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,實(shí)現(xiàn)了單模傳輸.利用該波導(dǎo)對調(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,波導(dǎo)對光束具有較強(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缺點(diǎn),其波導(dǎo)區(qū)域在兩個飛秒激光聚焦區(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,實(shí)現(xiàn)了光波在波導(dǎo)中的單模傳輸.使用PPKTP波導(dǎo)對電光調(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,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,刻寫時樣品置于二維機(jī)械平臺上,運(yùn)動速度為200μm/s,運(yùn)動方向垂直于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,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].我們對晶體的兩個端面進(jìn)行了拋光處理并鍍上對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,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,二次諧波能量為126.4μJ,得到

4.結(jié)果與討論

本文對飛秒激光在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,刻寫的通道沒有波導(dǎo)特性,同時晶體會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速率,采用較低的激光功率和移動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,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: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: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