CN113054521A - 一种基于拉曼散射效应的激光波长调谐方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于拉曼散射效应的激光波长调谐方法及其应用，本发明发现当泵浦光的偏振方向沿着AlN单晶的c轴时，E1(TO)和E2 2模式会出现“消光”现象，只能观察到A1(TO)模式，此时，A1(TO)模式对应的出射光具有完美的线偏振特性，几乎不存在退偏现象，表明AlN可以借助拉曼散射效应实现激光的频移。此外，通过温度调制，可以实现激光波长的精密调谐(0.0006nm/K)，本发明的实验结果表明具有高热导率的AlN可以作为实现激光调谐的理想载体，采用本发明的方法，通过改变激发光源以及激励物质，可以实现任意波长的调谐。

Description

一种基于拉曼散射效应的激光波长调谐方法及其应用
技术领域
本发明涉及激光波长调谐技术领域，更具体地，涉及一种基于拉曼散射效应的激光波长调谐方法及其应用。
背景技术
在痕量气体检测、强电场探测等领域中，激光波长调谐技术对于提高动态波长分配效率具有至关重要的作用。如图1所示，激光调谐技术在痕量气体检测、强电场探测和可见光通讯等领域中扮演了日益重要的作用。随着功能型光电子器件的微型化和薄膜化，需要将大量不同波长的激光器集成到光电子系统。然而，固定波长激光器的动态波长分配效率非常低，这极大地限制了光通信系统的片上集成化。因此，激光波长调谐技术的发展对于光通信及精密测量等领域是至关重要的。
实现激光波长调谐的方法有很多种。如中国专利CN106169696A公开了一种基于受激拉曼散射效应的可连续调谐激光器，利用受激拉曼散射效应有效地扩展了可连续调谐激光器的工作波长。利用拉曼效应实现激光波长调谐的一个重要前提是出射光具有偏振特性，而出射光的偏振特性往往取决于激励材料。因此实现激光波长调谐的一个重要步骤是找到一种条件使得散射光转变为线偏振光。
发明内容
本发明旨在提供一种基于拉曼散射效应的激光波长调谐方法，找到了一种使得散射光转变为线偏振光的条件，具体是采用纤锌矿结构的氮化铝(AlN)作为工作物质，AlN可以借助拉曼散射效应很好地实现激光的频移，并且几乎不存在退偏现象，本发明借助拉曼散射效应在m面或a面AlN单晶中实现了激光波长调谐。
本发明的又一目的是提供一种基于拉曼散射效应的激光波长调谐方法的应用。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
一种基于拉曼散射效应的激光波长调谐方法，调节入射激光使其垂直于AlN m面或a面入射，水平旋转样品，使得当入射激光偏振方向平行于晶体的c轴方向时，可以实现入射激光的频移，然后通过改变温度来实现频移后激光波长的精密调谐。
拉曼散射效应是一种能够用成熟范式解释的物理现象，然而，大部分研究者只关注到其是一种无损的，具有指纹识别特性的材料表征方法，却忽略了其本质是非弹性散射，其具有天然的频移特性。本发明采用纤锌矿结构的氮化铝(AlN)作为工作物质，AlN是一种具有强各向异性的光学晶体，并且作为一种二元半导体，相比于多元体系，其具有相对简单的声子色散关系，因此具有相对“干净”的拉曼光谱，此外，不同晶面的大尺寸AlN单晶圆片可以避免不同晶面拉曼信号对出射光的串扰，因此，AlN可以作为一种良好的激光波长调谐载体；本发明发现当泵浦光的偏振方向沿着AlN单晶的c轴时，E1(TO)和E2 2模式会出现“消光”现象，只能观察到A1(TO)模式，此时，A1(TO)模式对应的出射光具有完美的线偏振特性，几乎不存在退偏现象，这一现象表明AlN可以借助拉曼散射效应实现激光的频移。此外，光学声子的振动频率受到温度调制会发生改变，因此，通过温度调制，可以实现激光波长的精密调谐。
优选地，所述调节入射激光使其垂直于AlN m面或a面入射包括如下步骤：
S1.将拉曼光谱仪的激光器预热，校准后，将探测光路的检偏器的偏振方向调至和入射激光的偏振方向一致；
S2.旋转m面或a面AlN单晶，以5～10°为间隔，从0°旋转至180°，并测试每次旋转后的拉曼光谱，旋转至只能观察到A1(TO)模式，无法观察到E1(TO)和
Figure BDA0002935780660000021
模式的角度，并记录此时的拉曼强度I||；
S3.将探测光路的检偏器的偏振方向调至垂直于入射光偏振方向；测试此时的拉曼光谱，并记录此时A1(TO′)模式的拉曼强度I⊥，然后利用公式(I||-I⊥)/(I||+I⊥)计算得到此时的偏振度；当入射激光偏振方向平行于晶体的c轴方向时，可以实现入射激光的频移。
优选地，所述通过改变温度来实现频移后激光波长的调谐包括如下步骤：
将探测光路的检偏器的偏振方向调至和入射激光偏振方向一致；不改变入射光、探测光路以及样品的状态，利用变温台对样品进行变温拉曼光谱测试，以5～10K为间隔，从430K降至80K，每个温度点测试一条拉曼谱线，即可得到散射光波长和温度的变化关系。
优选地，步骤S1所述激光器为Ar离子气体激光器。
优选地，步骤S1所述激光器为488nm Ar离子气体激光器。
优选地，步骤S2所述间隔为5°～10°。
优选地，步骤S1所述预热时间为8～10min。
优选地，步骤S1所述校准为硅片校准，硅片的拉曼信号为520.7cm-1。
优选地，步骤S2所述m面或a面AlN单晶的直径为1.5cm。
优选地，步骤S2所述m面或a面AlN单晶为AlN单晶圆片。
优选地，步骤S2所述m面或a面AlN单晶为物理气相沉积(PVT)技术制得。
本发明还保护上述基于拉曼散射效应的激光波长调谐方法在片上多信道相干可见光通信或痕量气体检测中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明发现当泵浦光的偏振方向沿着AlN单晶的c轴时，E1(TO)和E2 2模式会出现“消光”现象，只能观察到A1(TO)模式，此时，A1(TO)模式对应的出射光具有完美的线偏振特性，几乎不存在退偏现象。这一现象表明AlN可以借助拉曼散射效应实现激光的频移。此外，光学声子的振动频率受到温度调制会发生改变，因此，通过温度调制，可以实现激光波长的精密调谐(0.0006nm/K)，本发明的实验结果表明具有高热导率的AlN可以作为实现激光调谐的理想载体，采用本发明的方法，通过改变激发光源以及激励物质可以实现任意波长的调谐，可以被用于片上多信道相干可见光通信或痕量气体检测中。
附图说明
图1为激光调谐的应用。
图2为m面AlN的角分辨偏振拉曼光谱，(a)背散射偏振拉曼测试结构；(b)角分辨偏振拉曼光谱；(c)-(e)A1，E1，E2三种振动模式的拉曼散射强度随旋转角的变化规律。
图3为(a)激光波长调谐示意图；(b)散射光偏振方向平行于AlN单晶b轴和c轴时的出射光光谱；(c)不同光功率密度的泵浦光对应的输出光光谱；(d)不同光功率密度的激发光激发下A1(TO)模式对应的出射光光强。
图4为(a)变温出射光谱；(b)归一化后的变温出射光谱；(c)-(d)A1(TO)模式对应出射光的中心波长和半高峰宽。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非另有说明，本发明实施例采用的原料试剂为常规购买的原料试剂。
实施例1
一种基于拉曼散射效应的激光波长调谐方法，包括如下步骤：
S1.打开雷尼绍拉曼光谱仪(Renishaw inVia)；打开拉曼光谱仪软件；打开488nmAr离子气体激光器，其具有固定的偏振方向；激光器预热10分钟后，进行硅片校准，硅片的拉曼信号为532.7cm-1；
S2.将探测光路的检偏器的偏振方向调至和入射激光的偏振方向一致；旋转m面AlN单晶，间隔为10°测试其拉曼光谱，旋转至某一角度时，此时只能观察到A1(TO)模式，而无法观察到E1(TO)和
Figure BDA0002935780660000041
模式；
S3.将探测光路的检偏器的偏振方向调至垂直于入射光偏振方向；测试此时的拉曼光谱，观察此时A1(TO)模式，来验证此时散射光的偏振度，对于AlN而言，此时A1(TO)模式对应的散射光具有线偏振特性，即散射光是一种激光；
S4.将探测光路的检偏器的偏振方向调至和入射激光偏振方向一致；不改变入射光，探测光路以及样品的状态，利用变温台对样品进行变温拉曼光谱测试，以10K为间隔，从430K开始测量，到80K结束，每个温度点测试一条拉曼谱线；根据不同温度下的拉曼光谱，提取每个温度下A1(TO)模式对应的峰的位置，就可以得到峰位和温度之间的关系，从而实现激光出射波长随温度变化的关系。
借助拉曼散射效应实现激光波长调谐对晶体质量和晶面的平整度要求更高，本发明采用更大面积的AlN单晶片作为测试样品。图2(a)中的插图为测试的m面AlN单晶的光学照片，其直径为1.5cm。
本发明采用了图2(a)所示的背散射测试结构收集了m面AlN单晶的偏振拉曼光谱。在收集光路中放置了一块具有固定偏振方向的偏振片来确保出射光的偏振方向与泵浦光的偏振方向严格一致。为了尽可能减小泵浦光吸收以及共振拉曼散射效应对出射光光强的影响，采用488nm的氩离子气体激光器作为泵浦光，并通过50倍长焦石英镜头聚焦于AlN表面。
图2(b)为m面AlN单晶的角分辨偏振拉曼光谱，呈现了m面AlN单晶在不同旋转角下A1(TO)(607.87cm-1)，E1(TO)(665.87cm-1)，E2 2(653.4cm-1)三种振动模式的拉曼散射强度。从偏振拉曼光谱中，可以清楚地观察到当泵浦光的偏振方向沿着AlN的c轴时，E1(TO)和E2 2模式会出现“消光”现象，只能观察到A1(TO)模式，并且其散射强度达到最大。其变化规律遵循拉曼选择定则：I～|esRei|2，其中es表示出射光和ei表示泵浦光的偏振方向矢量，R表示某种振动模式的拉曼张量。不同振动模式的拉曼散射强度可以在不同旋转角θ下的拉曼强度下获得，
Figure BDA0002935780660000051
Figure BDA0002935780660000052
Figure BDA0002935780660000055
其中，a，b，c，d表示拉曼张量元，
Figure BDA0002935780660000053
和
Figure BDA0002935780660000054
表示拉曼张量元，a和b对应的复相位角，θ为入射光或散射光偏振方向矢量与b轴之间的夹角。图2c-2e呈现了A1(TO)，E1(TO)和E2 2三种振动模式在不同旋转角θ下拉曼散射强度的拟合结果，可见本发明的实验结果与理论的变化规律具有很高的一致性。
根据上面对m面AlN三种振动模式拉曼散射强度的描述，存在某一特定旋转角0等于90°时，可以使得E1(TO)和E2 2模式发生消光现象。此时，可以获得单一波长的出射光。根据A1(TO)模式在室温下的振动频率，我们可以获得波长为502.97nm的出射光。为了确定A1(TO)模式对应出射光的偏振特性，我们设计了如图3(a)所示的测试结构。测试结果如图3(b)所示，其入射光垂直于AlN单晶的m面入射，并且其偏振方向平行于c轴，其偏振度(I||-I⊥)/(I||+I⊥)几乎为1。然后通过改变收集光路偏振片的偏振取向来验证出射光的偏振特性。当偏振方向沿着AlN单晶的c轴时，其具有很强的出射光；而当偏振方向沿着AlN单晶的b轴时，几乎没有观察到出射光。这一现象与拉曼选择定则所阐述的是一致的。显然，A1(TO)模式对应的出射光不存在退偏现象。这直接表明中心波长为502.97nm的出射光具有偏振特性。
本发明还测试了在不同光功率密度的488nm泵浦光激发下出射光的强度，正如图3(c)所示。随着泵浦光功率密度的降低，其出射光也迅速减小。还提取了不同光功率密度的泵浦光激发下A1(TO)模式对应的出射光光强，如图3(d)所示，显然，这里存在一个激发阈值能量，只有当488nm激发光的光功率密度达到2.7W/cm2时才能够激发出A1(TO)模式的出射光。
本发明测试了不同温度下A1(TO)模式的出射光谱，如图4(a)和(b)所示，呈现了在不同温度下，A1(TO)模式对应出射光的中心波长以及半高峰宽，从图中可以观察到出射光的中心波长会随着温度的降低而红移，从高温420K时的502.9nm红移到低温80K时的503.05nm。并且在不同的温度范围，中心波长变化规律也不同，如图4(c)所示。当温度高于250K，中心波长随着温度的降低近乎以0.0006nm/K的精度线性红移；而当温度低于250K时，中心波长随着温度的降低以一种非线性的规律增加。此外，A1(TO)模式对应的出射光具有非常窄的半高峰宽，如图4(d)所示，在420K时为0.17nm，并且随着温度的降低，其半高峰宽几乎以线性的规律减小，从420K的0.17nm减小到80K的0.1nm。这表明借助拉曼散射的出射光具有很好的单色性，几乎接近商用激光器。
综上，本发明借助拉曼散射效应在m面AlN单晶中实现了波长调制。基于拉曼选择定则，当泵浦光或出射光的偏振方向都沿着AlN单晶的c轴时，E1(TO)和E2 2模式会出现“消光”现象，并且A1(TO)模式具有最大出射光强。通过特定的光学测试结构，我们证实A1(TO)模式对应的出射光具有完美的线偏振特性。此外，极窄的最大半高峰宽也表明拉曼散射效应引起的出射光具有很好的单色性。实验结果表明拉曼散射效应可以实现激光的频移。通过变温拉曼测试，可以实现精度为0.0006nm/K的激光波长调谐。采用本发明的方法，通过改变激励物质可以实现任意波长的调谐，可以应用于实现片上多信道相干可见光通信或痕量气体检测中。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于拉曼散射效应的激光波长调谐方法，其特征在于，调节入射激光使其垂直于AlN m面或a面入射，水平旋转样品，使得当入射激光偏振方向平行于晶体的c轴方向时，可以实现入射激光的频移，然后通过改变温度来实现频移后激光波长的精密调谐。
2.根据权利要求1所述基于拉曼散射效应的激光波长调谐方法，其特征在于，所述调节入射激光使其垂直于AlN m面或a面入射包括如下步骤：
S1.将拉曼光谱仪的激光器预热，校准后，将探测光路的检偏器的偏振方向调至和入射激光的偏振方向一致；
S2.旋转m面或a面AlN单晶，以5～10°为间隔，从0°旋转至180°，并测试每次旋转后的拉曼光谱，旋转至只能观察到A1(TO)模式，无法观察到E1(TO)和
Figure FDA0002935780650000011
模式的角度，并记录此时的拉曼强度I||；
S3.将探测光路的检偏器的偏振方向调至垂直于入射光偏振方向；测试此时的拉曼光谱，并记录此时A1(TO)模式的拉曼强度I⊥，然后利用公式(I||-I⊥)/(I||+I⊥)计算得到此时的偏振度；当入射激光偏振方向平行于晶体的c轴方向时，可以实现入射激光的频移。
3.根据权利要求1所述基于拉曼散射效应的激光波长调谐方法，其特征在于，所述通过改变温度来实现频移后激光波长的调谐包括如下步骤：
将探测光路的检偏器的偏振方向调至和入射激光偏振方向一致；不改变入射光、探测光路以及样品的状态，利用变温台对样品进行变温拉曼光谱测试，以5～10K为间隔，从430K降至80K，每个温度点测试一条拉曼谱线，即可得到散射光波长和温度的变化关系。
4.根据权利要求3所述基于拉曼散射效应的激光波长调谐方法，其特征在于，步骤S1所述激光器为Ar离子气体激光器。
5.根据权利要求3所述基于拉曼散射效应的激光波长调谐方法，其特征在于，步骤S2所述间隔为10°。
6.根据权利要求3所述基于拉曼散射效应的激光波长调谐方法，其特征在于，步骤S1所述预热时间为8～10min。
7.根据权利要求3所述基于拉曼散射效应的激光波长调谐方法，其特征在于，步骤S1所述校准为硅片校准，硅片的拉曼信号为520.7cm-1。
8.根据权利要求3所述基于拉曼散射效应的激光波长调谐方法，其特征在于，步骤S2所述m面或a面AlN单晶为AlN单晶圆片。
9.根据权利要求3所述基于拉曼散射效应的激光波长调谐方法，其特征在于，所述AlN单晶圆片的直径为1.5cm。
10.权利要求1～9任一项所述基于拉曼散射效应的激光波长调谐方法在片上多信道相干可见光通信或痕量气体检测中的应用。
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