[实用新型]带有闭环波导结构的周期性极化晶体波导器件及激光器

说明书

本实用新型涉及一种带有闭环波导结构的周期性极化晶体波导器件及激光器，其中，周期性极化晶体波导器件包括波导层和基底层，波导层位于基底层表面上；其中，波导层包含闭环波导和耦合波导，耦合波导为开环结构，闭环波导为闭环结构，耦合波导和闭环波导中形成周期性极化结构；所述耦合波导和闭环波导相交，或者，所述耦合波导和闭环波导不相交，两者最近边缘间距小于1um。本实用新型提出的带有闭环波导结构的周期性极化晶体波导器件能够在有限的块状晶体中增加非线性作用长度，从而提高晶体器件的非线性转换效率，此外还能降低出光阈值，压窄线宽，提高转换效率，实现高功率输出，减小激光光源整体结构尺寸，同时能实现波长宽可调谐输出。

技术领域

本实用新型属于激光技术领域，具体涉及一种带有闭环波导结构的周期性极化晶体波导器件及激光器。

背景技术

三波混频是参量作用过程。在参量作用中，按照输入光波和输出光波的频率关系分为频率上转换(和频、倍频)和频率下转换(差频)、参量放大(OPA)和参量振荡(OPO)。三波混频一般由泵浦激光器、非线性晶体、光学谐振腔等器件组成。自由运转时，当泵浦光强超过阈值时，非线性晶体中的三波混频过程，在光学谐振腔的选频作用下，实现激光输出，并在一定程度下与泵浦光强呈线性增长。但由于非线性转换所要求的强电场容易引起非线性晶体的损伤，其发展一度受到限制。虽然随着准相位匹配技术，晶体的掺杂制备工艺和周期性畴极化反转制备工艺的不断成熟，使三波混频技术有了很大发展。

准相位匹配(QPM)技术通过对晶体非线性系数的周期性调制，引入额外的相位，来补偿折射率色散造成相互作用光波之间的相位失配，以获得非线性光学效应的增强。这在三波混频中获得极大的应用。该技术有如下优点：1.能最大限度地利用晶体的非线性系数，非线性转换效率高；2.准相位匹配理论上可利用晶体的全部通光范围；3.调谐方式简单多样，如通过在非线性晶体中设计制备出各种不同周期的畴反转，利用温度调谐，角度调谐，外场调谐(电场、磁场)或者泵浦波长调谐就能十分简单地实现输出光波长的可调谐；4.允许设计成非临界相位匹配；5.可避免走离效应的产生。

非线性晶体是实现三波混频，产生可调谐相干光源的重要材料。常见的非线性晶体有BBO、 LBO、KTA、KTP、ZGP等。从90年代中期开始，由于LiNbO₃(LN)晶体具有良好的物理机械性能、较高的非线性光学系数、透光范围宽、透过率高等优良特性，已成为集成光学最常用的无机介电晶体材料。特别是，采用周期极化技术制备的MgO:PPLN晶体，不仅有效地利用其最大的非线性系数d33，还大大提高抗激光损伤阈值，使之在大功率可调谐相干输出方面的应用发展迅速。当下，应用较多的是采用1μm激光器作为泵浦源，通过合理选择晶体的极化周期，利用光参量振荡技术实现中红外激光输出，并可以通过改变泵浦波长、极化周期、工作温度等多种调谐的方式改变输出波长。

对基于块状晶体的非线性频率变换而言，由于光斑尺寸与晶体长度之间存在制约，这使得激光转换效率较低。由描述非线性频率变换的耦合模理论可知，参与非线性作用的激光光斑尺寸及其模场耦合系数是影响激光频率转换效率的关键因素。若将晶体做成波导结构，波导的模式效应将激光光束约束在截面积很小的区域内传输，可极大地提高光功率密度和光场的耦合系数，相应的激光频率转换效率比采用块状晶体可高几个数量级。目前的PPLN波导从结构角度主要分为掩埋波导和脊形波导两类：掩埋波导在制备过程中主要是基于金属离子，如Ti、Ni、 Zn等的扩散法或退火质子交换法(APE)，通过离子交换和高温退火使PPLN晶体中局部区域折射率升高，从而形成掩埋条形波导。但是，由于掩埋波导与衬底的折射率对比度低，对激光光束的约束能力较弱，相应的非线性光频转换效率受到了一定的限制。与前者不同，脊形波导由于除波导衬底侧之外的表面直接与空气接触，具有较大的折射率差，对激光光束的约束能力较强，可有效提高激光变频效率。