CN105337163A

CN105337163A - 高效中红外差频产生激光器及其制备方法

Info

Publication number: CN105337163A
Application number: CN201510941363.XA
Authority: CN
Inventors: 常建华; 唐安庆; 郭跃; 李红旭; 桂诗信; 严娜
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2016-02-17

Abstract

一种高效中红外差频产生激光器及其制备方法，提出了采用反质子交换工艺结合金刚石划片切割技术形成一种新型的脊波导，从而来克服基频光和闲频光模场重叠因子小，转换效率低的问题。基于这种新型的脊波导器件，构建了一种新型的高效中红外差频产生激光器。并通过具体方法解决了如何将这种新型晶体脊波导的差频应用拓展至中红外波段、充分利用成熟的退火质子交换工艺和脊波导的优良特性依然是该领域的一个难点的问题。

Description

高效中红外差频产生激光器及其制备方法

技术领域

本发明属于针对激光器技术领域，具体涉及一种高效中红外差频产生激光器及其制备方法。

背景技术

中红外激光位于波长2.5-25μm范围内，包含了3-5μm和8-12μm两个重要的大气窗口，而且许多气体分子、毒剂、空气、水、土壤污染物、爆炸物等在这一波段都具有特征光谱，这些特性使得中红外激光在光谱学、通讯、环保、化学、生物、医药及国防等诸多领域具有非常重要的应用价值，特别是在大气痕量气体高灵敏度检测领域具有重要的地位。比如CH₄、NO、SO₂等气体在中红外波段存在强烈的基带吸收,其吸收强度比在近红外波段高2-3个数量级，可通过中红外激光进行高灵敏的探测。迄今，基于不同激光产生机理出现了多种中红外光源，如量子级联激光器、铅盐激光器、色心激光器、参量振荡等领域。但就现有技术水平而言，这些激光器仍存在诸如需低温制冷、激光线宽宽、无跳模运转范围小，价格昂贵等问题，在高灵敏度痕量气体检测应用中存在一定的局限。另一方面，基于晶体二阶非线性效应的中红外差频产生(DFG)激光光源(例如1064nm和1550nm两个波段基频光源组合差频转换得到3393nm中红外光源)，与传统激光光源相比，由于具有成本相对较低、结构简单、调谐方便、室温运转和无阈值限制等优良特性，受到了广泛关注。此外，利用非线性晶体差频可以拓展传统激光器的波长范围，还可以在温室条件下实现连续、宽调谐、窄线宽中红外光源。目前用于中红外差频转换常见的晶体有PPLN、KTP、BBO、PPLT、AgGaS₂，其中PPLN晶体是当前应用前景较好，最具有吸引力的中红外差频转换晶体，由于PPLN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、透过率高以及商品化程度高等优良特性,已成为集成光学和非线性频率转换最常用的无机介电晶体材料。实验发现，在LiNbO₃晶体生长时掺入一定摩尔比的MgO，形成MgO:LiNbO₃晶体，可提高晶体的抗光损伤阈值，其抗光损伤能力比LiNbO₃增强了约100倍，能适应波导器件对高光功率密度承受能力的要求。

目前基于MgO:PPLN中红外差频产生激光光源有两种技术，一种是基于块状MgO:PPLN晶体的非线性频率转换技术，另一种是基于波导的非线性频率转换技术。对基于块状MgO:PPLN晶体的中红外差频光源而言，其具有价格便宜、性能稳定、输出光束质量好，但其突出的缺点是由于光斑尺寸与晶体长度之间存在制约，这使得DFG的转换效率较低。如何提高中红外DFG光源的转换效率，研究表明，其关键在于高效率非线性频率转换器件的研制。若将非线性频率转换器件MgO:PPLN晶体做成MgO:PPLN波导结构，MgO:PPLN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，相应的也大大的提高了中红外差频转换效率。

对于MgO:PPLN波导，根据光在传播方向上受到的限制，波导可以分为平面光波导(在一个方向上限制光场)和条形光波导(在两个方向上限制光场)。最近研究表明，若将平板波导制备成脊形结构，由于脊形波导上表面和两个侧面直接与空气接触，折射率对比度高，对激光光束具有很强的约束能力，可有效提高激光变频效率。且脊形波导具有非常优越的抗光折变性能，增强了波长转换的稳定性，提高了波长的转换效率。2011年，加拿大麦克马斯特大学徐长青教授研究组首次利用退火质子交换(APE)技术制备了MgO:PPLN脊波导，在绿光倍频实验中获得了高达53％的光光转换效率。尽管如此，有关基于该新型脊波导的高效中红外差频转换的应用仍未见报道。其主要技术难点在于，退火质子交换工艺制备的波导存在波导区域折射率渐变分布的特点，这使得该器件在用于中红外差频转换时存在基频光和闲频光模场分布重叠因子小，转换效率低等问题。如何将这种新型晶体脊波导的差频应用拓展至中红外波段，充分利用成熟的退火质子交换工艺和脊波导的优良特性依然是该领域的一个难点。

发明内容

本发明的目的提供一种高效中红外差频产生激光器及其制备方法，提出了采用反质子交换工艺结合金刚石划片切割技术形成一种新型的脊波导，从而来克服基频光和闲频光模场重叠因子小，转换效率低的问题。基于这种新型的脊波导器件，构建了一种新型的高效中红外差频产生激光器。并通过具体方法解决了如何将这种新型晶体脊波导的差频应用拓展至中红外波段、充分利用成熟的退火质子交换工艺和脊波导的优良特性依然是该领域的一个难点的问题。

为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种高效中红外差频产生激光器中的反质子交换脊波导的制备方法的解决方案，具体如下：

一种高效中红外差频产生激光器中的反质子交换脊波导的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，对MgO:PPLN进行抛光，并清洗抛光后样品的表面；

步骤2，对晶体进行质子交换，退火处理；

步骤3，对波导进行反质子交换处理；

步骤4，采用金刚石划片切割成脊形结构；

所述的步骤1中使用去离子水、丙酮、乙醇依次清洗MgO:PPLN晶体表面，每次持续15分钟。

所述的步骤3的质子交换处理过程中，包括将苯甲酸粉末加热到240摄氏度后，将PPLN晶体放入装有苯甲酸溶液的坩埚中进行12小时的质子交换，将交换好的PPLN波导片清洗干净,放入坩埚中，送至退火炉的恒温区，往退火炉中通入氧气，防止波导表面氧化物分解，同时升温到350摄氏度并恒定温度进行退火，设定退火时间为12小时。

所述步骤3的反质子交换处理过程中，将退火质子交换形成的波导浸入LiNO₃:KNO₃:NaNO₃的浓度比为37.5:44.5:18.0的混合溶液中，并在335℃的温度条件下持续5h恒温加热。

一种基于新型MgO:PPLN脊波导的高效中红外差频产生激光器，包括LD激光器15、中心波长为1550nm且反射率为99％的第一光纤布拉格光栅1、中心波长为1064nm且反射率为99％的第二光纤布拉格光栅2、铒镱共掺光纤、中心波长为1064nm且反射率为10％的第三光纤布拉格光栅3、中心波长为1550nm且反射率为10％的第四光纤布拉格光栅4、保偏光纤5、物镜6、斩波片7、MgO:PPLN脊波导8、锗片9、CaF₂透镜10、光电探测器11、低噪声功率放大器12、锁相放大器13、示波器14；

所述第一光纤布拉格光栅1和第四光纤布拉格光栅4，第二光纤布拉格光栅2和第三光纤布拉格光栅3组成重叠的两个法布里－珀罗激光腔，法布里－珀罗激光腔的腔内设置着作为增益介质的铒镱共掺光纤，该重叠的激光腔同LD激光器和保偏光纤5相连接，所述保偏光纤5同物镜6相连接，在物镜的光路上顺序设置有斩波片7、MgO:PPLN脊波导8、锗片9、CaF₂透镜10、光电探测器11，所述光电探测器11、低噪声功率放大器12、锁相放大器13、示波器14依次两两连接，所述的斩波片7还同锁相放大器13相连接。

所述LD激光器为975nmLD激光器，且最大输出功率为8.5W。

所述铒镱共掺光纤为一段5米长的保偏Er/Yb共掺光纤。

所述保偏光纤是一段未掺杂的10cm长的保偏光纤。

本发明属于一种基于新型MgO:PPLN脊波导的高效中红外差频产生激光器，通过将MgO:PPLN晶体采用退火质子交换技术形成平面波导，再结合反质子交换工艺以及金刚石划片切割技术形成新型的脊波导结构，将其作为非线性频率转换器件，利用该新型的脊波导对激光具有较强的约束能力，有效的调控了导波模模场分布，进而有效的提高了中红外差频转换效率。具体有益效果如下：

1、本发明在制备波导器件过程中，采用反质子交换工艺，降低了光折变损伤，产生了稳定的连续波激光光源。由于反质子交换波导折射率最大值掩埋与波导表面之下，波导区域折射率呈对称分布，因此，在波导中模场呈对称分布，基频光与闲频光的模场重叠因子会更大，从而提高了中红外差频转换效率。此外，在实际应用过程中，在与光纤进行对接耦合时，由于光纤中模场分布呈圆形结构，而反质子交换波导中模场分布也呈圆形对称结构，进而提高了波导与光纤的耦合效率。

2、本发明采用脊形波导作为中红外差频非线性频率转换器件，由于脊形波导上表面和两个侧面直接与空气接触，折射率对比度高，对激光光束具有很强的约束能力，可有效提高激光变频效率。

3、本发明在中红外差频产生激光装置中，通过两对光纤布拉格光栅，形成Er/Yb共掺光纤激光器，可以同时输出两个基频光源，大大的降低了激光器尺寸和成本，提高了系统的集成度。

附图说明

图1是脊波导制备工艺流程图；

图2(a)、图2(b)分别是1064nm、1550nm、3393nm波长在质子交换脊波导和反质子交换脊波导模场分布图；

图3(a)、图3(b)分别是1064nm、1550nm、3393nm波长在质子交换脊波导和反质子交换脊波导宽度方向上模场重叠图；

图4(a)、图4(b)分别是1064nm、1550nm、3393nm波长在质子交换脊波导和反质子交换脊波导高度方向上模场重叠图；

图5是中红外差频产生激光器装置图。

具体实施方案

下面结合附图对本专利作进一步详细说明

如图1-图5所示，基于新型MgO:PPLN脊波导的高效中红外差频产生激光器，包括LD激光器15、中心波长为1550nm且反射率为99％的第一光纤布拉格光栅1、中心波长为1064nm且反射率为99％的第二光纤布拉格光栅2、铒镱共掺光纤16、中心波长为1064nm且反射率为10％的第三光纤布拉格光栅3、中心波长为1550nm且反射率为10％的第四光纤布拉格光栅4、保偏光纤5、物镜6、斩波片7、MgO:PPLN脊波导8、锗片9、CaF₂透镜10、光电探测器11、低噪声功率放大器12、锁相放大器13、示波器14；

所述第一光纤布拉格光栅1和第四光纤布拉格光栅4，第二光纤布拉格光栅2和第三光纤布拉格光栅3组成重叠的两个法布里－珀罗激光腔，法布里－珀罗激光腔的腔内设置着作为增益介质的铒镱共掺光纤，该重叠的激光腔同LD激光器和保偏光纤5相连接，所述保偏光纤5同物镜6相连接，在物镜的光路上顺序设置有斩波片7、MgO:PPLN脊波导8、锗片9、CaF₂透镜10、光电探测器11，所述光电探测器11、低噪声功率放大器12、锁相放大器13、示波器14依次两两连接，所述的斩波片7还同锁相放大器13相连接。这样激光器经过重叠的激光腔，再通过作为尾纤的保偏光纤5分别输出波长为1064nm和1550nm两个基频光，基频光入射到物镜上通过斩波片聚焦进入MgO:PPLN脊波导中，差频产生中红外光源，首先经过锗片滤除残余的基频光源，然后通过CaF₂透镜传递到光电探测器上，将光信号转换为电信号，最后通过锁相放大器和示波器进行中红外光源信号显示。

高效中红外差频产生激光器中的反质子交换脊波导的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，对MgO:PPLN进行抛光，并清洗抛光后样品的表面；

步骤2，对晶体进行质子交换，退火处理；

步骤3，对波导进行反质子交换处理；

步骤4，采用金刚石划片切割成脊形结构；

所述的步骤1中使用去离子水、丙酮、乙醇依次清洗MgO:PPLN晶体表面，每次持续15分钟。所述的步骤3的质子交换处理过程中，包括将苯甲酸粉末加热到240摄氏度后，将PPLN晶体放入装有苯甲酸溶液的坩埚中进行12小时的质子交换，将交换好的PPLN波导片清洗干净,放入坩埚中，送至退火炉的恒温区，往退火炉中通入氧气，防止波导表面氧化物分解，同时升温到350摄氏度并恒定温度进行退火，设定退火时间为12小时。所述步骤3的反质子交换处理过程中，将退火质子交换形成的波导浸入LiNO₃:KNO₃:NaNO₃的浓度比为37.5:44.5:18.0的混合溶液中，并在335℃的温度条件下持续5h恒温加热。这样混合熔体中的锂离子将重新取代波导表面的质子而进入波导表面,从而降低波导表面的异常光折射率,这样波导被掩埋于表面之下，从而有效地减小了波导表面散射,进而降低了波导传输损耗，此外，由于反质子交换折射率最大值存在于晶体表面之下，所以波导折射率沿着深度方向相当对称，不同波长的模场重叠会更大，有效的调控了导波模模场分布，从而提高了中红外差频转换效率。

如图2(a)、图2(b)，质子交换区域与反质子交换区域折射率变化结合与n(x)＝n_b+(n₀-n_b)exp[(-x/d)^α]公式，其中D_e(T)为扩散系数，t_e为质子交换时间，n_b为表面折射率，n₀为材料折射率，d为波导有效深度，α为形状因子。

综上所述，本发明在制备波导器件过程中，采用反质子交换工艺，减小了光折变损伤，产生了稳定的连续波激光输出，由于反质子交换波导掩埋于表面之下，折射率最大值存在波导表面之下，有效地减小了波导表面散射,进而降低了波导传输损耗，由于折射率呈对称分布，因此，在波导中模场呈对称分布，不同波长的模场重叠因子更大，有效的调控了导波模模场分布，提高了中红外差频转换效率。而且，在实际应用过程中，在与光纤进行对接耦合时，由于光纤中模场分布呈圆形结构，而反质子交换波导中模场分布也呈圆形对称结构，进而提高了波导与光纤的耦合效率。此外，脊形波导作为中红外差频非线性频率转换器件，由于脊形波导上表面和两个侧面直接与空气接触，折射率对比度高，对激光光束具有很强的约束能力，可有效提高激光变频效率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims

1.一种高效中红外差频产生激光器中的反质子交换脊波导的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，对MgO:PPLN进行抛光，并清洗抛光后样品的表面；

步骤2，对晶体进行质子交换，退火处理；

步骤3，对波导进行反质子交换处理；

步骤4，采用金刚石划片切割成脊形结构。

2.根据权利要求1所述的高效中红外差频产生激光器中的反质子交换脊波导的制备方法，其特征在于所述的步骤1中使用去离子水、丙酮、乙醇依次清洗MgO:PPLN晶体表面，每次持续15分钟。

3.根据权利要求1所述的高效中红外差频产生激光器中的反质子交换脊波导的制备方法，其特征在于所述的步骤3的质子交换处理过程中，包括将苯甲酸粉末加热到240摄氏度后，将PPLN晶体放入装有苯甲酸溶液的坩埚中进行12小时的质子交换，将交换好的PPLN波导片清洗干净,放入坩埚中，送至退火炉的恒温区，往退火炉中通入氧气，防止波导表面氧化物分解，同时升温到350摄氏度并恒定温度进行退火，设定退火时间为12小时。

4.根据权利要求1所述的高效中红外差频产生激光器中的反质子交换脊波导的制备方法，其特征在于所述步骤3的反质子交换处理过程中，将退火质子交换形成的波导浸入LiNO₃:KNO₃:NaNO₃的浓度比为37.5:44.5:18.0的混合溶液中，并在335℃的温度条件下持续5h恒温加热。

5.一种反质子交换脊波导为权利要求1、2、3或4所制备的基于新型MgO:PPLN脊波导的高效中红外差频产生激光器，其特征在于，包括LD激光器、中心波长为1550nm且反射率为99％的第一光纤布拉格光栅、中心波长为1064nm且反射率为99％的第二光纤布拉格光栅、铒镱共掺光纤、中心波长为1064nm且反射率为10％的第三光纤布拉格光栅、中心波长为1550nm且反射率为10％的第四光纤布拉格光栅、保偏光纤、物镜、斩波片、MgO:PPLN脊波导、锗片、CaF₂透镜、光电探测器、低噪声功率放大器、锁相放大器、示波器；

所述光纤布拉格光栅和光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅和光纤布拉格光栅组成重叠的两个法布里－珀罗激光腔，法布里－珀罗激光腔的腔内设置着作为增益介质的铒镱共掺光纤，该重叠的激光腔同LD激光器和保偏光纤相连接，所述保偏光纤同物镜相连接，在物镜的光路上顺序设置有斩波片、MgO:PPLN脊波导、锗片、CaF₂透镜、光电探测器，所述光电探测器、低噪声功率放大器、锁相放大器、示波器依次两两连接，所述的斩波片还同锁相放大器相连接。

6.根据权利要求5所述的基于新型MgO:PPLN脊波导的高效中红外差频产生激光器，其特征在于所述LD激光器为975nmLD激光器，且最大输出功率为8.5W。

7.根据权利要求5所述的基于新型MgO:PPLN脊波导的高效中红外差频产生激光器，其特征在于所述铒镱共掺光纤为一段5米长的保偏Er/Yb共掺光纤。

8.根据权利要求5所述的基于新型MgO:PPLN脊波导的高效中红外差频产生激光器，其特征在于所述保偏光纤是一段未掺杂的10cm长的保偏光纤。