的研究人员从二十世纪八十年代开始用c z o e h r a l s k i 提拉法制 作光学超晶格晶体。研制出周期极化反转的铌酸锂晶体，之后，他们又研制出周 期极化反转的钽酸锂晶体，研究水平几乎与世界同步，他们还尝试了用快速热处 理后l i 2 0 外扩散法与质子交换法实现铁电畴的周期极化反转【3 7 】。上海交通大学 的研究人员也从2 0 0 2 年开始报道他们在自行研制的2 0 m m 长的周期极化铌酸锂 波导器件中实现了1 5 p m 波段的级联二阶非线性波长变换，用3 5 m w 的泵浦光 就得到了9 0 w 1 c m 4 的归一化转换效率o s - 1 4 0 。南开大学的研究人员用近理想化 学配比的铌酸锂晶体进行电场极化反转实验，也获得了较好的成果。与此同时， 浙江大学、清华大学也都在进行各自的研究。天津大学从1 9 9 4 年开始研究制各 周期极化铌酸锂( p p l n ) ，并进行了倍频实验，取得了较大进展，目前又在进一 步深入研究电场极化磷酸氧钛钾( k t p ) 晶体，争取向器件产品化的方向迈进。 目前，准相位匹配器件的研究正在向扩展光谱范围、提高效率、降低泵浦功 率的方向发展，可以肯定地说，准相位匹配技术将非线性频率变换技术带入了一 个崭新的发展阶段，从十年来相关研究论文超过1 0 0 0 篇的事实就足以得到证明。 4 第一章绪论 第二节用于准相位匹配的几种材料特性的比较 经过十几年的发展，准相位匹配反转畴的光栅结构已经在许多材料中得以实 现，除了l i n b 0 3 、l i t a 0 3 之外，韩国的j o o n g h y u n k i m 等人还用液体电极方案 对k n b 0 3 晶体进行了极化反转研究，制各了5 9 x 0 9 2 5 m m 3 的p p k n 晶体，并 在倍频实验中获得了3 4 的转换效率【4 ”。瑞典的k a r l s s o n 等人还研究了p p k t p 晶体和类似的p p r t a 晶体4 卫，还有人在聚合物波导4 3 1 1 4 4 4 5 1 、g a a s a i a s 46 1 、甚 至光纠4 。7 j 中制作准相位匹配周期反转结构等等，都相继取得了成果。除了将铁电 晶体制作成均匀周期的一维光栅形准相位匹配器件之外，许多人还尝试制作啁啾 光栅结构 4 8 】、非对称占空比结构4 9 l 、周期连续变化的扇形周期结构5 0 1 、或二维 六边形结构 5 1 1 的准相位匹配器件，这些研究大多采用l i n b 0 3 晶体，因为它具有 较高的非线性系数( d 3 3 2 7 p m v ) 和比较成熟的极化反转工艺。 传统的双折射相位匹配的关键要求是寻找满足特定互作用光波间相位匹配 条件所需要的非线性晶体材料，而准相位匹配技术的关键是寻找获得非线性相位 系数空间调制的适当的技术方法，一旦制作方法建立起来，准相位匹配技术就显 示出了许多的优点：它允许在材料透光范围内的任意波长组合间实现非线性互作 用，可以利用材料中最大的非线性系数实现能量转换；基频光与转换光之间无走 离效应，因而互作用长度可以很长，非线性转换效率高；可以根据不同的应用， 人为设计出不同周期的畴结构，通过改变周期或晶体温度，方便地实现输出波长 的调谐，等等。 ( a )( b ) 图1 - 1 1 几种周期极化铁电体的特性比较。( a ) 为四种晶体的有效非线性系数与波 长的关系曲线；( b ) 为三种晶体的光损伤阈值的比较。 周期极化铌酸锂晶体虽然制备工艺比较成熟，但有明显的缺点。首先，铌酸 天津大学博士论文 锂晶体的矫顽场电压很高，约为2 1 k v m m ，极大地限制了可极化晶体的厚度， 限制了它的应用范围，目前周期极化铌酸锂多用作波导器件，且晶体的最大厚度 不超过1 5 m m ，有些研究人员为了获得大孔径的准相位匹配器件，将多层p p l n 叠在一起使用，但这种方法很难实现晶体之间位置对准，并且增加了界面间的散 射损耗；其次，铌酸锂晶体的光损伤阙值较低，不能用于高功率豹激光系统当中： 另外，它在室温下光折变效应非常明显，功率损耗很大，必须加热并控温在9 0 。c 以上使用。为了克服这些缺点，进步拓宽准相位匹配技术的应用领域，研究人 员一方面不断对铌酸锂晶体进行改性研究，如掺入氧化镁的铌酸锂晶体可以提高 其损伤阂值( m g o ：l i n b 0 3 ) 1 5 2 1 ，提高化学配比可以降低其矫顽场电压【5 3 】( l i ： n b = l ：1 ) 等，另一方面也在不断寻找新的替代产品，如试制了周期极化钽酸锂 ( p p l t ) 5 4 1 、周期极化铌酸钾( p p k n ) 4 1 】、周期极化砷酸氧钛钾( p p k t a ) 5 5 1 、 周期极化砷酸氧钛铷( p p r t a ) 5 6 1 还有周期极化磷酸氧钛钾( p p k t p ) 1 5 7 1 8 6 】 等等，都取得了可喜的成果。几种常见的用于准相位匹配技术的周期极化铁电体 的非线性特性和光损伤阈值的比较如图1 1 1 所示。它们各有优缺点，都有一定 的发展潜力。其中周期化k t p 晶体以其优良的综合特性引起人们的极大兴趣， 它是我们本论文研究的重点内容。 第三节准相位匹配周期极化k t p 研究的国内外现状 磷酸氧钛钾( k t i o p 0 4 ，简称k t p ) 晶体是一种非自然存在的人工晶体，它 具有很高的永久性光损伤阈值，在室温下运行光折变效应不明显，它的最大非线 性系数d 3 3 约等于l i n b 0 3 晶体的2 3 ，而其矫顽场电压仅仅是l i n b 0 3 晶体的1 1 0 ， 并且它的晶体结构是准一维的( q u a s i o n e d i m e n s i o n ) 【s m 的，具有各向异性的特 征，因此特别适合甚至在几毫米厚的晶体中制作细小周期的反转光栅。k t p 晶体 和它的同族晶体，如r b t i o a s o a ( r t a ) 、r b t i o p 0 4 ( r t p ) 、和k t i o a s 0 4 ( k t a ) 晶体具有相似的结构和特性，它们都可以被用于周期极化反转的研究。目前，已 有报道用周期极化r t p ( p p r t p ) 获得了蓝光倍频输出，而p p k t a 和p p r t a 主 要用于中红外光参量振荡器( o p o ) 中，因为这两种材料都有很宽的中红外传输 特性。 3 1 周期极化k i p 晶体研制情况概述 对周期极化k t p 制备技术的研究目前比较成功的途径主要有两种：一种是 通过在居里点附近控制k t p 晶体生长过程中的温度涨落和化学组分等因素，使 其在生长过程中依次形成自发极化方向交替变换的畴结构，直接生长出满足准相 位匹配条件的晶体，这项技术难度系数较高，但晶体尺寸不受限制，可以得到大 孔径的非线性晶体，在高功率、大孔径激光应用中至关重要。2 0 0 1 年，以色列 6 第一章绪论 h e b r e w 大学的m r o t h 研究小组报道了他们在熔盐法生长k t p 晶体的过程中， 利用k 离子的浓度梯度和杂质浓度在k t p 晶体生长过程中对铁电畴的影响，沿 z 轴方向诱导其自发极化方向交替改交，获得了1 0 r a m 长的周期结构的k t p 晶 体，并且占空比接近5 0 【2 。我国目前未见这种方法制备p p k t p 的相关报道。 另一种也是目前普遍使用的方法，就是用高压电场对铁电晶体进行周期性 极化来制备准相位匹配器件的方法。在电场极化反转l i t 妯0 3 的研究过程中，人 们发现这种方法有三个明显的优点：l 、畴反转深度可以贯穿铌酸锂晶片的厚度； 2 、极化反转时畴壁平行于晶体的z 轴；3 、畴的宽度可以窄到几个微米。与电场 极化l i n b 0 3 晶体的过程相似，电场极化制备p p k t p 的技术也是采用半导体制作 工艺中的光刻技术在晶体的抛光表面将电极制作成周期性图案，通过这种具有周 期性图案的电极，用高压电场迫使晶体中的自发极化方向发生反转，形成周期性 交替变化的铁电畴，实现非线性系数的调制，从而满足相位匹配条件。因此，这 种技术具有重复性好、工艺简单等优点。早在1 9 9 4 年，q c h e n 等人【5 8 1 就开始 用电场极化法对k t p 晶体进行极化反转研究，1 9 9 8 年，土耳其的t u l g ak a r t a l o f ；l u 等人f 5 9 用自行研制的l m m 厚的水热法生长的k t p 晶体进行周期极化反转，在 7 5 8 n m 锁模掺钛蓝宝石激光器泵浦的p p k t po p o 中获得了2 2 的转换效率和 6 9 的泵浦耗尽。水热法生长的k t p 晶体纯净度较高，电导率较低，适合电场 极化反转，但它的产量低，价格高。而熔盐法生长的k t p 晶体体积大、价格低， 具有很好的开发前景。 目前采用电场极化对熔盐法生长的k t p 晶体进行反转的研究，以瑞典的 k a r l s s o n 等人【删一【6 9 】为代表的研究小组和以色列的r o s e n m a n 等人1 7 0 l 【7 5 l 为代表的 研究小组最为出色。他们针对熔盐法生长的k t p 晶体电导率过高、在高压电场 的作用下容易击穿的弊病，分别采用了铷离子交换和低温( 1 7 0 k ) 极化的方法 降低晶体的电导率，获得了高质量的电场极化k t p 晶体，不仅在器件研制方面 已经实现了商品化，而且在光参量振荡( o p o ) 、光参量放大( o p a ) 等应用领 域的研究也处于世界领先地位。目前国际上以周期极化k t p 为核心器件的非线 性频率变换的研究大多采用他们提供的产品。 据我们了解，国内未见有其他用电场极化法自行研制熔盐法生长的周期极 化k t p 晶体的报道。我们目前正在与北京中非人工晶体研究院合作研究电场极 化法制各p p k t p ，并取得了初步成绩。 3 2 周期极化k t p 晶体在频率变换技术中的应用状况 准相位匹配p p k t p 晶体自身性质上的优点和极化技术的提高为进一步开拓 准相位匹配技术的应用领域奠定了物质基础。国内外许多学者已经开拓了许多新 7 天津大学博士论文 的应用领域。 3 2 1 p p k i p 是极具竞争力的新型短波长光源的核心器件 高质量的p p k t p 晶体以其优良的品质完全有潜力替代双折射相位匹配倍频 晶体，成为新型的短波长光源核心技术的首选器件。由于双折射相位匹配在原理 上就存在着玻应廷矢量走离的缺点，它限制了晶体的互作用长度，也就限制了非 线性转换效率的提高，并且双折射相位匹配只能针对特定的波长，利用有限的几 种非线性晶体实现倍频，因而应用范围也受到了很大的局限。而准相位匹配技术 在原理上根本不存在能量走离的缺点，它可以在整个晶体长度上实现非临界匹 配，因此互作用长度不受限制，并且，可以获得在晶体的透光范围内整个光谱的 倍频输出，还可以利用晶体温度、光栅周期等参数进行连续调谐。目前，用p p l n 、 p p k t p 晶体实现蓝绿光倍频输出的实验很多，通过极化技术的改进可以制作小 到3 1 a m 的周期反转光栅，得到了蓝紫、甚至紫外光的倍频输出。1 9 9 8 年，瑞典 的k a r l s s o n 等人就利用l m m 厚的p p k t p 获得了连续倍频绿光输出1 6 0 1 ，最大转 换效率为6 6 。接着，他们用周期为6 0 9 1 a m 的p p k t p 晶体在7 4 0 r o w 、9 4 6 n m 波长激光的泵浦下，得到了5 0 0 m w 的稳定蓝光输出扣“。之后，他们又在l m m 厚，9 m m 长的k t p 晶体上制作了2 9 5 ”a n 的小周期 6 2 1 ，利用一阶准相位匹配倍 频获得了3 9 0 r i m 的紫外光连续输出，归一化转换效率为1 1 w e m 。2 0 0 0 年， 英国的pa c h a m p e r t 和s vp o p o v 等人 7 6 1 - 1 ”1 利用种籽半导体二极管和掺镱光 纤放大器放大输出的1 0 6 4 n m 波长的激光，泵浦一块体积为1 0 5 0 5 m m 3 ，周期为 9 0 9 m 的p p k t p 晶体，获得了离达6 w 的平均倍频绿光输出，泵浦耗尽为5 5 ， 归一化转换效率1 7 1 0 3 w e r e 。这种紧凑离效的短波长激光器可以用于泵浦掺钛 蓝宝石激光器和参量振荡器，在商业上可以取代体积庞大的n d ：y a g 倍频激光 器和氩离子激光器。2 0 0 1 年，同一个研究小组的p c r e e v e s h a l l 8 0 1 又报道了他 们利用p p k t p 中的频率上转换和r k t n r n 放大器中的绝热压缩脉冲，获得了由 r b 2 n f l f l 泵浦功率确定的、在0 7 3 - 9 p s 范围内脉冲宽度可调的脉冲输出，它的重复 率和波长都可以选择，可以作为高功率光纤放大器和周期极化晶体的种籽光源使 用，实验装置如图1 1 2 所示。2 0 0 2 年，他们又在互联网上展示了用种籽y b e r 共掺的激光放大器输出的峰值功率为7 0 w 的单模1 5 4 4 n m 的红外光泵浦一块 1 7 e r a 长光栅周期为2 3 1 a m 韵p p k t p 晶体，获得了平均功率高达8 4 w 的接近衍 射极限的7 7 2 n m 的高质量倍频光【8 1 】，温度带宽为1 1 2 。c ，有效非线性系数估计 为1 0 p m v 。2 0 0 3 年，以色列的gm a r c u s 等人i s 2 】报导了他们用1 2 n m ( f w h m ) 带 宽的掺钛蓝宝石激光器泵浦p p k t p 参量产生器( o p g ) 获得了大约5 0 啁啾带 宽的超宽带啁啾光源，这种光源在原子和分子动态研究中非常重要。 8 第一章绪论 国内山西大学光电研究所的张靖等人报道【9 3 】利用从以色列r a i c o lc r y s t a l 公 司购得的周期为9 0 l - t m 体积为l o x 2 x o 5 m m 3 的p p l m 晶体，在泵浦功率为 1 5 0 m w 时获得了7 6 m w 的外腔谐振倍频绿光输出，最高倍频转换效率为5 0 6 。 台湾交通大学的s c w a n g 等a t 8 4 l 报道了二极管泵浦的用p p k t p 实现的高功率 锁模n d ：y v 0 4 非线性环形镜。 图1 - 1 2 脉宽可调的倍频光源的实验装置图。p c 为偏振控制器；e a m 为电吸收调制器； d s f 为色敢位移光纤；d c f 为色散补偿光纤：t b p f 可调谐的带通滤波器 3 2 2p p k t p 是高功率宽带连续可调参量振荡器的理想介质 大孔径的p p k t p 晶体在o p o 中可以获得高功率、高重复率的宽带可调谐变 频输出。日前，用高压电场极化技术已经获得了最厚3 m m 的p p k t p 晶体，加上 k t p 晶体光损伤阈值高、光折变效应低，适合室温下运行的特点，许多人将它 用于参量振荡的研究。1 9 9 9 年，瑞典的j h e l l s t r o m 和h k a r l l s o n 等人用自行研 制的3 m m 厚的p p k t p 晶体进行了纳秒光参量振荡器的研究【6 3 】，单频振荡时最 大转换效率为4 5 ，得到最大的输出信号光和空闲光的脉冲能量为1 8 m j ，最大 的平均输出功率为2 w ，并且在实验中得到了双频振荡时高达2 4 w 的平均输出 功率，但输出不稳定。另外，他们还将p p k t p 晶体磨成圆柱形作为o p o 器件， 利用准相位匹配光栅矢量的角度调谐获得了真正连续的宽带的o p o 调谐输出 1 6 9 1 ，在中红外区域整个调谐范围是1 8 1 口a 。2 0 0 1 年，德国的m p e l t z 等人也是利 用k a d s s o n 等人提供的大孔径p p k t p 和p p r t a 晶体进行了高脉冲能量和高平均 功率的参量振荡输出研究1 6 9 】，两种晶体的体积分别是8 x 2 x 3 m m 3 和7 x 3 x 3 m m 3 ， 他们用高重复率的半导体光二极管泵浦n d ：y v 0 4 激光器得到7 2 w 和8 w 的基 频光，再泵浦p p k t p ( r t a ) o p o 谐振腔，获得的最大平均输出功率为2 w 和 9 天津大学博士论文 1 3 w ，最大的脉冲能量为1 8 m j ，总的转换效率为3 8 。德国的u s t r 0 6 b n e r 等 人与以色列的gr o s e n m a n 合作【8 5 】，在1 8 2 4 m m 2 大小的p p k t p 晶体上，制作 了从8 9 6 1 2 1 9 4 i _ t r n 变化的1 9 个不同周期，理论上满足了获得从6 6 0 n m 至u 2 7 6 0 n m e m l o n 1 9c h a n n e lp p k t po r 2 3c h a n n e lp p l nc r y s t a l 图1 i 3 用多光栅p p k t p 晶体参量振荡器的实验装置图 区间所有波长的相位匹配，用5 3 2 n m 泵浦折叠o p o 腔进行了参量振荡实验，实 验装置如图1 - 1 3 所示。他们在o p o 腔中插入了一个标准具以避免信号光振荡纵 模间的跳变，同时还可以用它进行调谐。实验结果令人兴奋：他们获得了调谐范 围从5 5 0 n m 到2 8 3 0 n m 光谱区间的超宽带输出，并且在8 5 0 m w 的泵浦下得到了 2 1 0 m w 的空闲光输出，泵溱耗尽为8 0 。 总之，周期极化k t p 晶体开辟了准相位匹配技术又一个新的发展阶段，它 在激光非线性频率变换技术方面的应用大大提高了人类认识世界、改造世界的能 力，必将在科学研究、国防事业以及人们的日常生活中将扮演重要的角色。目前， 所有有关准相位匹配技术器件的制备技术都掌握在国外专家手中，他们都申请了 专利保护，这对我国频率变换技术在国防事业中的发展极为不利。我国的k t p 晶体生长技术处于国际领先水平，瑞典、以色列等国使用的多是我国中非人工晶 体研究院等单位生长的k t p 晶体。因此很有必要研究掌握属于我们自己的工艺 和技术，实现器件国产化，我们正在为此努力。我为自己能在这项工作中发挥微 薄的作用感到无比的欣慰。 第四节用周期极化铌酸锂晶体( p p l n ) 产生t h z 波的研究 4 1t h z 波产生的一般方法 目前国外研究t i - i z 波产生的方法有许多种：如：1 、飞秒光纤激光脉冲照射 半导体i n a s 、g a a s 晶体表面可获得t h z 波：2