基于飞秒激光写制波导的PPKTP晶体倍频实验研究＊

王 珏 涂成厚 张双根 吕福云

(南开大学物理科学学院,天津 300071)

基于飞秒激光写制波导的PPKTP晶体倍频实验研究＊

王 珏 涂成厚 张双根 吕福云†

(南开大学物理科学学院,天津 300071)

(2008年11月1日收到;2009年4月9日收到修改稿)

在PPKTP晶体上进行了飞秒激光刻写波导的实验研究,优化了c-切PPKTP晶体中写制二型波导的工艺参数.当波导长度为10 mm,宽度为14.5μm,准相位匹配波长为1064 nm时,实现了单模传输.利用该波导对调Q Nd:Y AG激光进行了准相位匹配倍频实验,实现的二次谐波转换效率为39.8%.

飞秒激光,PPKTP,光波导

PACC:4262A,4280L,4265K

1.引言

利用非线性晶体实现激光频率变换一直是扩展激光波段的有效方法[1].用非线性晶体微结构波导进行激光倍频时,波导对光束具有较强的约束,基频光和二次谐波被限制在波导内耦合和传输,因此能够提高倍频转换效率,获得高质量的倍频激光.钛扩散法和质子交换法能够制备低损耗、高质量的光波导,但是它们只能制备靠近基底表面的二维波导,且制作工艺比较复杂.随着飞秒激光的发展,上述缺陷将逐渐被克服.飞秒激光是一种峰值功率极高、脉宽极窄(10-15s)的超短脉冲激光.由于飞秒激光脉冲持续时间极短,激光辐照区域淀积的能量难以通过热辐射途径逸出辐照区域,激光能量得到有效利用. 1996年,Davis等人报道了聚焦飞秒激光可诱导透明介质内折射率的增加,并且利用飞秒激光的这种特性加工出微光波导[2].在过去的10年间,研究人员深入探讨了飞秒激光微结构加工的可能性,发展了飞秒激光微结构加工技术,使之日趋成熟.飞秒激光在金属、陶瓷等不透明材料及晶体、玻璃、聚合物等透明材料中均可直接写入微结构.1999年,Homoelle等人使用红外飞秒激光在硅玻璃上制作了波导结构,并由此制作出了Y形耦合器[3].2002年,Cerullo等人利用红外散射飞秒激光光束,通过控制光束束腰和焦点位置在掺铒和掺镱的玻璃上制作出了波长为1.5μm的单模波导[4].同年,Matthias Will等人在硅玻璃上制作了波长为514 nm和1.5μm的波导[5].2004年,Gui等人使用掺钛蓝宝石激光器(150 fs,1 kHz)在LN晶体上制作了3μm宽的波导[6], 2005年,Thomson等人使用掺钛蓝宝石激光器(520 fs,5 kHz)在LN晶体上分别制作了Ⅰ型和Ⅱ型波导[7].对于在PPKTP晶体上刻写波导,国内还未见到这方面的相关研究.

在晶体中写制光波导,一般有两种刻写方式:Ⅰ型刻写和Ⅱ型刻写.对于Ⅰ型刻写,导波区域为飞秒激光聚焦的区域,此类型波导的热稳定性很难控制,尤其是在入射光能量较高的情况下.Ⅱ型刻写能够克服这个缺点,其波导区域在两个飞秒激光聚焦区域的中间(即导波区为晶体材料,其折射率高于飞秒激光刻写区的折射率),由于没有飞秒激光干扰,其热稳定性较好.

在本文中,我们使用紧聚焦飞秒激光脉冲,在c-切PPKTP晶体中写制了10 mm长的Ⅱ型波导,当波导宽度为14.5μm时,实现了光波在波导中的单模传输.使用PPKTP波导对电光调Q Nd:Y AG激光进行了有效的倍频.在室温下,当入射波长为1064 nm时,获得的二次谐波转换效率高达39.8%.

2.波导刻写实验装置

实验中所用掺钛蓝宝石飞秒激光器(HP-Spitfire,Spectr-Physics Inc.)输出的飞秒脉冲中心波长为800 nm,重复频率为1 kHz,脉冲宽度为50 fs,脉冲的峰值能量为2 mJ.图1为刻写示意图,刻写时样品置于二维机械平台上,运动速度为200μm/s,运动方向垂直于Z轴.实验中选用25倍显微物镜(NA= 0.4)直接将激光聚焦在样品表面以下约200μm处,并使用一个CCD摄像头(K A-320)监视刻写过程.实验使用的PPKTP晶体,长10 mm,厚1 mm,准相位匹配周期为9.0μm.为了刻写热稳定、单模传输的Ⅱ型波导,我们沿X轴方向对PPKTP晶体连续刻写了两条间隔14.5μm的线条.同时,利用可调谐衰减器,将脉冲能量调节到大约100μJ,从而达到刻写波导的最佳能量值.

图1 波导刻写示意图

3.倍频实验研究

KTP晶体具有很高的光损伤阈值,在室温下运行光折变效应不明显,矫顽场电压仅为LN的1/10,较容易极化反转较大厚度的晶体,适合在高功率、大孔径激光系统中应用.

图2 使用PPKTP波导倍频示意图(插图为波导端面的显微图样)

实验使用的PPKTP晶体是由外加极化电场法制成的[8].我们对晶体的两个端面进行了抛光处理并镀上对532 nm高透的薄膜.利用PPKTP波导进行倍频实验的过程如图2所示.使用调Q Nd:Y AG激光器(Continuum Surelite II-10)作为基频光源,输出激光的脉冲宽度为5 ns,重复频率为10 Hz,中心波长为1064 nm.通过空间滤波器,得到光脉冲的空域图形近似于高斯型.使用两块格兰棱镜(G lan prism)进行偏振选择和衰减光能量的作用.M1和M2为光衰减器,也起到衰减光能量的作用.将Z方向偏振光通过10倍显微物镜(NA=0.25)耦合到波导内.在准直透镜后,放置一滤波器,将99.5%的基频光反射,并通过90%的倍频光.最后用光功率计、光谱仪、光探测器和示波器测量倍频光.

使用高分辨率光谱仪(Ocean Optics)测量的二次谐波光谱图像,如图3所示.光谱半强度全宽为1.2 nm,波形的非对称性是由于脉冲在波导中传输过程中的色散和非线性效应造成的.为了观测该写制波导的传输特性,将基频光耦合到波导内,倍频激光经过10倍的显微物镜(NA=0.25)扩束.用相机观测到的倍频光近场图样,如图3插图所示.通过我们的实验可以发现,只有Z方向的偏振光可以在该波导中传输.的最大转换效率为39.8%.

图3 使用1064nm基频光抽运的二次谐波光谱图像(插图为二次谐波的近场图样)

图4 经过波导后的二次谐波与抽运波的光谱图像

图5 二次谐波脉冲能量随基频光能量变化曲线,以及相应的转换效率

虽然我们使用了一个显微物镜以确保激光与波导的准确耦合,但是仍然还有部分基频光没有进入波导而被损耗掉.将滤波器移开之后,使用光谱仪可以同时观测到二次谐波和基频波的光谱图像.经过波导后剩余的基频光光谱强度小于倍频光的三分之一,如图4所示.因此可以得出,耦合到波导中的基频光已经有效的转换为二次谐波输出.

在分离了基频光后,测得的二次谐波脉冲能量和倍频转换效率随入射基频光脉冲能量的变化,如图5所示.当入射光波长为1064 nm时,产生的二次谐波能量与基频光的能量近似成线性关系,当入射光为317.76μJ时,二次谐波能量为126.4μJ,得到

4.结果与讨论

本文对飞秒激光在PPKTP晶体上刻写波导进行了初步探索.首先,使用飞秒激光刻写光波导,要确定KTP晶体的损伤阈值,当激光的脉冲能量超过晶体的损伤阈值时,刻写的通道没有波导特性,同时晶体会受到不同程度的损伤.实验所用的激光脉冲能量为20—200μJ,样品移动速度为100—300μm/s.综合考虑激光脉冲能量、扫描速度和激光聚焦光斑的大小,则激光强度在8—800 kW/cm2之间变化.实验中发现,激光脉冲能量在100μJ左右,扫描速度在200μm/s时刻写的通道具有较好的波导特性.

其次,实验中发现,波导区域的大小和均匀性主要取决于飞秒激光脉冲的能量和晶体的移动速率,采用较低的激光功率和移动速度可以获得较好的刻写效果.由于飞秒激光峰值功率极高,受自聚焦、色散等因素的影响,能量在空间上分布不均匀,使焦点处产生的改性区域不对称,其横截面底部较宽,而且其折射率的变化在同一截面的不同位置处分布也不一样.在实验中,我们通过改变激光功率、透镜数值孔径等参数,优化了改性区域的横截面形状.使用掺钛蓝宝石飞秒激光器,沿X轴方向对PPKTP连续刻写了两条间隔14.5μm的线条,当脉冲能量为100μJ时,制备的光波导效果最好.实验成功写制了热稳定性良好的Ⅱ型波导,并实现了单模传输.随后,用Nd:Y AG调Q激光器作为基频光源,进行了飞秒激光刻写PPKTP波导的倍频实验,在室温下,获得的532nm短脉冲倍频激光的二次谐波转换效率为39.8%.我们将实验结果与未刻写波导的PPKTP晶体进行比较:相同条件下倍频效率从26%升至39.8%,其效率提高了53%.并且,趋于发散的光斑模式得到有效的改善.规则的光斑近场分布,有利于波导与光纤的直接耦合.

这些研究表明利用飞秒激光在透明材料进行三维微制备的技术在微电子、微光学、光通信和生物医学等高技术领域将有广阔的应用前景.

感谢天津大学的于建老师提供了性能良好的PPKTP晶体.

[1]Chen YL,Yuan J W,Yan W G,Zhou B B,LuoY F,Guo J 2005 Acta Phys.Sin.54 2079(in Chinese)[陈云琳、袁建伟、闫卫国、周斌斌、罗勇锋、郭 娟2005物理学报54 2079]

[2]Davis KM,Miura K,Sugimoto N,Hirao K 1996Opt.Lett.21 1729

[3]Homoelle D,Wielandy S,Gaeta A L,Borrelli N F,Smith C 1999 Opt.Lett.24 1311

[4]Cerullo G,Osellame R,Taccheo S,Marangoni M,Polli D, Ramponi R,Laporta P,De Silvestri S 2002Opt.Lett.27 1938

[5]Matthias Will,Stefan Nolte,BorisN Chichkovet al2002App.Opt. 41 4360

[6]Gui L,Xu B,Chong T C 2004IEEE Photonics Technol.Lett.16 1337

[7]Thomson R R,Campbell S,Blewettet IJ,Kar A K,Reid D T2006 Appl.Phys.Lett.88 111109

[8]Yamada M,Nada N,Saitoh M,Watanabe K 1993Appl.Phys. Lett.62 435

PACC:4262A,4280L,4265K

Experimental research on frequency doubling in periodically poled KTiOPO4waveguide fabricated by femtosecond laser＊

Wang Jue Tu Cheng-Hou Zhang Shuang-Gen LüFu-Yun†
(College of Physical Science,Nankai University,Tianjin 300071,China)

1 November 2008;revised manuscript

9 April 2009)

We present in this paper the fabrication and characterization of type II waveguide inc-cut periodically poled KTiOPO4crystal.The waveguide was fabricated by using a femtosecond laser,and the fabrication process was optimized.In our experiments single mode propagation was observed at optimal waveguide width of 14.5μm and quasi-phase matching wavelength of 1064 nm.The second-harmonic conversion efficiency of 39.8%can be achieved.

femtosecond laser,PPKTP,waveguide

＊国家自然科学基金(批准号:60677013)和高等学校博士学科点专项科研基金(批准号:20060055021)资助的课题.

†E-mail:lufy@nankai.edu.cn

＊Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.60677013)and the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China(Grant No.20060055021).

†E-mail:lufy@nankai.edu.cn