王 玨 涂成厚 張雙根 呂福云

(南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院,天津 300071)

基于飛秒激光寫制波導(dǎo)的PPKTP晶體倍頻實(shí)驗(yàn)研究＊

王 玨 涂成厚 張雙根 呂福云?

(南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院,天津 300071)

(2008年11月1日收到;2009年4月9日收到修改稿)

在PPKTP晶體上進(jìn)行了飛秒激光刻寫波導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)研究,優(yōu)化了c-切PPKTP晶體中寫制二型波導(dǎo)的工藝參數(shù).當(dāng)波導(dǎo)長度為10 mm,寬度為14.5μm,準(zhǔn)相位匹配波長為1064 nm時(shí),實(shí)現(xiàn)了單模傳輸.利用該波導(dǎo)對(duì)調(diào)Q Nd:Y AG激光進(jìn)行了準(zhǔn)相位匹配倍頻實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)的二次諧波轉(zhuǎn)換效率為39.8%.

飛秒激光,PPKTP,光波導(dǎo)

PACC:4262A,4280L,4265K

1.引言

利用非線性晶體實(shí)現(xiàn)激光頻率變換一直是擴(kuò)展激光波段的有效方法[1].用非線性晶體微結(jié)構(gòu)波導(dǎo)進(jìn)行激光倍頻時(shí),波導(dǎo)對(duì)光束具有較強(qiáng)的約束,基頻光和二次諧波被限制在波導(dǎo)內(nèi)耦合和傳輸,因此能夠提高倍頻轉(zhuǎn)換效率,獲得高質(zhì)量的倍頻激光.鈦擴(kuò)散法和質(zhì)子交換法能夠制備低損耗、高質(zhì)量的光波導(dǎo),但是它們只能制備靠近基底表面的二維波導(dǎo),且制作工藝比較復(fù)雜.隨著飛秒激光的發(fā)展,上述缺陷將逐漸被克服.飛秒激光是一種峰值功率極高、脈寬極窄(10-15s)的超短脈沖激光.由于飛秒激光脈沖持續(xù)時(shí)間極短,激光輻照區(qū)域淀積的能量難以通過熱輻射途徑逸出輻照區(qū)域,激光能量得到有效利用. 1996年,Davis等人報(bào)道了聚焦飛秒激光可誘導(dǎo)透明介質(zhì)內(nèi)折射率的增加,并且利用飛秒激光的這種特性加工出微光波導(dǎo)[2].在過去的10年間,研究人員深入探討了飛秒激光微結(jié)構(gòu)加工的可能性,發(fā)展了飛秒激光微結(jié)構(gòu)加工技術(shù),使之日趨成熟.飛秒激光在金屬、陶瓷等不透明材料及晶體、玻璃、聚合物等透明材料中均可直接寫入微結(jié)構(gòu).1999年,Homoelle等人使用紅外飛秒激光在硅玻璃上制作了波導(dǎo)結(jié)構(gòu),并由此制作出了Y形耦合器[3].2002年,Cerullo等人利用紅外散射飛秒激光光束,通過控制光束束腰和焦點(diǎn)位置在摻鉺和摻鐿的玻璃上制作出了波長為1.5μm的單模波導(dǎo)[4].同年,Matthias Will等人在硅玻璃上制作了波長為514 nm和1.5μm的波導(dǎo)[5].2004年,Gui等人使用摻鈦藍(lán)寶石激光器(150 fs,1 kHz)在LN晶體上制作了3μm寬的波導(dǎo)[6], 2005年,Thomson等人使用摻鈦藍(lán)寶石激光器(520 fs,5 kHz)在LN晶體上分別制作了Ⅰ型和Ⅱ型波導(dǎo)[7].對(duì)于在PPKTP晶體上刻寫波導(dǎo),國內(nèi)還未見到這方面的相關(guān)研究.

在晶體中寫制光波導(dǎo),一般有兩種刻寫方式:Ⅰ型刻寫和Ⅱ型刻寫.對(duì)于Ⅰ型刻寫,導(dǎo)波區(qū)域?yàn)轱w秒激光聚焦的區(qū)域,此類型波導(dǎo)的熱穩(wěn)定性很難控制,尤其是在入射光能量較高的情況下.Ⅱ型刻寫能夠克服這個(gè)缺點(diǎn),其波導(dǎo)區(qū)域在兩個(gè)飛秒激光聚焦區(qū)域的中間(即導(dǎo)波區(qū)為晶體材料,其折射率高于飛秒激光刻寫區(qū)的折射率),由于沒有飛秒激光干擾,其熱穩(wěn)定性較好.

在本文中,我們使用緊聚焦飛秒激光脈沖,在c-切PPKTP晶體中寫制了10 mm長的Ⅱ型波導(dǎo),當(dāng)波導(dǎo)寬度為14.5μm時(shí),實(shí)現(xiàn)了光波在波導(dǎo)中的單模傳輸.使用PPKTP波導(dǎo)對(duì)電光調(diào)Q Nd:Y AG激光進(jìn)行了有效的倍頻.在室溫下,當(dāng)入射波長為1064 nm時(shí),獲得的二次諧波轉(zhuǎn)換效率高達(dá)39.8%.

2.波導(dǎo)刻寫實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中所用摻鈦藍(lán)寶石飛秒激光器(HP-Spitfire,Spectr-Physics Inc.)輸出的飛秒脈沖中心波長為800 nm,重復(fù)頻率為1 kHz,脈沖寬度為50 fs,脈沖的峰值能量為2 mJ.圖1為刻寫示意圖,刻寫時(shí)樣品置于二維機(jī)械平臺(tái)上,運(yùn)動(dòng)速度為200μm/s,運(yùn)動(dòng)方向垂直于Z軸.實(shí)驗(yàn)中選用25倍顯微物鏡(NA= 0.4)直接將激光聚焦在樣品表面以下約200μm處,并使用一個(gè)CCD攝像頭(K A-320)監(jiān)視刻寫過程.實(shí)驗(yàn)使用的PPKTP晶體,長10 mm,厚1 mm,準(zhǔn)相位匹配周期為9.0μm.為了刻寫熱穩(wěn)定、單模傳輸?shù)蘑蛐筒▽?dǎo),我們沿X軸方向?qū)PKTP晶體連續(xù)刻寫了兩條間隔14.5μm的線條.同時(shí),利用可調(diào)諧衰減器,將脈沖能量調(diào)節(jié)到大約100μJ,從而達(dá)到刻寫波導(dǎo)的最佳能量值.

圖1 波導(dǎo)刻寫示意圖

3.倍頻實(shí)驗(yàn)研究

KTP晶體具有很高的光損傷閾值,在室溫下運(yùn)行光折變效應(yīng)不明顯,矯頑場電壓僅為LN的1/10,較容易極化反轉(zhuǎn)較大厚度的晶體,適合在高功率、大孔徑激光系統(tǒng)中應(yīng)用.

圖2 使用PPKTP波導(dǎo)倍頻示意圖(插圖為波導(dǎo)端面的顯微圖樣)

實(shí)驗(yàn)使用的PPKTP晶體是由外加極化電場法制成的[8].我們對(duì)晶體的兩個(gè)端面進(jìn)行了拋光處理并鍍上對(duì)532 nm高透的薄膜.利用PPKTP波導(dǎo)進(jìn)行倍頻實(shí)驗(yàn)的過程如圖2所示.使用調(diào)Q Nd:Y AG激光器(Continuum Surelite II-10)作為基頻光源,輸出激光的脈沖寬度為5 ns,重復(fù)頻率為10 Hz,中心波長為1064 nm.通過空間濾波器,得到光脈沖的空域圖形近似于高斯型.使用兩塊格蘭棱鏡(G lan prism)進(jìn)行偏振選擇和衰減光能量的作用.M1和M2為光衰減器,也起到衰減光能量的作用.將Z方向偏振光通過10倍顯微物鏡(NA=0.25)耦合到波導(dǎo)內(nèi).在準(zhǔn)直透鏡后,放置一濾波器,將99.5%的基頻光反射,并通過90%的倍頻光.最后用光功率計(jì)、光譜儀、光探測器和示波器測量倍頻光.

使用高分辨率光譜儀(Ocean Optics)測量的二次諧波光譜圖像,如圖3所示.光譜半強(qiáng)度全寬為1.2 nm,波形的非對(duì)稱性是由于脈沖在波導(dǎo)中傳輸過程中的色散和非線性效應(yīng)造成的.為了觀測該寫制波導(dǎo)的傳輸特性,將基頻光耦合到波導(dǎo)內(nèi),倍頻激光經(jīng)過10倍的顯微物鏡(NA=0.25)擴(kuò)束.用相機(jī)觀測到的倍頻光近場圖樣,如圖3插圖所示.通過我們的實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),只有Z方向的偏振光可以在該波導(dǎo)中傳輸.的最大轉(zhuǎn)換效率為39.8%.

圖3 使用1064nm基頻光抽運(yùn)的二次諧波光譜圖像(插圖為二次諧波的近場圖樣)

圖4 經(jīng)過波導(dǎo)后的二次諧波與抽運(yùn)波的光譜圖像

圖5 二次諧波脈沖能量隨基頻光能量變化曲線,以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率

雖然我們使用了一個(gè)顯微物鏡以確保激光與波導(dǎo)的準(zhǔn)確耦合,但是仍然還有部分基頻光沒有進(jìn)入波導(dǎo)而被損耗掉.將濾波器移開之后,使用光譜儀可以同時(shí)觀測到二次諧波和基頻波的光譜圖像.經(jīng)過波導(dǎo)后剩余的基頻光光譜強(qiáng)度小于倍頻光的三分之一,如圖4所示.因此可以得出,耦合到波導(dǎo)中的基頻光已經(jīng)有效的轉(zhuǎn)換為二次諧波輸出.

在分離了基頻光后,測得的二次諧波脈沖能量和倍頻轉(zhuǎn)換效率隨入射基頻光脈沖能量的變化,如圖5所示.當(dāng)入射光波長為1064 nm時(shí),產(chǎn)生的二次諧波能量與基頻光的能量近似成線性關(guān)系,當(dāng)入射光為317.76μJ時(shí),二次諧波能量為126.4μJ,得到

4.結(jié)果與討論

本文對(duì)飛秒激光在PPKTP晶體上刻寫波導(dǎo)進(jìn)行了初步探索.首先,使用飛秒激光刻寫光波導(dǎo),要確定KTP晶體的損傷閾值,當(dāng)激光的脈沖能量超過晶體的損傷閾值時(shí),刻寫的通道沒有波導(dǎo)特性,同時(shí)晶體會(huì)受到不同程度的損傷.實(shí)驗(yàn)所用的激光脈沖能量為20—200μJ,樣品移動(dòng)速度為100—300μm/s.綜合考慮激光脈沖能量、掃描速度和激光聚焦光斑的大小,則激光強(qiáng)度在8—800 kW/cm2之間變化.實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),激光脈沖能量在100μJ左右,掃描速度在200μm/s時(shí)刻寫的通道具有較好的波導(dǎo)特性.

其次,實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),波導(dǎo)區(qū)域的大小和均勻性主要取決于飛秒激光脈沖的能量和晶體的移動(dòng)速率,采用較低的激光功率和移動(dòng)速度可以獲得較好的刻寫效果.由于飛秒激光峰值功率極高,受自聚焦、色散等因素的影響,能量在空間上分布不均勻,使焦點(diǎn)處產(chǎn)生的改性區(qū)域不對(duì)稱,其橫截面底部較寬,而且其折射率的變化在同一截面的不同位置處分布也不一樣.在實(shí)驗(yàn)中,我們通過改變激光功率、透鏡數(shù)值孔徑等參數(shù),優(yōu)化了改性區(qū)域的橫截面形狀.使用摻鈦藍(lán)寶石飛秒激光器,沿X軸方向?qū)PKTP連續(xù)刻寫了兩條間隔14.5μm的線條,當(dāng)脈沖能量為100μJ時(shí),制備的光波導(dǎo)效果最好.實(shí)驗(yàn)成功寫制了熱穩(wěn)定性良好的Ⅱ型波導(dǎo),并實(shí)現(xiàn)了單模傳輸.隨后,用Nd:Y AG調(diào)Q激光器作為基頻光源,進(jìn)行了飛秒激光刻寫PPKTP波導(dǎo)的倍頻實(shí)驗(yàn),在室溫下,獲得的532nm短脈沖倍頻激光的二次諧波轉(zhuǎn)換效率為39.8%.我們將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與未刻寫波導(dǎo)的PPKTP晶體進(jìn)行比較:相同條件下倍頻效率從26%升至39.8%,其效率提高了53%.并且,趨于發(fā)散的光斑模式得到有效的改善.規(guī)則的光斑近場分布,有利于波導(dǎo)與光纖的直接耦合.

這些研究表明利用飛秒激光在透明材料進(jìn)行三維微制備的技術(shù)在微電子、微光學(xué)、光通信和生物醫(yī)學(xué)等高技術(shù)領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的應(yīng)用前景.

感謝天津大學(xué)的于建老師提供了性能良好的PPKTP晶體.

[1]Chen YL,Yuan J W,Yan W G,Zhou B B,LuoY F,Guo J 2005 Acta Phys.Sin.54 2079(in Chinese)[陳云琳、袁建偉、閆衛(wèi)國、周斌斌、羅勇鋒、郭 娟2005物理學(xué)報(bào)54 2079]

[2]Davis KM,Miura K,Sugimoto N,Hirao K 1996Opt.Lett.21 1729

[3]Homoelle D,Wielandy S,Gaeta A L,Borrelli N F,Smith C 1999 Opt.Lett.24 1311

[4]Cerullo G,Osellame R,Taccheo S,Marangoni M,Polli D, Ramponi R,Laporta P,De Silvestri S 2002Opt.Lett.27 1938

[5]Matthias Will,Stefan Nolte,BorisN Chichkovet al2002App.Opt. 41 4360

[6]Gui L,Xu B,Chong T C 2004IEEE Photonics Technol.Lett.16 1337

[7]Thomson R R,Campbell S,Blewettet IJ,Kar A K,Reid D T2006 Appl.Phys.Lett.88 111109

[8]Yamada M,Nada N,Saitoh M,Watanabe K 1993Appl.Phys. Lett.62 435

PACC:4262A,4280L,4265K

Experimental research on frequency doubling in periodically poled KTiOPO4waveguide fabricated by femtosecond laser＊

Wang Jue Tu Cheng-Hou Zhang Shuang-Gen LüFu-Yun?
(College of Physical Science,Nankai University,Tianjin 300071,China)

1 November 2008;revised manuscript

9 April 2009)

We present in this paper the fabrication and characterization of type II waveguide inc-cut periodically poled KTiOPO4crystal.The waveguide was fabricated by using a femtosecond laser,and the fabrication process was optimized.In our experiments single mode propagation was observed at optimal waveguide width of 14.5μm and quasi-phase matching wavelength of 1064 nm.The second-harmonic conversion efficiency of 39.8%can be achieved.

femtosecond laser,PPKTP,waveguide

＊國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):60677013)和高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(批準(zhǔn)號(hào):20060055021)資助的課題.

?E-mail:lufy@nankai.edu.cn

＊Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.60677013)and the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China(Grant No.20060055021).

?E-mail:lufy@nankai.edu.cn