一種連續光束線性材料光子晶體倍頻器的製作方法

2024-01-29 05:18:15

專利名稱：一種連續光束線性材料光子晶體倍頻器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光子晶體倍頻器，特別是一種連續光束線性材料雷射倍頻器，屬於雷射頻率轉換技術領域。
背景技術：
雷射是極其重要的光源，在軍事、科研、以及日常生活中發揮著日益廣泛的作用。然而，目前常用的雷射器其波長大多在近紅外範圍，這顯然滿足不了需要，比如軍事上需要的中紅外雷射、天文研究中需要的遠紅外雷射、醫學研究中需要的X光雷射等。要想產生其他波段範圍的雷射，目前常用的技術手段有雷射倍頻、混頻、和頻、差頻等，其中尤以雷射倍頻為最多。現有的雷射倍頻器通常都是採用非線性材料來製作，其顯著的缺點在於非線性材料的種類很少，而一種非線性材料只能針對某一特定波長才起作用，因此就是在可見光波段也還沒有實現雷射頻率的完全覆蓋。

發明內容
本發明需要解決的技術問題是克服上述雷射倍頻器的不足，提供一種採用線性材料製作、設計靈活性很大、雷射頻率覆蓋範圍大大提高、且具有高轉換效率的連續光束線性材料雷射倍頻器。
本發明的技術解決方案是一種線性材料光子晶體倍頻器，由光波入射口、出射口、金屬外殼、內部晶體和基板組成，其特徵在於內部晶體由圓形空氣孔光子晶體、空氣波導、光柵、圓形介質柱、圓形介質柱光子晶體組成，空氣孔光子晶體和介質柱光子晶體具有不同的帶隙結構，空氣波導的內側有周期一致的光柵結構，波導之間有圓形介質柱隔開，空氣孔光子晶體、光柵、圓形介質柱、圓形介質柱光子晶體以及基底材料均為同一種對於入射光波和出射光波而言是低損耗的非磁性線性材料。
所述的線性材料光子晶體倍頻器中的空氣孔光子晶體和介質柱光子晶體位置可以互換，入射波長對應的真空頻率位於空氣孔光子晶體的光子帶隙的頻率上邊緣和介質柱光子晶體的光子帶隙的頻率下邊緣，或反之。
所述的線性材料光子晶體倍頻器中的空氣孔光子晶體的周期為(0.3～0.5)倍入射波長，佔空比0.7～0.95；介質柱光子晶體的周期為(0.2～0.4)倍入射波長，佔空比0.2～0.6。光子晶體的晶胞可為正方形、正三角形、六邊形三種。
所述的線性材料光子晶體倍頻器中的空氣波導寬度為(0.4～0.7)倍入射波長，其內側的光柵寬度為(0.1～0.5)倍波長，緊貼于波導壁上。周期由下式決定=c2f01n(2f0)-n(f0)]]>其中，f0為入射波頻率，c為光速，n為材料的折射率。
所述的線性材料光子晶體倍頻器中的空氣波導間的介質柱為兩排，周期排布，對齊排列或錯開半個周期，周期為(0.2～0.4)倍入射波長，佔空比0.2～0.6。
本發明與現有倍頻器相比有如下優點1.採用線性材料製作，可供選擇的材料種類眾多，可以克服現有倍頻器對特定波長只能選擇一種材料，而且損耗較大的不足；2.可以設計針對寬波段的任一特定波長的倍頻器，具有很大的靈活性，大大提高雷射頻率的覆蓋範圍；3.由於是在同一種材料上製作完成，而且尺寸可以做到毫米量級，因此很有利於與其他微系統的集成，而且加工工藝相對簡單；4.充分利用了光子晶體的光子帶隙的特性，使光波在波導中傳播時幾乎無損耗，轉換效率高。


圖1為本發明的結構示意圖；圖2為本發明實施例1內部晶體H-H剖面結構示意圖；圖3為本發明實施例2內部晶體H-H剖面結構示意圖；
圖4為本發明實施例3內部晶體H-H剖面結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
如圖1所示，本發明由光波入射口1、出射口4、金屬外殼2、內部晶體3和基板5組成，需要倍頻的雷射從入射口1射入，經內部晶體3倍頻，倍頻後的雷射從出射口4輸出。
如圖2所示是本發明實施例1內部晶體3的H-H剖面結構示意圖，由圓形空氣孔光子晶體6、空氣波導10、光柵7、圓形介質柱9、圓形介質柱光子晶體8組成，晶胞均為正方形結構，圓形介質柱14對齊排列。圓形空氣孔光子晶體6、光柵7、圓形介質柱9、圓形介質柱光子晶體8以及基底材料11為石英或鈦酸鋇或矽或鍺。當材料為石英時是一1.06μm連續光束正方形晶胞光子晶體倍頻器，入射波為銣玻璃(Q開關)Nd3雷射器輸出的1.06μm連續近紅外光，輸出為0.53μm連續綠光。
Nd3雷射器輸出的1.06μm連續近紅外光被準直擴束後，形成一束均勻平面波，該平面波經過一起偏器，獲得一束TE偏振波，沿空氣波導10的方向從入射口1進入倍頻器。1.06μm和0.53μm均位於石英晶體的光學透射波段。空氣孔光子晶體6的周期為(0.3～0.5)倍入射波長，佔空比0.7～0.95；介質柱光子晶體的周期為(0.2～0.5)倍入射波長，佔空比0.2～0.6；空氣波導寬為(0.4～0.7)倍入射波長，其內側的光柵7寬度為(0.1～0.5)倍入射波長，周期由下式決定=c2f01n(2f0)-n(f0)]]>其中，f0＝2.8302×1014Hz為入射波頻率，c為光速，n為石英晶體的折射率。由於1.06μm位於空氣孔光子晶體6的光子帶隙的頻率上邊緣和介質柱光子晶體8的光子帶隙的頻率下邊緣，因此光波只能在空氣波導10和介質柱9組成的區域傳播。介質柱9的周期為(0.2～0.4)倍入射波長，佔空比0.2～0.6，所起作用有二一個是調製光場。由於只有兩排，因此它不具有光子晶體一樣的光子帶隙結構，不能禁止光的傳播，但它能對分布其間的電磁場起強烈的調製作用，從而使分布在光柵結構7周圍的電場發生畸變。另一個是由於介質柱9的存在使得能量在波導10之間的可以耦合傳遞，增加了電場與光柵7的作用機率。石英的二階極化係數x(2)＝0，此時的二次諧波來源於電四極極化效應PUVQ(2)=QijklEUVjkEUVl,]]>通常情況下電四極極化係數Q較之非線性材料的有效二階極化係數x(2)小3～4個數量級，可以忽略不計，但在本發明中，波導10中的電場被強烈調製，電場劇增劇減，梯度很大，使石英的電四極極化效應大大增強。同時由于波導結構10處在光子晶體6和8的帶隙邊緣，可類比於一諧振腔，因此該處的光子態密度最大，極大的提高了光柵7與電場的作用強度，並且由於帶隙邊緣的電磁波的群速度最小，又可以延長作用時間，從而激發出強度可與典型非線性材料相比擬的波長為0.53μm的綠色雷射。光柵7的周期Λ滿足準相位共線匹配條件，使各點激發出的雷射始終與入射光線同步，避免相互幹涉抵消，提高轉換效率。倍頻後得到的連續的0.53μm綠色雷射從出射口4輸出。
如圖3所示是本發明實施例2內部晶體3的H-H剖面結構示意圖，由圓形空氣孔光子晶體11、空氣波導15、光柵12、圓形介質柱14、圓形介質柱光子晶體13組成，晶胞均為正三角形結構，圓形介質柱14錯開半個周期排列。圓形空氣孔光子晶體11、光柵12、圓形介質柱14、圓形介質柱光子晶體13以及基底材料16為氟化鈣或氟化鋇或矽或鍺。當材料為氟化鈣時是一0.5140μm連續光束正三角形晶胞光子晶體倍頻器，入射波為氬離子雷射器輸出的0.5140μm連續綠光，輸出為0.2570μm連續紫外光。
氬離子雷射器輸出的0.5140μm連續綠光被準直擴束後，形成一束均勻平面波，該平面波經過一起偏器，獲得一束TE偏振波，沿空氣波導15的方向從入射口1進入倍頻器。0.5140μm和0.2570μm均位於氟化鈣晶體的光學透射波段。空氣孔光子晶體11的周期為(0.3～0.5)倍入射波長，佔空比0.7～0.95；介質柱光子晶體13的周期為(0.2～0.5)倍入射波長，佔空比0.2～0.6；空氣波導寬15為(0.4～0.7)倍入射波長，其內側的光柵12寬度為(0.1～0.5)倍入射波長，周期由下式決定=c2f01n(2f0)-n(f0)]]>其中，f0＝5.837×1015Hz為入射波頻率，c為光速，n為氟化鈣的折射率。由於0.5140μm位於空氣孔光子晶體11的光子帶隙的頻率上邊緣和介質柱光子晶體13的光子帶隙的頻率下邊緣，因此光波只能在空氣波導15和介質柱14組成的區域傳播。介質柱14的周期為(0.2～0.4)倍入射波長，佔空比0.2～0.6，所起作用有二一個是調製光場。由於只有兩排，因此它不具有光子晶體一樣的光子帶隙結構，不能禁止光的傳播，但它能對分布其間的電磁場起強烈的調製作用，從而使分布在光柵結構12周圍的電場發生畸變。另一個是由於介質柱14的存在使得能量在波導15之間的可以耦合傳遞，增加了電場與光柵12的作用機率。氟化鈣晶體的二階極化係數x(2)＝0，此時的二次諧波來源於電四極極化效應PUVQ(2)=QijklEUVjkEUVl,]]>通常情況下電四極極化係數Q較之非線性材料的有效二階極化係數x(2)小3～4個數量級，可以忽略不計，但在本發明中，波導15中的電場被強烈調製，電場劇增劇減，梯度很大，使氟化鈣的電四極極化效應大大增強。同時由于波導結構15處在光子晶體11和13的帶隙邊緣，可類比於一諧振腔，因此該處的光子態密度最大，極大的提高了光柵12與電場的作用強度，並且由於帶隙邊緣的電磁波的群速度最小，又可以延長作用時間，從而激發出強度可與典型非線性材料相比擬的波長為0.2570μm的紫外雷射。光柵12的周期Λ滿足準相位共線匹配條件，使各點激發出的雷射始終與入射光線同步，避免相互幹涉抵消，提高轉換效率。倍頻後得到的連續的0.2570μm紫外雷射從出射口4輸出。
如圖4所示是本發明實施例3內部晶體3的H-H剖面結構示意圖，由圓形空氣孔光子晶體18、空氣波導22、光柵19、圓形介質柱21、圓形介質柱光子晶體20組成，晶胞為六邊形結構，圓形介質柱21對齊排列。圓形空氣孔光子晶體18、光柵19、圓形介質柱21、圓形介質柱光子晶體20以及基底材料23為矽或砷化鎵或鍺。當材料為矽時是一10.6μm連續光束六邊形晶胞光子晶體倍頻器，入射波為CO2雷射器輸出的10.6μm連續遠紅外光，輸出為5.3μm連續中紅外光。
CO2雷射器輸出的10.6μm連續遠紅外光被準直擴束後，形成一束均勻平面波，該平面波經過一起偏器，獲得一束TE偏振波，沿空氣波導22的方向從入射口1進入倍頻器。10.6μm和5.3μm均位於矽的光學透射波段。空氣孔光子晶體18的周期為(0.3～0.5)倍入射波長，佔空比0.7～0.95；介質柱光子晶體20的周期為(0.2～0.5)倍入射波長，佔空比0.2～0.6；空氣波導22寬為(0.4～0.7)倍入射波長，其內側的光柵19寬度為(0.1～0.5)倍入射波長，周期由下式決定=c2f01n(2f0)-n(f0)]]>其中，f0＝0.2830×1014Hz為入射波頻率，c為光速，n為矽的折射率。由於10.6μm位於空氣孔光子晶體18的光子帶隙的頻率上邊緣和介質柱光子晶體20的光子帶隙的頻率下邊緣，因此光波只能在空氣波導22和介質柱21組成的區域傳播。介質柱21的周期為(0.2～0.4)倍入射波長，佔空比0.2～0.6，所起作用有二一個是調製光場。由於只有兩排，因此它不具有光子晶體一樣的光子帶隙結構，不能禁止光的傳播，但它能對分布其間的電磁場起強烈的調製作用，從而使分布在光柵結構19周圍的電場發生畸變。另一個是由於介質柱21的存在使得能量在波導22之間的可以耦合傳遞，增加了電場與光柵19的作用機率。矽晶體的二階極化係數x(2)＝0，此時的二次諧波來源於電四極極化效應PUVQ(2)=QijklEUVjkEUVl,]]>通常情況下電四極極化係數Q較之非線性材料的有效二階極化係數x(2)小3～4個數量級，可以忽略不計，但在本發明中，波導22中的電場被強烈調製，電場劇增劇減，梯度很大，使矽的電四極極化效應大大增強。同時由于波導結構22處在光子晶體18和20的帶隙邊緣，可類比於一諧振腔，因此該處的光子態密度最大，極大的提高了光柵19與電場的作用強度，並且由於帶隙邊緣的電磁波的群速度最小，又可以延長作用時間，從而激發出強度可與典型非線性材料相比擬的波長為5.3μm的中紅外雷射。光柵19的周期Λ滿足準相位共線匹配條件，使各點激發出的雷射始終與入射光線同步，避免相互幹涉抵消，提高轉換效率。倍頻後得到的連續的5.3μm中紅外雷射從出射口4輸出。
本發明的具體製作步驟如下a.據入射波長選定低吸收材料和晶胞結構；b.設計光刻用的掩模版，圖形尺寸空氣孔光子晶體的周期為(0.3～0.5)倍入射波長，佔空比0.7～0.95；介質柱光子晶體的周期為(0.2～0.4)倍入射波長，佔空比0.2～0.6；空氣波導的寬度與入射波長相當，其內側的光柵寬度為(0.125～0.5)倍波長，周期為=c2f01n(2f0)-n(f0),]]>其中f0為入射波頻率，c為光速，n為材料的折射率；c.基片清洗、烘乾、摔膠，用設計好的掩模曝光；d.顯影、定影后用ICP或電化學方法進行深刻蝕到5倍入射波長以上；e.固定封裝完成倍頻器的製作。
權利要求
1.一種連續光束線性材料光子晶體倍頻器，由光波入射口(1)、出射口(4)、金屬外殼(2)、內部晶體(3)和基板(5)組成，其特徵在於內部晶體(3)由空氣孔光子晶體(6)、空氣波導(10)、光柵(7)、圓形介質柱(9)、介質柱光子晶體(8)組成，空氣孔光子晶體(6)和介質柱(8)具有不同的帶隙結構，空氣波導(10)的內側有周期一致的光柵結構(7)，波導(10)之間有圓形介質柱(9)隔開，空氣孔光子晶體(6)、光柵(7)、圓形介質柱(9)、介質柱光子晶體(8)以及基底材料(11)均為同一種對於入射光波和出射光波而言是低損耗的非磁性線性材料。
2.根據權利要求1所述的連續光束線性材料光子晶體倍頻器，其特徵在於所述的空氣孔光子晶體(6)和介質柱光子晶體(8)位置可以互換，入射波長對應的真空頻率位於空氣孔光子晶體(6)的光子帶隙的頻率上邊緣和介質柱光子晶體(8)的光子帶隙的頻率下邊緣，或反之。
3.根據權利要求1所述的連續光束線性材料光子晶體倍頻器，其特徵在於所述的空氣孔光子晶體(6)的周期為(0.3～0.5)倍入射波長，佔空比0.7～0.95；介質柱光子晶體(8)的周期為(0.2～0.4)倍入射波長，佔空比0.2～0.6，光子晶體的晶胞可為正方形、或正三角形、或六邊形。
4.根據權利要求1所述的連續光束線性材料光子晶體倍頻器，其特徵在於所述的空氣波導(10)的寬度為(0.4～0.7)倍入射波長，其內側的光柵(7)寬度為(0.1～0.5)倍波長，緊貼于波導壁上。周期由下式決定=c2f01n(2f0)-n(f0)]]>其中，f0為入射波頻率，c為光速，n為材料的折射率。
5.根據權利要求1所述的連續光束線性材料光子晶體倍頻器，其特徵在於所述的空氣波導(10)間的介質柱(9)為兩排，周期排布，對齊排列或錯開半個周期，周期為(0.2～0.4)倍入射波長，佔空比0.2～0.6。
全文摘要
連續光束線性材料光子晶體倍頻器，由光波入射口(1)、出射口(4)、金屬外殼(2)、內部晶體(3)和基板(5)組成，其特徵在於內部晶體(3)由圓形空氣孔光子晶體(6)、空氣波導(10)、光柵(7)、圓形介質柱(9)、圓形介質柱光子晶體(8)組成，空氣孔光子晶體(6)和介質柱光子晶體(8)具有不同的帶隙結構，空氣波導(10)的內側有周期一致的光柵結構(7)，波導(10)之間有圓形介質柱(9)隔開，光柵(7)、圓形介質柱(9)、圓形介質柱光子晶體(8)以及基底材料(11)均為同一種非磁性線性材料，入射波和出射波均為連續雷射。本發明利用線性材料的電四極極化效應在光子晶體中有顯著增強來實現雷射倍頻，結構設計靈活，可以實現很寬波段的波長轉換，製作工藝簡單、適用範圍廣、損耗低、轉換效率高、容易在微系統中集成。
文檔編號H01S3/109GK1713465SQ20041000923
公開日2005年12月28日 申請日期2004年6月22日 優先權日2004年6月22日
發明者石建平, 陳旭南, 羅先剛 申請人:中國科學院光電技術研究所