CN101475322B - 一种在玻璃中产生二次谐波发生性能的方法 - Google Patents

一种在玻璃中产生二次谐波发生性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光功能玻璃材料领域，特别涉及一种在玻璃中产生二次谐波发生性能的方法。一种在玻璃中产生二次谐波发生性能的方法，其特征在于它包括如下步骤：1)在硫系玻璃的上端面涂覆上导电薄膜，在硫系玻璃的下端面涂覆下导电薄膜；2)极化：通过下导电薄膜、上导电薄膜分别与电源相连，在硫系玻璃的上下端施加外加电压，产生外加电场；同时利用硫系玻璃的亚带隙光对下导电薄膜或上导电薄膜所在的硫系玻璃面进行辐照。本发明拥有电场/温度场极化法和激光诱导法的优点，同时克服了二者的缺点，无需加热玻璃样品，方法简单，缩短了诱导时间，产生的光学二阶非线性系数χ(2)较大，同时可以实现准相位匹配，并可以通过激光束的调控实现玻璃光学二阶非线性功能的剪裁。

Description

一种在玻璃中产生二次谐波发生性能的方法
技术领域
本发明属于光功能玻璃材料领域，特别涉及一种在玻璃中产生二次谐波发生性能的方法。
背景技术
在激光技术中，直接利用激光材料所能获得的激光波长有限，从紫外到红外光谱区，尚存在空白波段。使用非线性光学材料，通过倍频、混频、光参量振荡等非线性光学效应可将有限的激光波长转换成新波段的相干光。利用这种技术可以填补各类激光器发射激光波长的空白光谱区，使激光器得到更广泛的应用，因此在激光技术领域有巨大的应用前景和经济价值。
基于结构的各向同性，理论上玻璃中偶阶非线性光学系数应为0。但是，80年代，人们却在光极化Ge掺杂石英光纤中发现了SHG(二次谐波发生)现象。90年代，人们又通过强电极化在SiO2玻璃中发现了SHG现象。和非线性光学晶体材料相比，由于本身固有的组成性能连续可调、易于制备、掺杂、加工和拉纤成膜以及与目前的光纤通讯网相兼容等优点，通过各种后处理工艺在玻璃中获取SHG性能的探索随成了一个热点研究领域。
目前，人们主要通过三种手段在玻璃中实现SHG性能：电场/温度场极化法(又称强电极化法)、激光诱导法和电子束辐照法。
三种极化方法各有优缺点。激光诱导法需要较长的诱导时间，不利于器件在集成光路中的应用。由于聚焦电子束的分辨率较高，同时对强电极化法在玻璃中产生的SHG性能具有擦除功能，通过辐照时间和辐照剂量等参数的调控，电子束辐照法可以在玻璃表层区域形成周期花样的极化区域，从而产生准相位匹配的SHG，但产生的χ(2)较小，需要进一步提高。电场/温度场极化法能够克服这一缺点，并能够产生较大的二阶非线性极化率χ(2)，但却难以形成相位匹配的SHG，而且需要加热样品(方法复杂)。
电场/温度场极化法在玻璃中产生SHG性能的主要步骤是：把样品放在两块平行电极之间并保证充分接触，然后放置在可控温的加热炉内，加热至实验设计温度(Tg附近)，在实验设计温度首先恒温一段时间，然后在两电极之间加直流高压电场，至实验设计时间后，保持所加高压电场不变，停止加热使样品快速冷却至室温，然后撤去极化电场。电场/温度场极化方法的一个问题是，由于热惯性对冷却速率的限制，将样品冷却之室温获得的二阶非线性极化率χ(2)难于提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种在玻璃中产生二次谐波发生性能的方法，该方法简单、产生的光学二阶非线性系数χ(2)较大。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种在玻璃中产生二次谐波发生性能的方法，其特征在于它包括如下步骤：
1)在硫系玻璃的上端面涂覆上导电薄膜，在硫系玻璃的下端面涂覆下导电薄膜；
2)极化：通过下导电薄膜、上导电薄膜分别与电源相连，在硫系玻璃的上下端施加外加电压，产生外加电场；同时利用硫系玻璃的亚带隙光(可见～近红外光)对下导电薄膜或上导电薄膜所在的硫系玻璃面进行辐照。
所述的导电薄膜为在硫系玻璃的亚带隙光波长处透过性良好的ITO等导电薄膜。
所述的极化在室温下进行(玻璃无需加热)。
所述的电源为直流或交流电源，外加电压小于硫系玻璃击穿的最大电压。
所述的辐照：通过辐照流量的调控(时间、光密度)，使硫系玻璃的粘度降低到1012～1013P(玻璃Tg附近的粘度)。为了使硫系玻璃的粘度降低到1012～1013P，依据玻璃组成的不同，需要的辐照流量不同(光密度在1W/cm2～104W/cm2范围内变化，辐照时间在1秒～24小时内变化)。
所述的亚带隙光对下导电薄膜或上导电薄膜所在的硫系玻璃面进行辐照，辐照停止后，继续施加外加电压30秒以上。
本发明提供的上述方法，以用于制备具有二阶非线性光学功能的玻璃材料。
硫系玻璃具有亚带隙光辐照产生光致流动性的特性(H.Hisakuni and K.Tanaka，Science 270，974(1995)。和带隙光、X-射线等相比，硫系玻璃在亚带隙光处仍然具有良好的透过性能，因而亚带隙光辐照产生的光致流动性是体效应。通过辐照流量的调控，可以使玻璃的粘度降低到1012～1013P(也就是通过加热使玻璃温度升高到玻璃转变温度Tg时的粘度)。
和电场/温度场极化方法相比，本发明提出的在硫系玻璃中产生SHG性能的方法，不需加热样品到Tg附近，通过施加强电场，利用亚带隙光辐照在室温下使玻璃的粘度降低到1012～1013P，从而在玻璃中产生SHG性能。基于对光束尺寸的控制，易于实现光学显微加工；此外辐照光具有瞬间施加和撤消的特性。因此，和电场/温度场极化方法相比，本发明提出的方法可以有效提高在玻璃中获得的二阶非线性极化率χ(2)的大小，同时可以通过对辐照光的控制在玻璃中形成周期花样的极化区域，从而产生准相位匹配的SHG。
本发明的有益效果是：拥有电场/温度场极化法和激光诱导法的优点，同时克服了二者的缺点，无需加热玻璃样品，方法简单，缩短了诱导时间，产生的光学二阶非线性系数χ(2)较大，同时可以实现准相位匹配，并可以通过激光束的调控实现玻璃光学二阶非线性功能的剪裁。
附图说明
图1为玻璃的亚带隙光辐照辅助极化装置的示意图；
图2为实施例1的亚带隙光辐照极化的GeS4硫系玻璃的Maker条纹图；
图中：1-硫系玻璃，2-下导电薄膜，3-上导电薄膜，4-亚带隙光，5-电源。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1：
如图1所示，一种在玻璃中产生二次谐波发生性能的方法，它包括如下步骤：
1)利用传统的熔融淬冷法制备GeS4玻璃(硫系玻璃)，将制备好的玻璃切片，抛光，制备成厚度1mm、直径1cm的圆片硫系玻璃(样品)，然后通过PLD方法，在硫系玻璃1的上端面沉积一层1μm的ITO导电薄膜(上导电薄膜3)，在硫系玻璃1的下端面沉积一层1μm的ITO导电薄膜(下导电薄膜2)；
2)极化：通过硫系玻璃1上下端面的ITO导电薄膜(下导电薄膜2、上导电薄膜3)分别与电源5(如直流电源的正负极)相连，在硫系玻璃的两端施加外加3kV电压，产生外加电场；同时利用532nm的激光(亚带隙光4)对上导电薄膜3所在的硫系玻璃样品面进行辐照，辐照面积为2mm2，光密度为15W/cm2，辐照时间是10分钟；外加电压的时间为11分钟。
硫系玻璃样品极化后采用Maker条纹测试，在亚带隙光辅助极化的样品中观察到了SHG现象，结果如图2所示。
实施例2：
一种在玻璃中产生二次谐波发生性能的方法，它包括如下步骤：
1)利用传统的熔融淬冷法制备GeS5玻璃，将制备好的玻璃切片，抛光，制备成厚度1mm直径1cm的圆片硫系玻璃(样品)，然后通过PLD方法，在硫系玻璃1的上端面沉积一层1μm的ITO导电薄膜(上导电薄膜3)，在硫系玻璃1的下端面沉积一层1μm的ITO导电薄膜(下导电薄膜2)；
2)极化：通过硫系玻璃1上下端面的ITO导电薄膜(下导电薄膜2、上导电薄膜3)分别与电源5相连，在硫系玻璃的两端施加外加2kV电压，产生外加电场；同时利用532nm的激光(亚带隙光4)对下导电薄膜2所在的硫系玻璃样品面进行辐照，辐照面积为2mm2，光密度为20W/cm2，辐照时间是5分钟；外加电压的时间为5分钟30秒。
硫系玻璃样品极化后采用Maker条纹测试，在亚带隙光辅助极化的样品中观察到了SHG现象，结果类似于图2。
电源5、电压表、导线等组成玻璃的亚带隙光辐照辅助极化装置(如图1所示)，工作过程是：在室温下，通过导电薄膜，在硫系玻璃样品的两个端面上施加实验设计的电压，打开亚带隙光光源，依照具体的硫系玻璃样品组成，通过辐照流量的调控，使玻璃的粘度降低到1012～1013P。

Claims (3)

1.一种在玻璃中产生二次谐波发生性能的方法，其特征在于它包括如下步骤：
1)在硫系玻璃的上端面涂覆上导电薄膜，在硫系玻璃的下端面涂覆下导电薄膜；
2)极化：通过下导电薄膜、上导电薄膜分别与电源相连，在硫系玻璃的上下端施加外加电压，产生外加电场；同时利用硫系玻璃的亚带隙光对下导电薄膜或上导电薄膜所在的硫系玻璃面进行辐照；
所述的电源为直流或交流电源，外加电压小于硫系玻璃击穿的最大电压；
所述的辐照：通过辐照流量的调控，使硫系玻璃的粘度降低到1012～1013P；
所述的辐照停止后，继续施加外加电压30秒以上。
2.根据权利要求1所述的一种在玻璃中产生二次谐波发生性能的方法，其特征在于：所述的导电薄膜为ITO导电薄膜。
3.根据权利要求1所述的一种在玻璃中产生二次谐波发生性能的方法，其特征在于：所述的极化在室温下进行。
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