具有多方向多波長準相位匹配倍頻的二維準周期光子晶體的製作方法

2023-07-01 12:58:46

專利名稱：具有多方向多波長準相位匹配倍頻的二維準周期光子晶體的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種二維準周期非線性光子晶體，特別是涉及一種多方向多波長倍頻的準相位匹配光子晶體。
背景技術：
通常晶體中的倍頻效應受到晶體色散關係的嚴重影響，使基頻波和諧頻波之間存在一定的相速度差，引起能流方向的交替變化，使得二次諧波強度沿相互作用距離L＝λi/4(no-ni)(其中，ni和no分別為晶體中基頻光與倍頻光的折射率，λi為基頻光的波長)周期性地增強和減弱。為了實現二次諧波強度在整個晶體中的持續增加，兩波矢之間需要滿足相位匹配條件。過去人們主要利用各向異性晶體的雙折射特性，通過調節晶體溫度和入射光的角度，使基波的o光(或e光)與諧波的e光(或o光)的折射率相等以實現相位匹配。但這種利用各向異性晶體雙折射特性實現相位匹配條件的方法有許多難以克服的缺點(1)天然或人工各向同性晶體中是無法實現這種相位匹配關係的；(2)某些角度上的相位匹配所引起的離散效應限制了兩光束的空間交疊，非線性極化率最大對角元素的利用受到很大的限制；(3)晶體受溫度特性特殊要求的影響。所述以上缺點均極大地降低了所用晶體的範圍和能量轉換效率。自從準相位匹配(QPM)技術的概念被提出以來，其在非線性頻率轉換方面的應用一直得到眾多研究者的關注。QPM技術能使二次諧波強度在非線性晶體中保持連續增長，它通過使基波和諧波在奇數個L的長度內相對相位反轉，以實現二次諧波強度在一些本該衰減的區域得以繼續增加。因此，只要周期性地改變自發極化矩的方向，實現相位周期性反轉，就能使諧波保持高效非線性頻率轉換。QPM技術的優勢在於首先，它不再要求正交光束，即輸入光和輸出光偏振方向與晶體極化方向可以一致，這樣走離效應不再存在，可充分利用晶體的最大非線性係數；其次，該技術是一種人為設計晶體周期結構以達到滿足相位匹配關係的技術，增強了設計過程的可控性。基於此，在非線性光子晶體中的準相位匹配頻率轉換(倍頻、和頻、差頻和光參量過程等)中的轉換效率顯著提高。
目前一維周期的準相位匹配技術已相當成熟，其中周期性極化的非線性光學晶體已配置到多頻或調頻的雷射器產品中。由於不同的應用要求，人們進一步擴展到對一維準周期結構非線性光子晶體的研究。這種結構可以在單一方向上實現不同種波長的倍頻、和頻及差頻等轉換過程。然而，它的不足在於垂直於入射雷射方向上的倒格矢沒有被利用到。1998年法國科學家V.Berger首次提出了二維非線性光子晶體的概念(文獻1，V.Berger，「Nonlinear Photonic Crystals」，Physical Review Letters，1998，81(19)4136-4139)。它是將自發極化矩以二維格點的結構周期性地反轉，形成二維極化結構，其第一布裡淵區可為三角形和正方形等多邊形。這種結構能提供滿足準相位匹配的多種倒格矢。2000年，Broderick等人(文獻2，N.G.R.Broderick，G.W.Ross，H.L.Offerhaus，D.J.Richardson，and D.C.Hanna，「Hexagonally Poled Lithium NiobateA Two-DimensionalNonlinear Photonic Crystal」，Physical Review Letters，2000，84(19)4345-4348.)採用二維非線性光子晶體成功地進行了六邊形周期性極化鈮酸鋰晶體中二倍頻效應的實驗。

發明內容
本發明的目的是克服已有技術中一維非線性光子晶體中只能對單一方向上不同種波長的光波倍頻，及二維周期結構中倒格矢數量的有限性，為了同時對不同方向上多束不同波長的光波以及同一方向上不同波長的光波進行倍頻，提供一種多波倍頻的二維準相位匹配非線性光子晶體。利用二維n重準晶結構的對稱性優勢降低頻率轉換過程中諧頻光產生效率對入射基頻光偏離理想準相位匹配角度的敏感性。同時，利用具有高重對稱性的二維準晶結構可為實現準連續波長的倍頻轉換奠定一定的理論和實驗基礎。
本發明的目的是這樣實現的本發明提供的一種具有多種方向上多種波長準相位匹配倍頻的二維n重準周期非線性光子晶體，以鐵電晶體材料為基，其超晶格格點為高壓脈衝電場極化工藝製成的極化反轉柱子，該非線性光子晶體的正格矢空間超晶格形狀為二維n重準周期結構，沿其中心軸即z軸旋轉具有n重對稱性，其中組成基本單元為相鄰接的多邊形，並且多邊形的邊長是相等的；其超晶格對應的倒格矢也為二維n重準周期形狀分布，該類倒格矢空間在同一方向上具有不同長度的倒格矢，同時在不同方向上也存在不同長度的倒格矢。
由此，可利用該類非線性光子晶體中不同方向上不同長度的倒格矢實現不同種波長的共線及非共線準相位匹配倍頻過程，且利用二維準周期晶體的旋轉對稱性，繞其中心軸旋轉一定角度的整數倍後可得到相同的結果。
所述的n重為n＝8，10，12，15，16，17，24或25。
所述的鐵電晶體材料為鈮酸鋰(LN)、鉭酸鋰(LT)、硼酸鋇(BBO)、磷酸二氫鉀(KDP)和磷酸鈦酸鉀(KTP)材料。
本發明提供的一種具有多種方向上多種波長準相位匹配倍頻的二維n重準周期非線性光子晶體是利用外加電場的方法進行製備出的，該方法包括以下步驟1.首先製備好具有二維n重準周期圖案光刻工藝用的掩模版，具有二維n重準周期圖案；2.然後在乾淨的鐵電晶體材料+c表面塗一層光刻絕緣膠，利用步驟1製備的光刻工藝用掩模版，通過光刻工藝將二維n重準周期圖案轉移到鐵電晶體材料+c表面上；3.採用氯化鋰液體電極，使氯化鋰過飽和溶液的液體電極與未被覆蓋鐵電晶體材料+c表面充分接觸，將10～30kV/mm的高壓脈衝電場施加在步驟2得到的表面帶有二維n重準周期圖案的鐵電晶體材料+c表面上沒有被絕緣膠覆蓋的區域，使該區域的鐵電晶體材料+c得以極化，其超晶格格點為高壓脈衝電場極化工藝製成的極化反轉圓柱，極化完成後，擦除鐵電晶體材料+c表面的絕緣膠，即可得到二維n重準周期非線性光子晶體的極化斑圖；晶體的極化方向與二維準晶結構的中心軸平行；4.極化完成後，擦除鐵電晶體材料+c表面的光刻絕緣膠，即可得到具有二維n重準周期非線性光子晶體。
為防止高壓對空氣擊穿，還包括在極化過程中通常都是使晶體處於絕緣油中來進行。
為了得到更加清晰的斑圖，還包括步驟5，將極化後的晶體表面選擇適當的刻蝕液進行刻蝕，例如鈮酸鋰材料選擇氫氟酸做刻蝕液，即把鈮酸鋰材料放在氫氟酸中，在室溫下浸泡10～15分鐘，然後再在顯微鏡下即可觀察到清晰的二維n重準周期格點分布圖。
使用時，為了減少拋光晶體表面對入射基頻光及出射倍頻光束的損耗，基頻光沿著二維n重準周期光子晶體特定方向上的平面垂直入射，並與其二次諧波共線垂直出射到晶體外部，實現基頻光的共線準相位匹配倍頻過程。充分利用n重準周期結構中多個基矢的線性組合可得到更豐富的倒格矢，採用此方法可實現更多不同方向上不同波長光波的頻率轉換。旋轉(360°/n)角度的整數倍可以得到相同的結果。
本發明提供了一種具有更豐富倒格矢的二維n重準周期極化反轉結構，即在同一塊晶體上能夠有在多種方向可以滿足準相位匹配的倒格矢，並且在同一方向上能夠有更多長度不等的倒格矢存在。
本發明提供的一種多方向多波長倍頻的二維n(n＝8，10，12，15，16，17，24或25)重準周期準相位匹配光子晶體，具有以下有益效果1.可以在同一方向上同時對多束不同波長的光波進行一階準相位匹配頻率轉換，同時，通過多種基矢的線性組合可實現不同方向上不同種波長的倍頻轉換；2.利用晶體的n重對稱性，旋轉(360°/n)角度的整數倍後可得到相同的結果；3.利用具有高重對稱性的二維準晶結構可為實現準連續波長的倍頻轉換提供了奠定一定的基礎。


圖1是本發明的具有多方向多波長準相位匹配倍頻的二維八重(n＝8)準周期光子晶體正格矢空間的格點分布圖，整個空間由相鄰接的正方形和45°菱形組成。其中，二維八重準周期圖形的中心位於x-y-z坐標系的中心點，該圖形的旋轉中心軸與z軸重合，且z軸垂直紙面向外；(a)和(b)為組成二維八重準周期結構的基本單元正方形和45°菱形；λo1、λo2、λo3和λo4分別為輸入基頻光λi1、λi2、λi3和λi4的共線準相位匹配倍頻輸出光。
圖2是外加高壓脈衝電場的方法極化二維八重準周期結構的鈮酸鋰晶體完成後，其+c面的形貌圖。
圖3是二維八重準晶結構倒格矢空間的格點分布圖。其中，G1和G2為與y軸夾角為0°方向上不同長度的倒格矢，G3和G4為與y軸夾角為±25°方向上不同長度的倒格矢。
圖4是二維十重(n＝10)準周期結構正格矢空間的晶格分布圖，其基本結構單元為36°瘦菱形和72°胖菱形。其中，二維十重準周期圖形的中心位於x-y-z坐標系的中心點，該圖形的旋轉中心軸與z軸重合，且z軸垂直紙面向外；(a)和(b)為組成二維八重準周期結構的基本單元36°瘦菱形和72°胖菱形；具體實施方式
實施例1具有多種方向上多種波長準相位匹配倍頻的二維n重準周期非線性光子晶體，以厚度0.4mm的鈮酸鋰材料為基，其超晶格格點為利用外加23kV/mm高壓脈衝電場的方法製成的極化反轉柱子，製備出二維八重(n＝8)準周期疇反轉非線性光子晶體。該非線性光子晶體的正格矢空間超晶格形狀為二維八重準周期結構，沿其中心軸即z軸旋轉具有八重對稱性，其中組成基本單元為相鄰接的多邊形，多邊形的邊長相等；其超晶格對應的倒格矢也為二維n重準周期形狀分布，該類倒格矢空間在同一方向上具有不同長度的倒格矢，同時在不同方向上也存在不同長度的倒格矢。該二維八重(n＝8)準周期晶體正格矢空間的格點分布圖，整個空間由相鄰接的正方形和45°菱形組成，如圖1所示；其中，二維八重準周期圖形的中心位於x-y-z坐標系的中心點，該圖形的旋轉中心軸與z軸重合，且z軸垂直紙面向外；(a)和(b)為組成二維八重準周期結構的基本單元正方形和菱形；λo1、λo2、λo3和λo4分別為輸入基頻光λi1、λi2、λi3和λi4的共線準相位匹配倍頻輸出光。
本實施例的二維八重(n＝8)準周期疇反轉非線性光子晶體的具體製備方法包括如下步驟1.所採用的晶體為厚度0.4mm的鈮酸鋰材料，首先用電子束曝光的方法製作一塊具有二維八重準周期格點結構排列的掩模版，如圖1所示；2.利用半導體光刻工藝將掩模版上的準周期圖案轉移到鈮酸鋰晶體+c表面的光刻絕緣膠上；3.使氯化鋰過飽和溶液的液體電極與未被覆蓋光刻絕緣膠的鈮酸鋰晶體區域充分接觸進行極化，通過施加23kV/mm高壓脈衝電場使該區域的疇得以極化反轉，形成極化反轉圓柱；並且在極化過程中使晶體處於絕緣油中來進行；4.極化完成後，擦去鈮酸鋰晶體表面的絕緣膠，即得到如圖1所示的二維八重準周期光子晶體結構。
為了得到更加清晰的斑圖，還將極化後的晶體在室溫下浸泡在氫氟酸中刻蝕10～15分鐘之內都可以。由於氫氟酸對於晶體+c面比-c表面的刻蝕速率快，刻蝕完成後在顯微鏡下即可觀察到清晰的二維n重準周期格點分布圖，如圖2所示。
本實施例的結構由基本單元即相鄰接的正方形(a)和45°菱形(b)在x-y平面內通過旋轉或平移形成，超晶格格點為外加高壓脈衝電場極化工藝製成的極化反轉柱子，晶格常數即正方形或菱形邊長為11.77μm。圖3給出實施例製作的二維八重準晶結構的倒格矢分布圖，可見格點分布仍為二維八重準周期排列，該倒格矢空間具用更多方向更多長度的倒格矢。
根據所給定的晶格周期，使用準相位匹配倍頻條件(2ki+G=ko,]]>其中 為倒格矢， 和 分別為入射基頻光和出射倍頻光的波矢)，得出本實施例中沿y軸方向一階準相位匹配的兩束基頻光波長為λi1＝1.2048μm和λi2＝1.074μm，晶體中的光束走向如圖1所示。此時，光子晶體的工作溫度為24.5攝氏度。該共線準相位匹配倍頻後所得到的光波長分別為λo1＝0.6024μm(橙光)和λo2＝0.537μm(綠光)，其中所採用的倒格矢為G1和G2(其中，G1:G2=1:2]]>)，如圖3中所示。旋轉45°角的整數倍可以得到相同的結果，這正是八重對稱性的充分體現。同時，利用與y軸成一定對稱角度方向上的倒格矢，沿y軸方向入射基頻光可以實現多種不同波長的非共線準相位匹配諧頻過程，其中各波長間隔最小可達到幾個納米。因此，利用同一方向不同長度的倒格矢及不同方向上不同長度的倒格矢可實現不同波長的共線及不共線準相位匹配倍頻轉換。在以上的倍頻實驗過程中，為了減小入射基頻光及出射倍頻光的損耗，需要入射光與出射光均垂直於晶體的側面。
類似地，利用倒格矢空間中四種不同方向上基矢的線性組合，可得到更多不同方向上不同長度的倒格矢，例如圖3中與y軸夾角為22.5°方向上的倒格矢G3和G4所示(其中，G3:G4=1+2:1]]>)。因此，利用這兩種倒格矢可實現基頻波長為λi3＝0.988μm和λi4＝1.429μm的共線準相位匹配倍頻轉換，倍頻光分別為λo3＝0.494μm(青光)和λo4＝0.7145μm(紅光)，晶體中的光束走向如圖1所示。旋轉45°角的整數倍可以得到相同的結果。
並且，改變其晶格常數，相應倍頻所需的基頻波長也會相應地改變，由此實現更多種波長的頻率轉換。
實施例2採用不同種多重對稱結構的準晶結構可以實現另外不同種波長的頻率轉換。
參考圖4，本實施例中光子晶體與實施例1中光子晶體的晶格均為二維準周期分布，不同之處在於此結構分布具用十重(n＝10)對稱性，如圖4所示。對於十重準晶結構而言，基本結構單元為36°瘦菱形(a)和72°胖菱形(b)的組合，其中瘦菱形的內角為36°和144°，胖菱形的內角為72°和108°。本實施例中以此組合而成的二維十重準晶結構為例進行分析。在二維八重準晶中四種基矢(即y軸或旋轉45°角的整數倍)方向各格點間的長度比為 ；十重準晶中五種基矢方向上各格點間的長度比為1.5+125-12]]>。由實施例1中對二維八重準晶的研究可知，倒格矢空間的格點分布比正格矢空間的格點更加豐富。因此，在十重準晶倒格矢空間結構中基矢方向上至少存在三種長度不等的倒格矢，這有利於更多種基頻光諧頻過程的產生。同時，在與y軸夾角為18°度的方向上同樣存在著豐富的倒格矢。因此，通過這些同一方向上不同長度的倒格矢及不同方向上不同長度的倒格矢可實現更多種基頻光的共線及非共線準相位匹配倍頻轉換。旋轉36°角的整數倍可以得到相同的結果。由此，增加二維準晶的重數可為實現準連續波長的諧頻轉換奠定了一定的基礎。
本實施例的二維十重(n＝10)準周期疇反轉非線性光子晶體的具體製備方法包括如下步驟1.所採用的晶體為磷酸鈦酸鉀材料，首先用電子束曝光的方法製作一塊具有二維十重準周期格點結構排列的掩模版；2.利用半導體光刻工藝將掩模版上的準周期圖案轉移到磷酸鈦酸鉀+c表面的光刻絕緣膠上；3.使氯化鋰過飽和溶液的液體電極與未被覆蓋光刻絕緣膠的磷酸鈦酸鉀+c表面區域充分接觸進行極化，通過施加18kV/mm高壓脈衝電場使該區域的疇得以極化反轉，形成極化反轉圓柱；並且在極化過程中使晶體處於絕緣油中來進行；4.極化完成後，擦去磷酸鈦酸鉀+c表面上的絕緣膠，即得到二維十重準周期非線性光子晶體。
5.為了得到更加清晰的斑圖，還將極化後的晶體在室溫下浸泡在2∶1配比的氫氧化鉀和硝酸鉀混合溶液中刻蝕10～15分鐘之內都可以。
權利要求
1.一種具有多方向多波長準相位匹配倍頻的二維準周期光子晶體，為鐵電晶體材料；其特徵在於，在該鐵電晶體材料+c表面上轉印成二維n重準周期圖案，其超晶格格點為外加高壓脈衝電場極化形成的反轉圓柱，所述光子晶體正格矢空間的超晶格形狀為二維n重準周期形狀，沿其中心軸旋轉具有n重對稱性，其基本單元為相鄰接的多邊形，其中多邊形的邊長相等；所述超晶格對應的倒格矢分布也為二維n重準周期形狀，該類倒格矢空間中不僅在同一方向上具有不同長度的倒格矢，並且在不同方向上也存在不同長度的倒格矢。
2.根據權利要求1所述的具有多方向多波長準相位匹配倍頻的二維準周期光子晶體，其特徵在於，所述的鐵電晶體材料包括鈮酸鉀、鉭酸鉀、硼酸鋇、磷酸二氫鉀和磷酸鈦酸鉀材料。
3.根據權利要求1所述的具有多方向多波長準相位匹配倍頻的二維準周期光子晶體，其特徵在於，所述的n重為n＝8，10，12，15，16，17，24或25。
4.一種具有多方向多波長準相位匹配倍頻的二維準周期光子晶體通過如下方法製備，其特徵在於包括如下步驟(a).首先製備好具有二維n重準周期圖案的光刻工藝用的掩模版；(b).然後在乾淨的鐵電晶體材料+c表面塗一層光刻絕緣膠，利用步驟(a)製備的光刻工藝用掩模版，通過光刻工藝將二維n重準周期圖案轉移到鐵電晶體材料+c表面上；(c).極化採用氯化鋰液體電極，使氯化鋰過飽和溶液的液體電極與未被覆蓋鈮酸鋰晶體部分充分接觸進行極化，將10～30kV/mm的高壓脈衝電場施加在步驟(b)得到的表面帶有二維n重準周期圖案的鐵電晶體材料+c上沒有被絕緣膠覆蓋的區域進行極化，使該區域的鐵電晶體材料+c得以極化，其超晶格格點為高壓脈衝電場極化工藝製成的極化反轉圓柱；晶體的極化方向與二維準晶結構的中心軸平行；(d).在極化過程中通常使晶體處於絕緣油中來進行；(e).極化完成後，擦除鐵電晶體材料+c表面的光刻絕緣膠，即可得到具有二維n重準周期非線性光子晶體。
5.按權利要求4所述的製備具有多方向多波長準相位匹配倍頻的二維準周期期光子晶體方法，其特徵在於，還包括步驟5，將極化後的晶體表面進行刻蝕，其刻蝕液根據晶體種類選擇。
6.按權利要求5所述的製備具有多方向多波長準相位匹配倍頻的二維準周期光子晶體方法，其特徵在於，所述的刻蝕液為氫氟酸，將極化後的鈮酸鋰光子晶體在室溫下浸泡在氫氟酸中10～15分鐘。
7.按權利要求5所述的製備具有多方向多波長準相位匹配倍頻的二維準周期光子晶體方法，其特徵在於，所述的刻蝕液為2∶1配比的氫氧化鉀和硝酸鉀混合溶液，將極化後的磷酸鈦酸鉀光子晶體放在該混合溶液中刻蝕10～15分鐘。
8.按權利要求4所述的製備具有多方向多波長準相位匹配倍頻的二維準周期光子晶體方法，其特徵在於，所述的n重為n＝8，10，12，15，16，17，24或25。
全文摘要
本發明涉及一種具有多方向多波長準相位匹配倍頻的二維準周期光子晶體，採用鐵電晶體材料，其表面上轉印成二維n重準周期圖案，外加高壓脈衝極化該晶體，晶體的超晶格格點被極化製成極化反轉圓柱，超晶格形狀為二維n重準晶排列；超晶格對應的倒格矢也是二維n重準晶形狀；晶體的極化方向與二維準晶結構的中心軸平行。該光子晶體可以在不同的角度對多束不同波長的光波進行倍頻；同時旋轉一定的角度可得到相同的結果，降低了頻率轉換中轉換效率對角度的敏感性；利用具有高重對稱性的二維準晶結構可為實現準連續波長的倍頻轉換奠定一定的理論和實驗基礎。
文檔編號G02F1/35GK1690826SQ20041000902
公開日2005年11月2日 申請日期2004年4月19日 優先權日2004年4月19日
發明者馬博琴, 王霆, 倪培根, 王義全, 程丙英, 張道中 申請人:中國科學院物理研究所