鐵電極板晶疇反轉的方法及其應用的製作方法

2023-11-08 01:40:07 2

專利名稱：鐵電極板晶疇反轉的方法及其應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及在鐵電極板上製作晶疇反轉結構的方法以及該方法在以準相位匹配 (QPM)技術為基礎生成寬波帶光源的領域內的應用。
背景技術：
開發以準相位匹配(QPM)為基礎的非線性光學設備，如波長轉換器，對鐵電物質 反轉晶疇的精密控制是非常必要的。波長轉換器的一個實例公開於文獻「J.A. ARMSTRONG et al.，Physical Review, vol. 127，No. 6，Sep. 15，1962，pp.1918—1939(J. A. Armstrong 等 人，物理評論，vol. 127，第6期，1962年9月15日，第1918-1939頁)；」在該文獻中，波長 轉換裝置採用了一種波長轉換元件，將其置於在沿著光柵的方向上形成的周期性晶疇反轉 光柵中，以滿足準相位匹配(QPM)的條件。通過向波長轉換元件輸入角頻率為ω的基本光， 實現波長轉換，以獲取角頻率為2 ω的轉換光，即產生二次諧波(SHG)。該晶疇反轉光柵的 周期Λ取決於準相位匹配(QPM)的條件(即2ω (η2ω-ηω) = 2 π c/Λ，其中η2ω和ηω分別 是2ω和ω的折射率，c是光在真空中的速度)。相反，如果一種角頻率為2 ω的泵浦光投 射到同一裝置上，角頻率分別為的信號光和閒置光通過自發參量下轉換(SPDC) 過程產生(其中2ω = ω3+ω ；)。在自發參量下轉換(SPDC)過程中，必須滿足相似的準相 位匹配(QPM)條件，Βρ2ωη2φ- co.sns - ω ni = 2πο/Λ,其中 η2 ω，ns 和 ni 分別是 2 ω， S和COi的折射率，c為光在真空中的速度。由於大量的ωβ與ω i對數能滿足某一固定 周期的準相位匹配(QPM)條件，產生的自發參量下轉換(SPDC)光通常在角頻率ω周圍具 有很寬的頻帶寬度。為實現高效的波長轉換，高均勻周期性晶疇反轉結構必需穿出晶體的厚度。為取 得具有高效率及大輸出功率的波長轉換器，具有不完全摻雜的高光學性質的極板，無論是 哪一種，都必須在極化摻雜質的極板上花很多心思。一種基於電暈放電方法，在摻雜鐵電材料(摻氧化鎂鈮酸鋰的極板)中形成 周期性晶疇反轉結構的技術公開於文獻〃 C. Q. Xu，etal.，US provisional Patent NO. 60/847122 ； (C. Q. Xu 等人.，美國臨時專利號 60/847122) ；Akinori Harada,U. S. Patent No. 5，594，746 (Akinori Harada,美國臨時專利號 5，594，746) ；Akinori Harada, U. S. Patent No. 5, 568, 308 (Akinori Harada，美國臨時專利號 5，568，308) ；A. Harada, et al. ,Applied Physics Letters, vol. 69,no. 18，1996，ρρ· 2629-2631 (A. Harada等人.，應用 物理快報，vol. 69，第18期，1996年，第2629-2631頁)〃，(如圖1所示)。在這些文獻中， 電暈線或接觸線3被安置在摻氧化鎂鈮酸鋰單晶極板1的-C面上方，同時將周期性電極光 柵2安置在極板的+c面上。電極由金屬製成並接地。只要高壓電源5向電暈線輸入了高 電壓，就會發生電暈放電，使極板-C面上產生負電荷。由於-C面上存在電荷，造成了電壓 電勢差，從而產生橫穿極板的強電場。若產生的電場大於晶體的內部電場(即矯頑電場)， 在電極之下的晶疇就可被反轉，這是因為所產生電場的方向與晶體內部電場是相反的。由 於矯頑電場會隨著溫度的上升而減小，可採用溫度調節器6來減小疇反轉所需的電場。
眾所周知，電暈放電法能夠克服不均勻摻雜的問題，這是由於，因電暈放電而沉積在表面上的電荷的遷移速度非常緩慢。因此，晶體的極化會在局部矯頑電場所及的範圍內 發生。儘管均勻的晶疇反轉可藉助電暈放電方法實現，但反轉後的晶疇形狀不佳。換言之， 反轉後的晶疇通常不會沿著極板的厚度方向垂直穿過晶體，如果使用塊狀晶體來開發晶疇 反轉晶體，就會出現問題。在文獻〃M. Yamada, et al.，US patent 5，193，023 (M. Yamada 等人，美國專 利 5, 193,023) ；M. Yamada, et al. , Applied Physics Letters, vol.62, no. 5,1993, pp. 435-436 (M. Yamada 等人，應用物理快報，vol. 62，第 5 期，1993 年，第 435-436 頁);J ffebjiorn, et al.，US patent5, 875，053 (J. Web jorn 等人，美國專利 5，875，053) ；Byer, et al.，USpatent 5，714，198，US patnet 5，800，767，US patent 5，838，702 (Byer 等人，美國 專利5，714，198，美國專利5，800, 767，美國專利5，838，702)「中公開了另一種基於靜電方 法，在摻雜氧化鎂鈮酸鋰形成周期性晶疇反轉結構的技術(如圖1(b)和(c)所示)。在這 些文獻中，在一種單晶摻氧化鎂鈮酸鋰極板1的+c面上形成了一個電極光柵2。電極光柵 2既可以是金屬(圖1(b))，也可以是絕緣體，如光刻膠(Fig. 1(c))。通過高壓電源5施加 了一個橫穿極板的強電場。若施加的電場大於晶體的內部電場(即矯頑電場)，在電極(圖 1(b))或絕緣體光柵(圖1(c))之下的晶疇就可被反轉，這是因為所施加電場的方向與晶體 內部電場是相反的。在圖1(b)中的電極2和4之間，或圖1(c)中的電極3和4之間施加 了一個高電壓。由於矯頑電場會隨著溫度的上升而減小，可採用溫度調節器6來減小疇反 轉所需的電場。雖然鐵電極板技術在應用於具有垂直晶疇形狀的非摻雜晶體的極化時很成功，但 由於摻雜是不均勻的，難以實現均勻的極化。晶疇反轉的晶核形成是在極板表面隨機形成 的。因此，極板上所施加的橫穿極板的電場的分布會在晶體開始極化時發生變化，因而會導 致不均勻極化。在文獻"M. Nakamura，et al. , Jpn. J. Appl. Phys. , vol. 38, 1999, pp. L1234-1236(M. Nakamura 等人，Jpn.應用物理雜誌 vol. 38，1999，第 L1234-1236 頁)； H. Ishizuki, et al.，Appl. Phys. Lett.，vol. 82，No. 23，2003，pp. 4062—4065(H. Ishizuki 等人 ，應用物理快報 vol. 82，第 23 期，2003 年，第 4062-4065 頁)；K. Nakamura, et al.， J. Appl. Phys.，vol. 91，No. 7，2002，pp. 4528-4534 (K. Nakamura 等人，應用物理雜誌， vol. 91，第7期2002，第4528-4534頁)，，中公開了一種通過降低晶體極化所需的電場強度 來解決上述問題的方法。該方法通過將極化溫度升高至170°C和/或將極板的厚度減小至 SOOiirn，可降低需要的電場強度。儘管該方法在實現長周期(>20i!m)的均勻極化方面 有一定的效果，但很難實現短周期(< lOym)的均勻極化。此外，升高溫度也會造成製造 工藝上的困難，同時極板厚度的減小也限制了所研發的晶體的應用。另一種通過在極化中採用厚極板和短脈衝電場來解決此問題的方法公開於文獻 "K. Mizuuchi, et al.，US patent 6，353，495 (K. Mizuuchi 等人，美國專利 6，353，495)， K.Mizuuchi，et al. ,J. Appl. Phys.，vol. 96，No. 11，2004，pp. 6585-6590 (K. Mizuuchi 等人， 應用物理雜誌vol. 96，第11期，2004年，第6585-6590頁)」。由於該方法採用了厚(例如 1mm)極板和短脈衝極化電壓，反轉的晶疇不會穿過整個極板。因此，儘管由於摻雜的不均勻 性，導致極化啟動具有隨機性，但電場的分布是不會改變的，而且，即使極化從某個確定的位置啟動也是如此，這是因為反轉的晶疇不能穿過極板，從而使極化電流受到極大的抑制。 況且，採用這種方法時，約有一半的晶體被浪費掉，因為晶疇反轉結構會逐漸退化，並最終 會從極板的+C到-C面範圍內消失。在文獻「Peng等人，美國專利6，926，770」中公開了解決此問題另一種方法，即先 經過熱處理過程再進行靜電極化。該方法通過高溫(例如1050°C )下的熱處理過程生成了 均勻的晶核形成層，該晶核形成層由第一個金屬電極決定。對第一個金屬電極進行的熱處 理以及環境中的氧氣在低於居裡溫度下的非線性晶體狀態共同導致淺表面晶疇的反轉，此 過程可通過熱處理過程中鋰外擴散或鈦離子內擴散來實現。在進行熱處理後，形成了第二 電極光柵，並且施加了穿過晶體的脈衝電壓(高於晶體的矯頑電壓)，以實現深晶疇反轉。 然而，由於需要高溫熱處理並形成第二電極，整個過程比較複雜，產量也較低，因而該方法 的生產成本較高。在文獻「S. Grilli，et al.，Applied Physics Letters, vol. 89, No. 3， 2006，pp. 2902-2905 (S. Grilli 等人，應用物理快報，vol. 89，第 3 期，2006，第 2902-2905 頁)」中公開的方法中，沒有採用晶核形成，而是通過金屬電極外的質子交換來防止在無遮 蓋區域，如金屬電極光柵上的晶核形成。然而，該方法並不能保證在金屬電極下均勻的晶核 形成，因而也未能實現較大面積範圍內均勻的深晶疇反轉。所生成的周期性極化晶體可用作自發參量下轉換(SPDC)過程所需要的非線性介 質。自發參量下轉換(SPDC)是一種為人熟知的非線性光學過程，公開於「MFiorentino， et al. , Optics Express, Vol. 15, Issue 12, pp. 7479-7488 (Μ· Fiorentino 等人，Optics Express, Vol. 15，第 12 期，第 7479-7488 頁)；L. Ε. Myers, et al. ,J. Opt. Soc. Am. B, vol. 12， No. 11，1995，pp. 2102-2116 (L.E.Myers 等人，J. Opt. Soc. Am. B, vol. 12，第 11 期，1995， 第.2102-2116頁)」等文獻。在SPDC過程中，會向非線性晶體中射入一束角頻率為ωρ的 泵浦光，並生成角頻率分別為的信號光和閒置光。通常泵浦光束只透過非線性晶 體一次，而生成的SPDC光的能量較低。為了提高PDC的效率，晶體被放置於光學共振腔中， 在(03和ω t下均具有高反射率(雙共振)，或在(03和ω t之一下具有高反射率(單共 振)。儘管PDC光的輸出功率可通過採用雙共振或單共振結構來增強，但PDC光的帶寬則大 大降低。而光傳感和光學相干層析(OCT)的應用，需要求光源有較寬的光譜帶寬和較高的 輸出功率。

發明內容
本發明的目標在於提供一種疇反轉方法，該方法在應用於極化摻雜晶體領域中特 別見效。該方法首先根據電暈放電法，對帶有指定電極光柵的極板進行第一次極化，形成金 屬電極光柵下均勻的淺晶疇反轉(即晶核形成)，然後在靜電法基礎上進行第二次深層極 化，以實現深晶疇反轉。本發明的另一個目的在於提供一種生成寬波帶光源的方法，該方法 採用一種具有晶疇反轉結構的非線性晶體。根據本發明的一個特點，(如圖2所示)，具有晶疇反轉結構的非線性晶體1放置 在光學共振腔中。非線性晶體的晶面塗有膜2和膜3，在波長為Xf(寬波帶)左右時具有 高透射率，在波長為二分之一 Xf時具有高反射率。共振腔由後鏡4和前鏡5組成。後鏡4 在波長為Xf(寬波帶)左右時具有高反射率，而前鏡5在波長為Xf (窄波帶)時具有高反 射率。在共振腔內有一個雷射晶體6，可生成雷射波長λ f。雷射晶體的晶面塗有膜7和膜8，均在入，波長下具有高透射率。採用一個可在入口皮長下發出高能雷射的泵浦雷射二極 管9來泵浦雷射晶體6。


為使本發明能理解得更加透徹，以下段落結合所附圖紙對本發明做出了詳細的說 明。圖紙中圖1是晶體先前極化技術的裝置示意圖，(a)根據的是電暈線放電的方法；(b)根 據的是金屬電極的靜電方法；(c)根據的是液體電極的靜電方法。圖2是本發明中用於解釋在塊狀非線性晶體上產生寬波帶光的一種配置的概念 示意圖。圖3是本發明中用於解釋晶體極化程序流程圖的首選實施方案的示意圖。圖4是本發明中用於解釋在具有晶疇反轉結構的塊狀非線性晶體上產生寬波帶 光所使用的各種內腔配置的第二選擇實施方案示意圖。圖5是本發明中用於解釋具有光波導和晶疇反轉結構的非線性晶體的各種類型 的第三選擇實施方案示意圖。圖6是本發明中用於解釋在具有晶疇反轉結構的非線性晶體上生成寬波帶光的 各種內腔配置的第四選擇實施方案示意圖。
具體實施例方式本發明通過以下所描述的方法解決上述問題在首選實施方案(如圖3所示)中，首選晶體極化過程的流程圖包含在單晶體鐵 電極板的+c面上的電極形成過程。第一次極化是通過採用電暈放電法，形成均勻的淺晶疇 反轉(即晶核形成)而實現的。在完成第一次極化後，通過採用靜電法，形成均勻的深晶疇 反轉而進行二次極化。第一次極化之前在鐵電極板的+c面上形成的電極光柵可用做第二 次極化的電極。如果第二次極化不採用液體電極，則在第一次極化和第二次極化的間隔時 間內，應在鐵電極板的-C面上形成一層金屬薄膜層。在第二次極化完成後，將採用標準的 蝕刻工序，用酸清除金屬電極。第一次極化過程中採用的電暈放電法能夠克服不均勻摻雜的問題，這是由於，電 暈放電產生的表面沉積電荷的遷移速度非常緩慢。因此，晶體的極化會在局部矯頑電場所 及的範圍內發生。因而，可通過電暈放電法實現均勻的淺晶疇反轉(即晶核形成)。淺晶疇 反轉的深度在幾微米到幾百微米之間，可通過改變施加在電暈炬或電暈線上的電壓、施加 高電壓的時間、極板的-c面和電暈炬或電暈線之間的距離來控制。施加於電暈炬或電暈線 上的典型電壓可設定在lkV到100kV之間(例如10kV)，施加電壓的時間可以設定在10秒 和10分鐘之間(例如30秒)。由於在第二次極化過程中，晶體的極化從均勻晶疇反轉區(即晶核形成)開始，用 本發明的方法將不再出現隨機的晶核形成過程。因此，對晶體沿厚度方向的剩餘部分的極 化需要的電場強度更低，並且電場強度的分布只取決於電極光柵，而不受晶核形成過程的 影響。因此，可在第二次極化過程中實現具有垂直邊界的均勻極化。設定施加的電壓值可保證電場能達到晶體的矯頑電場強度。值得一提的是，由於在傳統的靜電極化過程中經常 發生在摻雜晶體內隨機形成晶核的現象，所以很難實現均勻極化。因此，儘管靜電技術在應 用於非摻雜晶體的極化時很成功(沒有隨機晶核形成的例子)，但由於摻雜的不均勻性，難 以實現均勻極化。受局部摻雜濃度的影響，晶疇反轉的晶核形成在極板的+C面是隨機形成 的。因此，在極板上所施加的橫穿極板的電場的分布會在晶體開始極化時發生變化，因而會 導致不均勻極化。在本發明的第二選擇實施方案中(如圖4(a)所示)，寬波帶光源被安置在一個光 學共振腔中。該寬波帶光源包括一個具有晶疇反轉結構的非線性晶體1(例如摻氧化鎂 PPLN 周期性極化的鈮酸鋰)。PPLN晶體的晶面上塗有膜2和膜3，兩層膜在1064nm(寬 帶寬)左右的光下具有高透射率，而在532nm的光下具有高反射率。PPLN晶體的周期是 精心設計的，從而可滿足從1064nm到532nm範圍內，SHG ( 二次諧波產生)的QPM條件，即 2 ω (η2ω-ηω) = 2 π c/Λ，其中η2ω和ηω分別為2 ω和ω的折射率，c為光在真空中的速 度，Λ為PPLN 的周期。共振腔由後鏡4和前鏡5形成。後鏡在1064nm(寬波帶)左右具 有高反射率而前鏡在1064nm(窄波帶)光下具有高反射率。在共振腔中還放置了一個雷射 晶體(例如Nd: YAG) 6。雷射晶體的晶面上塗有膜7和膜8，在1064nm下具有高透射率。一 個可在808nm下發射高能雷射的泵浦雷射二極體9用於對雷射晶體6進行泵浦。溫度控制 器10和11可分別安置在非線性晶體1和雷射晶體6底下。雷射晶體6和非線性晶體1的 橫截面大於共振腔中所限制的光束的尺寸，後者的直徑通常小於1mm。雷射晶體和非線性晶 體的長度設定在Imm和IOOmm之間(例如分別為IOmm和5mm)。雷射二極體的泵浦功率的 設定值大於IOmW (例如5W)。雷射晶體6由泵浦雷射二極體9來泵浦。由於共振腔中的鏡4和鏡5在1064nm下 具有高反射率，只要雷射二極體9的泵浦功率高於設計雷射器的閾值功率，就會發生雷射 振蕩。雷射器閾值功率取決於雷射損失，包括在共振腔的鏡4和鏡5處的透射損失，在雷射 晶體6和非線性晶體1處的吸收和散射損失，以及在雷射晶體6和非線性晶體1的晶面上 的反射損失。由於雷射晶體6和非線性晶體1均塗有1064納米的防反射塗層(即透射塗 層)，1064納米的晶面反射損失小到可以忽略不計。此外，由於採用了高質量的晶體，散射 損失也小到可以忽略不計。另外，由於截止波長(即吸收開始變得不可忽略時的波長)遠 遠短於上述波長(例如就摻氧化鎂的PPLN而言，其截止波長為340nm)，非線性晶體1的 吸收損失也是可以忽略不計)。因此，1064nm的雷射具備高頻率和雷射的高限制性等特點 (即，大多數1064nm的雷射會被限制在共振腔內，也即在非線性晶體1中)。如下文所述， 這些特點非常有助於實現高效的SPDC。如上所述，波長1064nm的高強度光會被限制在共振腔中，因而在PPLN非線性晶體 1中，波長為1064nm的光的光強度非常高。由於PPLN晶體1滿足QPM條件，利用SHG工序 可以有效地生成532nm的光。此外，由於在PPLN晶體1的兩個晶面2、3上採用了高反射塗 層，所生成的532nmSHG光會被高度限制在PPLN晶體1中。通過為PPLN晶體1選擇合適的 長度和/或通過位於PPLN晶體1下方的溫度控制器10來調整PPLN晶體的溫度，使PPLN 晶體的環程相在532nm時等於2D的整數倍，就能使532nm光的強度最大化。由於在PPLN晶體1中存在高強度的532nm光，在1064nm左右(此時ω 532-nm = ω3+ω，)，通過自發參量下轉換(SPDC)，生成頻率分別為ωs和coj的信號光和閒置光。在SPDC 過程中，必須滿足 QPM 的條件，即 Co532-Mm n532_nm- w sns_coi ni = 2 n c/ A，其中 ns 和 ni分別為COs*COj的折射率，c為光在真空中的速度，A為PPL晶體N的周期。由於在 給定周期的情況下，滿足QPM條件的cos和coj對數很多，因而生成的SPDC光具有很寬的 帶寬。與文獻中的所公開的傳統SPDC不同，SPDC的泵浦光，即532nm光，在PPLN晶體內是 高度限制的，因而所生成的具有寬帶寬的SPDC光有很高的效率，因為SPDC的效率與泵浦功 率成正比。除此之外，生成的SPDC光在向共振腔後鏡4傳播時會被反射回來，因為該鏡在 1064nm左右對寬帶寬光具有很高的反射率，這樣就進一步增加了 SPDC光的輸出功率。由於 位於共振腔前鏡5在1064nm下只能反射窄帶光，生成的SPDC光在共振腔前鏡5處的反射 損失很小。此外，如果532nm光的強度就已經足夠，那麼生成的SPDC光可在通過PPLN晶體 1時，在參量擴大過程的作用下進一步增強。在本發明的第三選擇實施方案中(如圖4(b)所示)提供了另一種寬波帶光源的 備選配置。共振腔後鏡4(如圖4(a)所示)被一個寬帶寬Bragg光纖光柵4a和一個透鏡 4b取代，同時共振腔前鏡5 (如圖3 (a)所示)被一個窄帶寬Bragg光纖光柵5a和一個透鏡 5b取代。光纖Bragg光柵的帶寬最大可設置在lOOnm，而光纖Bragg光柵5a的帶寬最小可 設置在0. lnm。本發明的特點是所生成的寬波帶光可以通過光纖輸出。如果在共振腔後鏡 內也採用了窄帶寬光纖Bragg光柵，則從兩個輸出口均可以輸出寬波帶光。在本發明的第四選擇實施方案中(如圖4(c)所示)，在雷射晶體6和非線性晶體 1之間增加了一個透鏡12。與圖4(b)所示的配置相比，這種配置可以採用更長的非線性晶 體，同時可在共振腔中保持較小的光束直徑。由於SPDC的效率與非線性晶體長度的平方成 正比，採用較長的非線性晶體可以提高SPDC的效率。在本發明的第五選擇實施方案中(如圖5(a)所示)，在SPDC過程中採用了波導型 非線性晶體。採用波導1可極大地提高光的強度，同時還能使用較長的設備。因此SPDC的 效率可以得到提高。與圖4(a)所示的情況類似，PPLN的波導的晶面塗有膜2和膜3，均在 1064nm(寬帶寬)左右具有高透射率而在532nm下具有高反射率。PPLN晶體的周期是精心 設計的，從而可滿足從1064nm到532nm範圍內，SHG的QPM條件，即2 (n2u-nj = 2nd A, 其中n2u和分別為2co和(0下的有效折射率，c為光在真空中的速度，A為PPLN的周 期。在本發明的第六選擇實施方案中(如圖5(b)所示)，在波導1的兩端各形成1個 集成的Bragg光柵2a和3a。在波導的兩個晶面上塗有1064nm下的高透射(即防反射)塗 層2b和3b。與圖5(a)所示的配置相比，波導的兩個晶面的上採用的塗層更容易獲得，因而 可降低非線性晶體的生產成本。PPLN波導的周期是精心設計的，從而可滿足從1064nm到 532nm範圍內，SHG的QPM條件，即2 (n2(a-nj = 231(；/人，其中112 和11 分別為n2u和
下的有效折射率，c為光在真空中的速度，A為PPLN的周期。在本發明的第七選擇實施方案中(如圖6(a)所示)，1064nm的雷射13被從非線 性晶體1中分散開。1064nm的光在非線性晶體1中只通過1次，而生成的532nm SHG光被 限制在晶體中。532nm的光在接下來的SPDC過程中作為泵浦光。PPLN晶體的晶面上塗有 膜2和膜3，兩層膜在1064nm(寬帶寬)左右的光下具有高透射率，而在532nm的光下具有 高反射率。1064nm的光通過透鏡14射入晶體中。PPLN波導的周期是精心設計的，從而可 滿足從1064nm到532nm範圍內，SHG的QPM條件，即2 (n2u-nj = 2jic/A，其中 和分別為2ω和ω下的折射率，c為光在真空中的速度，Λ為PPLN的周期。與圖3(a)類 似，可在晶體1底下安裝一個溫度控制器10。非線性晶體1的橫截面大於被限制在共振腔 中的光束的尺寸，後者的直徑通常小於1mm。非線性晶體的長度設定在Imm和IOOmm之間 (例如5mm)。在本發明的第八選擇實施方案中(如圖6(b)所示)，1064nm的雷射13被從非線 性晶體1中分散開。1064nm的光在非線性晶體中只通過1次，而生成的532nm SHG光被一 對位於共振腔中的鏡4和鏡5限制在 晶體中。532nm的光在接下來的SPDC過程中作為泵浦 光。PPLN晶體的晶面上塗有膜2和膜3，兩層膜在1064nm(寬帶寬)左右的光下具有高透 射率。1064nm的光通過透鏡14射入晶體中。PPLN晶體的周期是精心設計的，從而可滿足 從 1064nm 到 532nm 範圍內，SHG 的 QPM 條件，即 2ω (η2ω-ηω) = 2 π c/Λ，，其中 η2ω 和 ηω 分別為2ω和ω下的有效折射率，c為光在真空中的速度，Λ為PPLN的周期。與圖3(a) 相類似，可在非線性晶體1底下安裝一個溫度控制器10。在本發明的第九選擇實施方案中(如圖6(c)所示)，1064nm的雷射13被從波導 型非線性晶體1中分散開。1064nm的光在非線性波導中只通過1次，而生成的532nm SHG 光被一對集成的Bragg光柵2a，3a限制在晶體中。532nm的光在以下的SPDC過程中作為 泵浦光。PPLN波導的晶面上塗有膜2b和3b，均在1064nm(寬帶寬)左右具有高透射率。 1064nm的光通過透鏡14射入波導中。PPLN波導的周期是精心設計的，從而可滿足從1064nm 到532nm範圍內，SHG的QPM條件，即2ω (η2ω_ηω) = 2 Jic/Λ，其中η2ω和ηω分別為2 ω 和ω下的有效折射率，c為光在真空中的速度，A為PPLN的周期。與圖3(a)類似，可在非 線性晶體1底下安裝一個溫度控制器10。在本發明的第十選擇實施方案中(如圖6(d)所示)，1064nm的雷射13被從波導 型非線性晶體1中分散開。1064nm的光在非線性波導中只通過1次，而生成的532nm SHG 光被一對光纖Bragg光柵2a，3a限制在晶體中。532nm的光在以下的SPDC過程中作為泵浦 光。PPLN波導的晶面上塗有膜2b和3b，均在1064nm(寬帶寬)左右具有高透射率。1064nm 的光通過單模光纖15、16和波導之間的直接耦合導入波導。PPLN波導的周期是精心設計 的，從而可滿足從1064nm到532nm範圍內，SHG的QPM條件，即2 ω (η2ω-ηω) = 2 ji c/ Λ，其 中η2ω和^分別為2 ω和ω下的有效折射率，c為光在真空中的速度，A為PPLN的周期。 與圖3(a)類似，可在非線性晶體1底下安裝一個溫度控制器10。上述應用方案描述了摻氧化鎂鈮酸鋰晶體的極化。本發明所描述的方法當然也可 以用於其它鐵電極板材料，如LiTa03、KTP等。上述實施方案在晶體極化過程中採用了金屬電極。當然，採用液體電極和/或金 屬與液體電極相結合的不同方式也能實現均勻的晶體極化。這些配置可以採用與本專利中 明確說明的配置不同的各種方法進行組合。上述實施方案中描述了 1064nm左右寬波帶光的生成。當然，在其他波長下生成的 寬波帶光源，如1310nm等，也可以採用類似的配置來生成。在上述實施方案中，描述了附著於晶體上的加熱元件。當然，採用其他加熱裝置， 如紅外線加熱器等，對晶體的升溫效果應該是類似的。
權利要求
一種鐵電極板晶疇的反轉方法，其中採用了兩個晶體極化步驟，第一步是在電極光柵下方生成均勻的晶疇反轉晶核形成，第二步是在初始晶核形成區域穿過極板厚度形成均勻的深晶疇反轉。
2.權利要求1的第一步極化過程，採用了電暈放電晶體極化法，在電極下方區域生成 晶疇反轉的晶核形成。
3.權利要求1的第二步極化過程，採用了靜電極化法，在初始晶核形成區域內，穿過鐵 電極板的整個厚度區域形成均勻的深晶疇反轉。
4.權利要求2中的電極光柵，是由位於鐵電極板+c面上的金屬形成； 接地。
5.權利要求3中的靜電極化方法，在鐵電極板的-C面上形成了一個面積與+c面上的 電極光柵尺寸相類似的金屬電極，該電極在靜電極化過程中用作第二電極。
6.權利要求3中的靜電極化方法，在鐵電極板的-C面上形成了一個面積與+c面上的 電極光柵尺寸相類似的液體電極，該電極在靜電極化過程中用作第二電極。
7.一套寬波帶光源裝置，其組成如下雷射晶體，可生成波長為Xf的基礎光，為以下的二次諧波產生過程所必需； 光學非線性晶體，用於生成波長為Xf/2的二次諧波光； 泵浦二極體雷射器，波長為λρ;所述第一光學共振腔，可將波長為Xf的光限制在裝有雷射晶體和非線性晶體的共振 腔中；所述第二光學共振腔，可將波長為Xf/2的光限制在非線性晶體中； 所述第一溫度控制器，位於雷射晶體下方，用於控制雷射晶體的溫度； 所述第二溫度控制器，位於非線性晶體下方，用於控制非線性晶體的溫度和使非線性 晶體內波長為Xf/2的光的強度最大化。
8.權利要求7中的第一光學共振腔，其組成如下一個曲面鏡，用作腔內的後鏡，在波長為Xf(寬波帶)左右時，具有高反射率； 一個曲面鏡，用作腔內的前鏡，在波長為Xf(窄波帶)時，具有極高的反射率。
9.權利要求7中的雷射晶體，其組成如下兩個晶面塗有波長為Xf(寬波帶)左右的高透射塗層(或防反射塗層)； 其橫截面直徑大於限制在共振腔中光的光束直徑。
10.權利要求7中的非線性晶體，其組成如下周期性晶疇反轉結構，其周期滿足生成SH光的準相位匹配條件，該二次諧波光的波長 為入乂2，由波長為Af基礎光生成；兩個晶面，該晶面塗有波長為Xf(寬波帶)左右的高透射塗層(或防反射塗層)和波 長為λ f/2的高反射塗層，以形成第二共振腔；其橫截面直徑大於限制在共振腔中的光的光束直徑。
11.權利要求7中的第一光學共振腔，其組成如下第一光纖Bragg光柵，用作共振腔的後鏡，在波長為Xf (寬波帶)左右時具有高反射率；第二光纖Bragg光柵，用作共振腔的前鏡，在波長為Xf (窄波帶)時具有極高的反射率。
12.權利要求11中用來導入光束的裝置，其組成如下 第一透鏡，用於將光從第一光纖Bragg光柵導入雷射晶體； 第二透鏡，用於將光導入非線性晶體；第三透鏡；用於將光從非線性晶體導入第二光纖Bragg光柵。
13.權利要求7中的非線性晶體，其組成如下周期性晶疇反轉波導，其周期滿足生成二次諧波光的準相位匹配條件，該二次諧波光 的波長為Xf/2，由波長為Af基礎光生成；兩個晶面，該晶面塗有波長為Xf(寬波帶)左右的高透射塗層(或防反射塗層)和波 長為λ f/2的高反射塗層，以形成第二共振腔。
14.權利要求7中的非線性晶體，其組成如下周期性晶疇反轉波導，其周期滿足生成二次諧波光的準相位匹配條件，該二次諧波光 的波長為Xf/2，由波長為Af基礎光生成；集成的Bragg光柵，在波長為λ f/2左右時具有高反射率以形成第二共振腔； 兩個塗有高透射塗層(或防反射塗層)的晶面，在波長為Xf(寬波帶)左右時，晶面 具有極高透射率。
15.寬波帶光源裝置，其組成如下泵浦雷射器，可發出波長為Xf的光，為以下第二諧波生成過程所需； 光學非線性晶體，用於生成波長為Xf/2的二次諧波光； 光學共振腔，用於將波長為Xf/2的光限制在腔內； 透鏡，用於將波長為Xf的光導入共振腔內； 溫度控制器，位於非線性晶體下方。
16.權利要求15中的光學共振腔和非線性晶體，其組成如下光學共振腔由一對曲面鏡形成的，其在波長為Xf/2時具有高反射率；以及 非線性晶體具有周期性晶疇反轉結構，其周期滿足生成SH光的準相位匹配條件，該二 次諧波光的波長為λ f/2，由波長為λ f基礎光生成；兩個塗有波長為λ f (寬波帶)左右的高透射塗層(或防反射塗層)的晶面； 非線性晶體的橫截面直徑大於限制在腔中的光的光束直徑。
17.權利要求15中的光學共振腔和非線性晶體，其組成如下周期性晶疇反轉的非線性晶體，具有兩個晶面來以成共振腔，所述兩個晶面塗有在波 長為Xf左右時具有高透射率的塗層(或防反射塗層)，而在波長Xf/2時具有高反射率的 塗層，但在波長Xf左右時具有高透射率的塗層；非線性晶體的周期性晶疇反轉結構滿足生成SH光的準相位匹配條件，該二次諧波光 的波長為Xf/2，由波長為Af基礎光生成；非線性晶體的橫截面直徑大於限制在晶體中的光的光束直徑。
18.權利要求15中的非線性晶體，其組成如下 光學波導；周期性晶疇反轉結構，其周期滿足生成SH光的準相位匹配條件，該二次諧波光的波長為Xf/2，由波長為Af基礎光生成；分別位于波導兩端的兩個集成Bragg光柵，可在Xf/2的波長下反射光以形成共振腔；兩個塗有在波長為Xf(寬波帶)左右時具有高透射塗層(或防反射塗層)的晶面。
19.權利要求15中的第一光學共振腔，其組成如下 兩個用作共振腔鏡的光纖Bragg光柵，在波長為Xf/2時具有高反射率； 非線性波導，具有周期性晶軸反轉結構，非線性波導的周期滿足生成SH光的準相位匹 配條件，該二次諧波光的波長為Xf/2，由波長為Xf基礎光生成。
全文摘要
本發明涉及一種控制晶核形成的方法，該方法可在單疇鐵電極板(例如摻氧化鎂鈮酸鋰的極板)上實現設計的晶疇反轉。該方法包括利用電暈放電法，對帶有指定電極光柵的極板進行第一次極化，形成電極光柵下的淺晶疇反轉(即晶核形成)，緊接著，根據靜電法進行第二次晶體極化，以實現均勻的深晶疇反轉。本發明的另一個目的在於提供一種生成寬波帶光源的方法，該方法採用一種具有周期性晶疇反轉結構的非線性晶體。
文檔編號G02F1/355GK101821665SQ200880101300
公開日2010年9月1日 申請日期2008年7月31日 優先權日2007年7月31日
發明者胡燁 申請人:C2C晶芯科技公司