CN100403605C - 一种连续光束线性材料光子晶体倍频器 - Google Patents

Abstract

连续光束线性材料光子晶体倍频器，由光波入射口(1)、出射口(4)、金属外壳(2)、内部晶体(3)和基板(5)组成，其特征在于：内部晶体(3)由圆形空气孔光子晶体(6)、空气波导(10)、光栅(7)、圆形介质柱(9)、圆形介质柱光子晶体(8)组成，空气孔光子晶体(6)和介质柱光子晶体(8)具有不同的带隙结构，空气波导(10)的内侧有周期一致的光栅(7)，空气波导(10)之间有圆形介质柱(9)隔开，光栅(7)、圆形介质柱(9)、圆形介质柱光子晶体(8)以及基底材料(11)均为同一种非磁性线性材料，入射波和出射波均为连续激光。本发明利用线性材料的电四极极化效应在光子晶体中有显著增强来实现激光倍频，结构设计灵活，可以实现很宽波段的波长转换，制作工艺简单、适用范围广、损耗低、转换效率高、容易在微系统中集成。

Description

一种连续光束线性材料光子晶体倍频器

技术领域

本发明涉及一种光子晶体倍频器，特别是一种连续光束线性材料激光倍频器，属于激光频率转换技术领域。

背景技术

激光是极其重要的光源，在军事、科研、以及日常生活中发挥着日益广泛的作用。然而，目前常用的激光器其波长大多在近红外范围，这显然满足不了需要，比如军事上需要的中红外激光、天文研究中需要的远红外激光、医学研究中需要的X光激光等。要想产生其他波段范围的激光，目前常用的技术手段有激光倍频、混频、和频、差频等，其中尤以激光倍频为最多。现有的激光倍频器通常都是采用非线性材料来制作，其显著的缺点在于非线性材料的种类很少，而一种非线性材料只能针对某一特定波长才起作用，因此就是在可见光波段也还没有实现激光频率的完全覆盖。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：克服上述激光倍频器的不足，提供一种采用线性材料制作、设计灵活性很大、激光频率覆盖范围大大提高、且具有高转换效率的连续光束线性材料激光倍频器。

本发明的技术解决方案是：一种线性材料光子晶体倍频器，由光波入射口、出射口、金属外壳、内部晶体和基板组成，其特征在于：内部晶体由空气孔光子晶体、空气波导、光栅、圆形介质柱、介质柱光子晶体组成，空气孔光子晶体和介质柱光子晶体具有不同的带隙结构，空气波导的内侧有周期一致的光栅，空气波导之间有圆形介质柱隔开，空气孔光子晶体、光栅、圆形介质柱、介质柱光子晶体以及基底材料均为同一种对于入射光波和出射光波而言是低损耗的非磁性线性材料。

所述的线性材料光子晶体倍频器中的空气孔光子晶体和介质柱光子晶体位置可以互换，入射波长对应的真空频率位于空气孔光子晶体的光子带隙的频率上边缘和介质柱光子晶体的光子带隙的频率下边缘，或位于空气孔光子晶体的光子带隙的频率下边缘和介质柱光子晶体的光子带隙的频率上边缘。

所述的线性材料光子晶体倍频器中的空气孔光子晶体的周期为0.3～0.5倍入射波长，占空比0.7～0.95；介质柱光子晶体的周期为0.2～0.4倍入射波长，占空比0.2～0.6。光子晶体的晶胞可为正方形、正三角形、六边形三种。

所述的线性材料光子晶体倍频器中的空气波导宽度为0.4～0.7倍入射波长，其内侧的光栅宽度为0.1～0.5倍波长，紧贴于空气波导壁上。周期由下式决定：

$\mathrm{\Λ}=\frac{c}{2f_0}\·\frac{1}{n\left(2f_0\right)-n\left(f_0\right)}$

其中，f₀为入射波频率，c为光速，n为材料的折射率。

所述的线性材料光子晶体倍频器中的空气波导间的圆形介质柱为两排，周期排布，对齐排列或错开半个周期，周期为0.2～0.4倍入射波长，占空比0.2～0.6。

本发明与现有倍频器相比有如下优点：

1.采用线性材料制作，可供选择的材料种类众多，可以克服现有倍频器对特定波长只能选择一种材料，而且损耗较大的不足；

2.可以设计针对宽波段的任一特定波长的倍频器，具有很大的灵活性，大大提高激光频率的覆盖范围；

3.由于是在同一种材料上制作完成，而且尺寸可以做到毫米量级，因此很有利于与其他微系统的集成，而且加工工艺相对简单；

4.充分利用了光子晶体的光子带隙的特性，使光波在空气波导中传播时几乎无损耗，转换效率高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明实施例1内部晶体H-H剖面结构示意图；

图3为本发明实施例2内部晶体H-H剖面结构示意图；

图4为本发明实施例3内部晶体H-H剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明由光波入射口1、出射口4、金属外壳2、内部晶体3和基板5组成，需要倍频的激光从入射口1射入，经内部晶体3倍频，倍频后的激光从出射口4输出。

如图2所示是本发明实施例1内部晶体3的H-H剖面结构示意图，由圆形空气孔光子晶体6、空气波导10、光栅7、圆形介质柱9、圆形介质柱光子晶体8组成，晶胞均为正方形结构，圆形介质柱9对齐排列。圆形空气孔光子晶体6、光栅7、圆形介质柱9、圆形介质柱光子晶体8以及基底材料11为石英或钛酸钡或硅或锗。当材料为石英时是一1.06μm连续光束正方形晶胞光子晶体倍频器，入射波为铷玻璃(Q开关)Nd₃激光器输出的1.06μm连续近红外光，输出为0.53μm连续绿光。

Nd₃激光器输出的1.06μm连续近红外光被准直扩束后，形成一束均匀平面波，该平面波经过一起偏器，获得一束TE偏振波，沿空气波导10的方向从入射口1进入倍频器。1.06μm和0.53μm均位于石英晶体的光学透射波段。空气孔光子晶体6的周期为0.3～0.5倍入射波长，占空比0.7～0.95；介质柱光子晶体的周期为0.2～0.5倍入射波长，占空比0.2～0.6；空气波导宽为0.4～0.7倍入射波长，其内侧的光栅7宽度为0.1～0.5倍入射波长，周期由下式决定：

$\mathrm{\Λ}=\frac{c}{2f_0}\·\frac{1}{n\left(2f_0\right)-n\left(f_0\right)}$

其中，f₀＝2.8302×10¹⁴Hz为入射波频率，c为光速，n为石英晶体的折射率。由于1.06μm位于空气孔光子晶体6的光子带隙的频率上边缘和介质柱光子晶体8的光子带隙的频率下边缘，因此光波只能在空气波导10和圆形介质柱9组成的区域传播。圆形介质柱9的周期为0.2～0.4倍入射波长，占空比0.2～0.6，所起作用有二：一个是调制光场。由于只有两排，因此它不具有光子晶体一样的光子带隙结构，不能禁止光的传播，但它能对分布其间的电磁场起强烈的调制作用，从而使分布在光栅7周围的电场发生畸变。另一个是由于圆形介质柱9的存在使得能量在空气波导10之间的可以耦合传递，增加了电场与光栅7的作用几率。石英的二阶极化系数χ⁽²⁾＝0，此时的二次谐波来源于电四极极化效应 ${\stackrel{\→}{P}}_Q^{\left(2\right)}=Q_{\mathrm{ijkl}}{\stackrel{\→}{E}}_j{\▿}_k{\stackrel{\→}{E}}_l,$ 通常情况下电四极极化系数Q较之非线性材料的有效二阶极化系数χ⁽²⁾小3～4个数量级，可以忽略不计，但在本发明中，空气波导10中的电场被强烈调制，电场剧增剧减，梯度很大，使石英的电四极极化效应大大增强。同时由于空气波导10处在光子晶体6和8的带隙边缘，可类比于一谐振腔，因此该处的光子态密度最大，极大的提高了光栅7与电场的作用强度，并且由于带隙边缘的电磁波的群速度最小，又可以延长作用时间，从而激发出强度可与典型非线性材料相比拟的波长为0.53μm的绿色激光。光栅7的周期Λ满足准相位共线匹配条件，使各点激发出的激光始终与入射光线同步，避免相互干涉抵消，提高转换效率。倍频后得到的连续的0.53μm绿色激光从出射口4输出。

如图3所示是本发明实施例2内部晶体3的H-H剖面结构示意图，由空气孔光子晶体11、空气波导15、光栅12、圆形介质柱14、圆形介质柱光子晶体13组成，晶胞均为正三角形结构，圆形介质柱14错开半个周期排列。圆形空气孔光子晶体11、光栅12、圆形介质柱14、圆形介质柱光子晶体13以及基底材料16为氟化钙或氟化钡或硅或锗。当材料为氟化钙时是一0.5140μm连续光束正三角形晶胞光子晶体倍频器，入射波为氩离子激光器输出的0.5140μm连续绿光，输出为0.2570μm连续紫外光。

氩离子激光器输出的0.5140μm连续绿光被准直扩束后，形成一束均匀平面波，该平面波经过一起偏器，获得一束TE偏振波，沿空气波导15的方向从入射口1进入倍频器。0.5140μm和0.2570μm均位于氟化钙晶体的光学透射波段。空气孔光子晶体11的周期为0.3～0.5倍入射波长，占空比0.7～0.95；介质柱光子晶体13的周期为0.2～0.5倍入射波长，占空比0.2～0.6；空气波导宽15为0.4～0.7倍入射波长，其内侧的光栅12宽度为0.1～0.5倍入射波长，周期由下式决定：

$\mathrm{\Λ}=\frac{c}{2f_0}\·\frac{1}{n\left(2f_0\right)-n\left(f_0\right)}$

其中，f₀＝5.837×10¹⁵Hz为入射波频率，c为光速，n为氟化钙的折射率。由于0.5140μm位于空气孔光子晶体11的光子带隙的频率上边缘和介质柱光子晶体13的光子带隙的频率下边缘，因此光波只能在空气波导15和圆形介质柱14组成的区域传播。圆形介质柱14的周期为0.2～0.4倍入射波长，占空比0.2～0.6，所起作用有二：一个是调制光场。由于只有两排，因此它不具有光子晶体一样的光子带隙结构，不能禁止光的传播，但它能对分布其间的电磁场起强烈的调制作用，从而使分布在光栅12周围的电场发生畸变。另一个是由于圆形介质柱14的存在使得能量在空气波导15之间的可以耦合传递，增加了电场与光栅12的作用几率。氟化钙晶体的二阶极化系数χ⁽²⁾＝0，此时的二次谐波来源于电四极极化效应 ${\stackrel{\→}{P}}_Q^{\left(2\right)}=Q_{\mathrm{ijkl}}{\stackrel{\→}{E}}_j{\▿}_k{\stackrel{\→}{E}}_l,$ 通常情况下电四极极化系数Q较之非线性材料的有效二阶极化系数χ⁽²⁾小3～4个数量级，可以忽略不计，但在本发明中，空气波导15中的电场被强烈调制，电场剧增剧减，梯度很大，使氟化钙的电四极极化效应大大增强。同时由于空气波导15处在光子晶体11和13的带隙边缘，可类比于一谐振腔，因此该处的光子态密度最大，极大的提高了光栅12与电场的作用强度，并且由于带隙边缘的电磁波的群速度最小，又可以延长作用时间，从而激发出强度可与典型非线性材料相比拟的波长为0.2570μm的紫外激光。光栅12的周期Λ满足准相位共线匹配条件，使各点激发出的激光始终与入射光线同步，避免相互干涉抵消，提高转换效率。倍频后得到的连续的0.2570μm紫外激光从出射口4输出。

如图4所示是本发明实施例3内部晶体3的H-H剖面结构示意图，由圆形空气孔光子晶体18、空气波导22、光栅19、圆形介质柱21、圆形介质柱光子晶体20组成，晶胞为六边形结构，圆形介质柱21对齐排列。圆形空气孔光子晶体18、光栅19、圆形介质柱21、圆形介质柱光子晶体20以及基底材料23为硅或砷化镓或锗。当材料为硅时是一10.6μm连续光束六边形晶胞光子晶体倍频器，入射波为CO₂激光器输出的10.6μm连续远红外光，输出为5.3μm连续中红外光。

CO₂激光器输出的10.6μm连续远红外光被准直扩束后，形成一束均匀平面波，该平面波经过一起偏器，获得一束TE偏振波，沿空气波导22的方向从入射口1进入倍频器。10.6μm和5.3μm均位于硅的光学透射波段。空气孔光子晶体18的周期为0.3～0.5倍入射波长，占空比0.7～0.95；介质柱光子晶体20的周期为0.2～0.5倍入射波长，占空比0.2～0.6；空气波导22宽为0.4～0.7倍入射波长，其内侧的光栅19宽度为0.1～0.5倍入射波长，周期由下式决定：

$\mathrm{\Λ}=\frac{c}{2f_0}\·\frac{1}{n\left(2f_0\right)-n\left(f_0\right)}$

其中，f₀＝0.2830×10¹⁴Hz为入射波频率，c为光速，n为硅的折射率。由于10.6μm位于空气孔光子晶体18的光子带隙的频率上边缘和介质柱光子晶体20的光子带隙的频率下边缘，因此光波只能在空气波导22和圆形介质柱21组成的区域传播。圆形介质柱21的周期为0.2～0.4倍入射波长，占空比0.2～0.6，所起作用有二：一个是调制光场。由于只有两排，因此它不具有光子晶体一样的光子带隙结构，不能禁止光的传播，但它能对分布其间的电磁场起强烈的调制作用，从而使分布在光栅19周围的电场发生畸变。另一个是由于圆形介质柱21的存在使得能量在空气波导22之间的可以耦合传递，增加了电场与光栅19的作用几率。硅晶体的二阶极化系数χ⁽²⁾＝0，此时的二次谐波来源于电四极极化效应 ${\stackrel{\→}{P}}_Q^{\left(2\right)}=Q_{\mathrm{ijkl}}{\stackrel{\→}{E}}_j{\▿}_k{\stackrel{\→}{E}}_l,$ 通常情况下电四极极化系数Q较之非线性材料的有效二阶极化系数χ⁽²⁾小3～4个数量级，可以忽略不计，但在本发明中，空气波导22中的电场被强烈调制，电场剧增剧减，梯度很大，使硅的电四极极化效应大大增强。同时由于空气波导22处在光子晶体18和20的带隙边缘，可类比于一谐振腔，因此该处的光子态密度最大，极大的提高了光栅19与电场的作用强度，并且由于带隙边缘的电磁波的群速度最小，又可以延长作用时间，从而激发出强度可与典型非线性材料相比拟的波长为5.3μm的中红外激光。光栅19的周期Λ满足准相位共线匹配条件，使各点激发出的激光始终与入射光线同步，避免相互干涉抵消，提高转换效率。倍频后得到的连续的5.3μm中红外激光从出射口4输出。

本发明的具体制作步骤如下：a.据入射波长选定低吸收材料和晶胞结构；b.设计光刻用的掩模版，图形尺寸：空气孔光子晶体的周期为0.3～0.5倍入射波长，占空比0.7～0.95；介质柱光子晶体的周期为0.2～0.4倍入射波长，占空比0.2～0.6；空气波导的宽度与入射波长相当，其内侧的光栅宽度为0.125～0.5倍波长，周期为 $\mathrm{\Λ}=\frac{c}{2f_0}\·\frac{1}{n\left(2f_0\right)-n\left(f_0\right)},$ 其中f₀为入射波频率，c为光速，n为材料的折射率；c.基片清洗、烘干、摔胶，用设计好的掩模曝光；d.显影、定影后用ICP或电化学方法进行深刻蚀到5倍入射波长以上；e.固定封装完成倍频器的制作。

Claims (5)

1.一种连续光束线性材料光子晶体倍频器，由光波入射口(1)、出射口(4)、金属外壳(2)、内部晶体(3)和基板(5)组成，其特征在于：内部晶体(3)由空气孔光子晶体(6)、空气波导(10)、光栅(7)、圆形介质柱(9)、介质柱光子晶体(8)组成，空气孔光子晶体(6)和圆形介质柱(9)具有不同的带隙结构，空气波导(10)的内侧有周期一致的光栅(7)，空气波导(10)之间有圆形介质柱(9)隔开，空气孔光子晶体(6)、光栅(7)、圆形介质柱(9)、介质柱光子晶体(8)以及基底材料(11)均为同一种对于入射光波和出射光波而言是低损耗的非磁性线性材料。

2.根据权利要求1所述的连续光束线性材料光子晶体倍频器，其特征在于：所述的空气孔光子晶体(6)和介质柱光子晶体(8)位置可以互换，入射波长对应的真空频率位于空气孔光子晶体(6)的光子带隙的频率上边缘和介质柱光子晶体(8)的光子带隙的频率下边缘，或位于空气孔光子晶体(6)的光子带隙的频率下边缘和介质柱光子晶体(8)的光子带隙的频率上边缘。

3.根据权利要求1所述的连续光束线性材料光子晶体倍频器，其特征在于：所述的空气孔光子晶体(6)的周期为0.3～0.5倍入射波长，占空比0.7～0.95；介质柱光子晶体(8)的周期为0.2～0.4倍入射波长，占空比0.2～0.6，光子晶体的晶胞可为正方形、或正三角形、或六边形。

4.根据权利要求1所述的连续光束线性材料光子晶体倍频器，其特征在于：所述的空气波导(10)的宽度为0.4～0.7倍入射波长，其内侧的光栅(7)宽度为0.1～0.5倍波长，紧贴于空气波导(10)壁上，周期由下式决定：

$\mathrm{\Λ}=\frac{c}{2f_0}\·\frac{1}{n\left(2f_0\right)-n\left(f_0\right)}$

其中，f₀为入射波频率，c为光速，n为材料的折射率。

5.根据权利要求1所述的连续光束线性材料光子晶体倍频器，其特征在于：所述的空气波导(10)间的圆形介质柱(9)为两排，周期排布，对齐排列或错开半个周期，周期为0.2～0.4倍入射波长，占空比0.2～0.6。

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