基于飛秒激光寫制波導的PPKTP晶體倍頻實驗研究＊

王 玨 涂成厚 張雙根 呂福云

(南開大學物理科學學院,天津 300071)

基于飛秒激光寫制波導的PPKTP晶體倍頻實驗研究＊

王 玨 涂成厚 張雙根 呂福云?

(南開大學物理科學學院,天津 300071)

(2008年11月1日收到;2009年4月9日收到修改稿)

在PPKTP晶體上進行了飛秒激光刻寫波導的實驗研究,優化了c-切PPKTP晶體中寫制二型波導的工藝參數.當波導長度為10 mm,寬度為14.5μm,準相位匹配波長為1064 nm時,實現了單模傳輸.利用該波導對調Q Nd:Y AG激光進行了準相位匹配倍頻實驗,實現的二次諧波轉換效率為39.8%.

飛秒激光,PPKTP,光波導

PACC:4262A,4280L,4265K

1.引言

利用非線性晶體實現激光頻率變換一直是擴展激光波段的有效方法[1].用非線性晶體微結構波導進行激光倍頻時,波導對光束具有較強的約束,基頻光和二次諧波被限制在波導內耦合和傳輸,因此能夠提高倍頻轉換效率,獲得高質量的倍頻激光.鈦擴散法和質子交換法能夠制備低損耗、高質量的光波導,但是它們只能制備靠近基底表面的二維波導,且制作工藝比較復雜.隨著飛秒激光的發展,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時間極短,激光輻照區域淀積的能量難以通過熱輻射途徑逸出輻照區域,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透明介質內折射率的增加,并且利用飛秒激光的這種特性加工出微光波導[2].在過去的10年間,研究人員深入探討了飛秒激光微結構加工的可能性,發展了飛秒激光微結構加工技術,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構.1999年,Homoelle等人使用紅外飛秒激光在硅玻璃上制作了波導結構,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[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[5].2004年,Gui等人使用摻鈦藍寶石激光器(150 fs,1 kHz)在LN晶體上制作了3μm寬的波導[6], 2005年,Thomson等人使用摻鈦藍寶石激光器(520 fs,5 kHz)在LN晶體上分別制作了Ⅰ型和Ⅱ型波導[7].對于在PPKTP晶體上刻寫波導,國內還未見到這方面的相關研究.

在晶體中寫制光波導,一般有兩種刻寫方式:Ⅰ型刻寫和Ⅱ型刻寫.對于Ⅰ型刻寫,導波區域為飛秒激光聚焦的區域,此類型波導的熱穩定性很難控制,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,其波導區域在兩個飛秒激光聚焦區域的中間(即導波區為晶體材料,其折射率高于飛秒激光刻寫區的折射率),由于沒有飛秒激光干擾,其熱穩定性較好.

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,當波導寬度為14.5μm時,實現了光波在波導中的單模傳輸.使用PPKTP波導對電光調Q Nd:Y AG激光進行了有效的倍頻.在室溫下,當入射波長為1064 nm時,獲得的二次諧波轉換效率高達39.8%.

2.波導刻寫實驗裝置

實驗中所用摻鈦藍寶石飛秒激光器(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械平臺上,運動速度為200μm/s,運動方向垂直于Z軸.實驗中選用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)監視刻寫過程.實驗使用的PPKTP晶體,長10 mm,厚1 mm,準相位匹配周期為9.0μm.為了刻寫熱穩定、單模傳輸的Ⅱ型波導,我們沿X軸方向對PPKTP晶體連續刻寫了兩條間隔14.5μm的線條.同時,利用可調諧衰減器,將脈沖能量調節到大約100μJ,從而達到刻寫波導的最佳能量值.

圖1 波導刻寫示意圖

3.倍頻實驗研究

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

圖2 使用PPKTP波導倍頻示意圖(插圖為波導端面的顯微圖樣)

實驗使用的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行了拋光處理并鍍上對532 nm高透的薄膜.利用PPKTP波導進行倍頻實驗的過程如圖2所示.使用調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)耦合到波導內.在準直透鏡后,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、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.光譜半強度全寬為1.2 nm,波形的非對稱性是由于脈沖在波導中傳輸過程中的色散和非線性效應造成的.為了觀測該寫制波導的傳輸特性,將基頻光耦合到波導內,倍頻激光經過10倍的顯微物鏡(NA=0.25)擴束.用相機觀測到的倍頻光近場圖樣,如圖3插圖所示.通過我們的實驗可以發現,只有Z方向的偏振光可以在該波導中傳輸.的最大轉換效率為39.8%.

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

圖4 經過波導后的二次諧波與抽運波的光譜圖像

圖5 二次諧波脈沖能量隨基頻光能量變化曲線,以及相應的轉換效率

雖然我們使用了一個顯微物鏡以確保激光與波導的準確耦合,但是仍然還有部分基頻光沒有進入波導而被損耗掉.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.經過波導后剩余的基頻光光譜強度小于倍頻光的三分之一,如圖4所示.因此可以得出,耦合到波導中的基頻光已經有效的轉換為二次諧波輸出.

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

4.結果與討論

本文對飛秒激光在PPKTP晶體上刻寫波導進行了初步探索.首先,使用飛秒激光刻寫光波導,要確定KTP晶體的損傷閾值,當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特性,同時晶體會受到不同程度的損傷.實驗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,則激光強度在8—800 kW/cm2之間變化.實驗中發現,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特性.

其次,實驗中發現,波導區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,使焦點處產生的改性區域不對稱,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.在實驗中,我們通過改變激光功率、透鏡數值孔徑等參數,優化了改性區域的橫截面形狀.使用摻鈦藍寶石飛秒激光器,沿X軸方向對PPKTP連續刻寫了兩條間隔14.5μm的線條,當脈沖能量為100μJ時,制備的光波導效果最好.實驗成功寫制了熱穩定性良好的Ⅱ型波導,并實現了單模傳輸.隨后,用Nd:Y AG調Q激光器作為基頻光源,進行了飛秒激光刻寫PPKTP波導的倍頻實驗,在室溫下,獲得的532nm短脈沖倍頻激光的二次諧波轉換效率為39.8%.我們將實驗結果與未刻寫波導的PPKTP晶體進行比較:相同條件下倍頻效率從26%升至39.8%,其效率提高了53%.并且,趨于發散的光斑模式得到有效的改善.規則的光斑近場分布,有利于波導與光纖的直接耦合.

這些研究表明利用飛秒激光在透明材料進行三維微制備的技術在微電子、微光學、光通信和生物醫學等高技術領域將有廣闊的應用前景.

感謝天津大學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、閆衛國、周斌斌、羅勇鋒、郭 娟2005物理學報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

＊國家自然科學基金(批準號:60677013)和高等學校博士學科點專項科研基金(批準號: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