Способ формирования периодической доменной структуры в кристалле калийтитанилфосфата для нелинейного преобразования частоты лазерного излучения

 

Изобретение относится к генерации лазерного излучения и нелинейной оптике, в частности нелинейного преобразования частоты лазерного излучения, и может быть использовано в оптоэлектронике, в оптических системах записи и считывания информации, в оптической связи. Способ основан на изменении доменной структуры кристалла при его термической обработке, в присутствии на его поверхности диэлектрической пленки, коэффициент термического расширения и электропроводность которой отличается от коэффициента термического расширения и электропроводности кристалла. 4 ил.

Изобретение относится к генерации лазерного излучения и нелинейной оптики, в частности нелинейного преобразования частоты лазерного излучения, и может быть использовано в оптоэлектронике, в оптических системах записи и считывания информации, в оптической связи.

Известные способы эффективного нелинейного преобразования частоты лазерного излучения, в частности генерации второй гармоники (ГВГ) в нелинейных кристаллах, основаны на использовании двулучепреломления кристаллов для достижения фазового синхронизма или создании периодической структуры, состоящей из противоположно ориентированных доменов [1] Последний метод применяется для эффективной генерации лазерного излучения в сине-фиолетовой области спектра, так как в наиболее часто применяемых нелинейных кристаллах ниобата лития (LiNbO₃), танталата лития (LiTaO₃) и калий-титанил-фосфата (КТР) фазовый синхронизм в этой области отсутствует.

В настоящее время известно несколько способов для создания периодических доменных структур в кристаллах LiNbO₃ и LiTaO₃ [1,2] и только один метод, основанный на ионном обмене, для кристалла КТР [3] Низкая проводимость сегнетоэлектрика, как правило, облегчает переполяризацию кристалла, поэтому в ниобате и танталате лития проще создать необходимую периодическую структуру антипараллельных доменов, чем для кристалла КТР, проводимость которого на несколько порядков выше. Аналогом настоящего изобретения может служить использование периодической маски из двуокиси кремния для получения знакопеременной доменной структуры в LiNbO₃ [4] На фиг. 1 приведена схема перидической структуры антипараллельных доменов в приповерхностном слое кристалла; на фиг. 2 проиллюстрировано условие фазового синхронизма; на фиг. 3 показана маска, необходимая для изготовления канального волновода; на фиг. 4 приведена зависимость эффективности ГВГ от мощности излучения накачки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к настоящему способу является способ формирования периодической доменной структуры в оптическом волноводе на основе нелинейного кристалла КТР [3] включающий создание в приповерхностном слое кристалла структуры доменов с периодически меняющейся на 180^о ориентацией (см. фиг. 1) путем ионного обмена Rb⁺, Ba²⁺ <-> K⁺ через металлическую маску, нанесенную на поверхность образца. В данном способе одновременно образуется сегментированный оптический волновод, причем время, требуемое для изготовления волновода, может варьироваться в зависимости от величины ионной проводимости кристалла от нескольких минут до одного часа, а температура расплава меняется от 340 до 400^оС. В результате ионного обмена в тех местах, где поверхность кристалла не закрыта маской, происходит изменение направления спонтанной поляризации, а также образуется волноводный слой с показателем преломления, отличающимся от показателя преломления подложки на величину Δn 0,02, глубиной 3-5 мкм и шириной, определяемой нанесенной маской.

В обычных (несегментированных) волноводах из КТР невозможно выполнить условие фазового синхронизма для ГВГ (2k₁k₂), где k_1,2 волновые вектора излучения накачки и второй гармоники) для длин волн накачки, меньших 994 нм, поэтому при удвоении частоты невозможно получить вторую гармонику с длиной волны, меньшей 497 нм. Для синхронной генерации более коротковолнового излучения (в сине-фиолетовой области спектра), необходимого, в частности, для увеличения плотности записи в системах оптической обработки информации, волна накачки должна дифрагировать на периодической структуре с периодом Λ (см. фиг. 2) таким, что 2k₁ + 2 π/Λ= k₂.

Для получения высокой эффективности нелинейного преобразования необходимо, чтобы на каждом периоде сегментированной структуры нелинейный коэффициент менял знак, т.е. сегнетоэлектрические домены имели противоположную ориентацию, что и обеспечивается в описанном выше способе. Благодаря этому достигнутая эффективность преобразования излучения лазера с длиной волны 800 нм во вторую гармонику ( Λ= 400 нм) составило 100%/Вт˙см².

Недостатком прототипа является резкое уменьшение эффективности ГВГ (на 3 порядка) при незначительном изменении условий ионного обмена (например, понижении температуры на 20^оС) и оптические потери в сегментированном волноводе. Поскольку характеристики кристалла (например, проводимость и оптическая однородность) могут меняться от образца к образцу, для изготовления волновода с нужными параметрами потребуется каждый раз менять условия ионного обмена, поэтому при использовании описываемого способа трудно гарантировать воспроизводимость высокой эффективности ГВГ, одновременно варьируя параметры волновода и периодической доменной структуры.

Изобретением решается задача воспроизводимого получения необходимой доменной структуры в кристалле КТР и, следовательно, задача эффективного нелинейного преобразования частоты лазерного излучения путем нанесения на поверхность кристалла пленки из материала, имеющего коэффициент теплового расширения и значение электропроводности, отличные от тех же параметров кристалла, и формирования доменной структуры либо с помощью нагрева кристалла до 850^оС и охлаждения до комнатной температуры, либо только путем охлаждения кристалла ниже комнатной температуры.

Важной особенностью настоящего способа является разделение процесса изготовления канального волновода в кристалле КТР с периодической знакопеременной доменной структурой на две стадии. Во время первой из них на поверхность кристалла напыляется или наносится каким-либо иным способом пленка и фотолитографическим способом, либо другим путем формируется необходимая маска. После этого по заданному закону производятся нагрев и охлаждение, либо только охлаждение кристалла с нанесенной на его поверхности маской. Из-за разницы коэффициентов теплового расширения между диэлектриком и кристаллом в подложке возникают растягивающие и сжимающие механические напряжения, приводящие вследствие пьезоэлектрического эффекта к возникновению знакоперемнного электрического поля, имеющего компоненту, направленную противоположно вектору спонтанной поляризации кристалла. Зная упругие константы КТР (усредненный по Фойхту модуль Юнга Е 83 ГПа, коэффициент Пуассона σ= 0,1), пьезоэлектрический коэффициент d₃₃ 2 x 10^-11 K/H, можно оценить величину возникающего пьезополя Е 10 кВ/см², вполне достаточную для изменения направления спонтанной поляризации. В термоиндуцированное электрическое поле свой вклад вносит также и пироэлектрический эффект, заключающийся в изменении спонтанной поляризации кристала при изменении его температуры. Существенной особенностью сегнетоэлектрического кристалла КТР является его относительно высокая проводимость, на 3-4 порядка большая, чем проводимость ниобата лития. В тех местах кристалла, которые не покрыты пленкой, высокая поверхностная и объемная проводимости будут препятствовать образованию доменной структуры противоположного знака, так как при возникновении переполяризующего электрического поля возникает электрический ток и перераспределенные свободные заряды компенсируют наведенное электрическое поле.

После проведения первой стадии нанесенную пленку удаляют и проводят вторую стадию изготовление канального волновода в КТР.

П р и м е р. На подложку КТР с-среза размером 5х8х1 мм была напылена пленка из двуокиси кремния толщиной 10 нм. Затем фотолитографическим способом на поверхности кристалла изготавливалась периодическая структура с периодом 9,6 мкм, состоявшая из полосок SiO₂ шириной 4,8 мкм и участков незакрытой поверхности такой же ширины (см. фиг. 2). Период соответствовал квазисинхронизму 3-го порядка для длины волны накачки 0,8 мкм. Полученный образец отжигался при температуре 650^оС в течение 1 ч и охлаждался по заданному закону атмосфере сухого кислорода. После этого старая маска из SiO₂ стравливалась с поверхности кристалла, а затем изготавливалась маска, необходимая для создания оптического канального волновода в КТР (фиг. 3). Ширина окна в маске составляла 6 мкм. Далее с помощью ионного обмена из расплава систем солей нитратов рубидия и бария (соотношение молярных концентраций RbNO₃ и ВаNO₃ 97:3) при температуре 340^оС в течение 15 мин был сформирован волновод, поддерживавший распространение основной необыкновенной моды на длине волны 800 нм. Излучение Ti:Al₂O₃ лазера ( λ= 800 нм) вводилось в волновод через отполированный торец с помощью 5^х микрообъектива. Была измерена эффективность ГВГ в таком волноводе (зависимость эффективности от мощности накачки приведена на фиг. 4). Полученная удельная эффективность нелинейного преобразования составила 29% ВТ^-1см^-2 (в третьем порядке квазисинхронизма), что в пересчете на первый порядок должно соответствовать 261%/Вт^-1см^-2. Высокая эффективность нелинейного преобразования, а также дополнительные исследования подтвердили факт образования периодической доменной структуры при отжиге кристалла КТР в присутствии периодической маски из SiO₂ на его поверхности. Образование периодической доменной структуры происходило, как на -с, так и на +с поверхности кристалла.

Существенным преимуществом способа по сравнению с прототипом является возможность независимой вариации параметров получаемой доменной структуры и характеристик оптического волновода для получения оптимальной генерации второй гармоники в сине-фиолетовой области спектра с помощью волноводной структуры, изготовленной на основе кристалла КТР.

Формула изобретения

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ В КРИСТАЛЛЕ КАЛИЙТИТАНИЛФОСФАТА ДЛЯ НЕЛИНЕЙНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, заключающийся в том, что для реализации квазисинхронного нелинейного взаимодействия в кристалле формируют периодическую доменную структуру, состоящую из сегнетоэлектрических доменов противоположной ориентации с периодом, определяемым разностью волновых векторов излучения основной и преобразованной частоты, отличающийся тем, что на поверхность кристалла наносят пленку из материала, имеющего коэффициент теплового расширения и значение электропроводности, отличные от тех же параметров кристалла, а доменную структуру формируют либо с помощью нагрева до 850^oС и охлаждения до комнатной температуры, либо только путем охлаждения кристалла калийтитанилфосфат ниже комнатной температуры.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4