周期極化微結構超短脈沖倍頻的理論和實驗研究.pdf

1、自激光誕生以來，激光的非線性頻率轉換技術一直就是人們研究的熱點，基于周期極化晶體的準相位匹配技術是拓寬激光可調諧波長的最常用、最有效的方法之一。準相位匹配倍頻(Quasi-phase Matching-Second HarmonicGeneration，簡稱QPM-SHG)技術在光子學微結構晶體材料和波導材料中得到了廣泛的應用，尤其近年來采用微結構波導QPM-SHG實現(xiàn)超短脈沖光纖光源的方案，表現(xiàn)出巨大的發(fā)展應用前景。
　　 飛

2、秒激光以其超短超強特性，在許多方面得到了廣泛應用，尤其是與顯微技術的結合，開創(chuàng)了激光微細加工的新時代。將飛秒激光聚焦到透明介電材料表面下一定深度，在光束焦點空間內材料對飛秒脈沖的非線性吸收會導致材料結構變化，從而引起局部折射率的變化。在合適的加工參量條件下，移動樣品內激光焦點的位置就可以方便地刻寫出三維光波導。飛秒激光刻寫三維波導結構的工藝簡單，被公認為是一種新興、高效的波導制作技術。
　　 本文結合課題組承擔的基金項目以及實驗

3、室條件，主要在超短脈沖的頻率變換和飛秒激光微細加工鐵電晶體光波導方面進行了較深入的研究，主要內容如下：
　　 1.準相位匹配倍頻和KTP晶體疇反轉工藝的研究
　　 由描述光波與物質相互作用的麥克斯韋方程組出發(fā)，推導出了準相位匹配二次諧波的強度和倍頻轉化效率的表達式，理論分析了周期極化非線性晶體的極化反轉光柵周期、晶體溫度、基頻光波長的調諧與容差特性。
　　 從晶體的前期預處理、極化電極的制作、極化過程的實時監(jiān)控、

4、極化質量的評價等方面，分析了影響晶體周期極化疇反轉質量的因素，探索了極化反轉的優(yōu)化工藝參數(shù)。在2.8 kV的高壓電場作用下，實現(xiàn)了KTP晶體周期極化疇反轉，成功制備了占空比接近50％的周期極化KTP晶體。
　　 2.準相位匹配二次諧波產生的實驗研究
　　 將鉺鐿共摻光纖激光系統(tǒng)和PPLN晶體相結合，在倍頻波長775.9 nm處獲得了90.6 mW的高效率連續(xù)激光輸出，波長調諧帶寬約2.1 nm，相位匹配的溫度調諧范圍為1

5、50.6±1.7℃；將鉺鐿共摻鎖模光纖激光系統(tǒng)和PPLN晶體相結合，在諧波波長775.4 Bin，實現(xiàn)了150 mW的ps量級脈沖激光輸出，波長調諧帶寬為2 nm，相位匹配的溫度為150℃，溫度調諧帶寬為1.8℃。
　　 用重復頻率10 Hz、脈寬5 ns的電光調Q Nd：YAG激光器作為基頻光源，用PPKTP晶體進行倍頻，獲得的波長調諧帶寬約1.2 nm，二次諧波脈沖最大展寬為26.6 ns，倍頻轉換效率約26.1％。用熱效應

6、解釋了準相位匹配波長的微小偏移。
　　 3.超短脈沖在準相位匹配晶體中傳輸特性的研究
　　 建立了超短脈沖在準相位匹配晶體中傳輸?shù)奈锢砟Ｐ?，運用分步傅立葉方法對非線性傳輸方程進行數(shù)值求解，分析討論了基頻光波和二次諧波的群速度失配、群速度色散、自相位調制以及自聚焦效應等對光脈沖的時域和頻域特性以及倍頻轉化效率的影響，數(shù)值計算結果優(yōu)化了倍頻系統(tǒng)的設計參數(shù)。
　　 4.飛秒激光刻寫LN晶體光波導的理論和實驗研究

7、　　 介紹了飛秒激光與透明介質相互作用過程中產生的多光子電離、雪崩電離以及激光誘導等離子體產生等現(xiàn)象。研究了飛秒激光在透明介質中引起的自聚焦以及自發(fā)多點自聚焦現(xiàn)象，指出利用產生的多焦點現(xiàn)象可以進行激光并行加工。比較了長脈沖和飛秒脈沖激光在透明材料中的傳輸特性以及不同的材料損傷機理。最后利用飛秒激光的特征優(yōu)勢，進行了LN晶體光波導刻寫的實驗研究，探索了激光加工的參量如激光脈沖能量和激光掃描速度對刻寫通道深度、寬度的影響，對比測量了飛秒刻

8、寫通道和晶體的光傳輸損耗，結果表明所刻寫的激光通道在1550 nm波段具有良好的波導特性；探討了飛秒激光在透明晶體中刻寫光波導的機理，激光誘導了Li+的外擴散引起局部折射率的增加。
　　 5.飛秒激光刻寫PPLN和PPKTP晶體光波導的倍頻實驗研究
　　 研究了飛秒激光刻寫周期極化微結構光波導的倍頻效應。將鉺鐿共摻ps光纖光源與飛秒刻寫的PPLN微結構光波導相結合，在1.550 nm波段，獲得了230mW的二次諧波輸出，

9、倍頻轉換效率為34.8％；將摻鈦藍寶石激光器和OPA組成的fs激光系統(tǒng)與飛秒激光刻寫的PPLN微結構光波導相結合，在1550 nm波段，獲得了最大功率為2.26 mW的倍頻光輸出，相應的諧波轉化效率約為8％，光斑呈現(xiàn)良好的單模特性，數(shù)值模擬結果與實驗相一致。低重復頻率的電光調O Nd：YAG激光器作為基頻光源，用飛秒激光刻寫的PPKTP光波導倍頻，獲得了倍頻脈沖能量為1.26μJ，最大轉換效率為39.6％，高于PPKTP晶體倍頻的效率2