光栅摄谱仪的改进及其在周期性极化的铌酸锂晶体倍频研究中的应用

由于电荷耦合器件(CCD)具有光谱响应范围宽、检出限低、动态范围宽、暗电流和读出噪声低以及具有积分信号、多道同时检测和实时检测等能力的优点,在光谱测量和光谱成象领域获得了广泛的应用。将传统的1m光栅摄谱仪和科学CCD相结合,使其具有实时快速测量激光光谱的能力。将其应用于宽带双包层光纤激光在周期性极化的LiNbO3晶体(PPLN)中倍频特性的研究,观察到了倍频激光光谱随PPLN控制温度的动态变化过程,并对此进行了详细分析。

应用于1064 nm倍频实验的啁啾周期极化铌酸锂晶体的结构设计与角度鲁棒性测试

通过倍频技术产生的532 nm固体激光器是目前应用最广泛的激光器之一,其最常用的倍频晶体三硼酸锂(LBO)在角度鲁棒性与倍频效率上仍有不足.为获得具有较好的角度鲁棒性的倍频晶体,实现激光器结构复杂度的降低与稳定性的提升,本文从角度鲁棒性的理论分析出发,对啁啾周期极化铌酸锂(CPPLN)晶体的结构进行设计,并对其进行理论仿真与实验测试.模拟仿真的结果表明,该设计结构的CPPLN晶体具有良好的角度鲁棒性,在-3°至+3°的范围内倍频效率一直维持在最高倍频效率的60%以上.倍频实验的结果显示可以达到LBO晶体的11倍以上.同时CPPLN晶体的倍频光功率关于入射角度的半高宽可以达到6°以上,并且出射光斑为标准的高斯光斑,几乎不受入射角度的影响.研究表明,CPPLN晶体具有远高于LBO晶体的倍频效率,且角度鲁棒性优于LBO晶体的角度鲁棒性.

极化电极均匀化设计调控铌酸锂周期极化占空比

准相位匹配(QPM)理论上能够充分利用晶体的非线性光学系数、无走离效应,在光学频率转换中具有非常大的优势。铌酸锂晶体(LiNbO_(3),LN)具有高非线性光学系数、宽通光范围和低生长成本,因此基于铌酸锂铁电畴结构设计获得的周期极化铌酸锂晶体(PPLN)成为准相位匹配技术的理想选择。目前制备PPLN晶体最常用的方法是外加电场极化法,制备过程中,电极结构的参数对极化过程至关重要。本研究基于实时监测下的电场极化过程,结合有限元分析,对不同电极结构的空间电场分布进行分析,发现电极边缘出现电场极大值,而电极内部的电场分布相对均匀。基于这一现象,本文提出了一种多通道电极结构的设计方案,以实现极化空间内部电场的均匀分布。本研究采用十通道电极进行极化实验,通过表征每个通道的占空比,发现内部八个通道的占空比大小均匀且在50%±5%范围,通过晶体的倍频实验验证发现十通道周期极化样品中中间通道相对边缘通道的非线性转换效率明显提升并分布均匀,证明其中间通道具有占空比可控的均匀极化结构,为极化空间电场均匀化设计提供了一种高效合理的设计方案。

光纤端面耦合周期极化铌酸锂(PPLN)薄膜波导器件的研究

通过有限元模拟器从理论上分析了在理想光学系统中实现光纤与周期性极化铌酸锂(PPLN)波导之间高效耦合的可行性。仿真模拟了单模保偏光纤和透镜光纤在空间中的发散情况。针对截面尺寸为10μm×10μm、长度为20 mm的PPLN脊形波导,进行了与两种不同光纤的直接端面耦合模拟分析。分析发现,尽管透镜光纤的耦合效率高达95%,但其基模占比却不足5%。鉴于PPLN倍频器件主要依赖于激光的基模进行工作,这使透镜光纤的耦合效率在实际应用中显得相对较低。相比之下,单模保偏光纤的基模占比高达93.8%,显示出更为优越的性能。因此,本文选择了单模保偏光纤与PPLN脊形波导进行封装测试。实验结果表明:当温度为24.8℃,从光纤放大器输出的泵浦功率最大为1.6 W时,计算扣除输入端光纤与波导的耦合损耗后的输入泵浦功率为1.2 W,光纤到波导的耦合效率为75%,略高于当前已知的最高效率72%。1 560 nm基频光的输入功率为1.2 W时,最大输出653 mW的倍频光,光光转换效率达到了54.4%,归一化转换效率为20.2%/(W·cm^(2))。

坩埚底角形状对提拉法生长同成分铌酸锂晶体的影响

铌酸锂晶体集压电、非线性、电光、光折变等效应于一身,同时其物理化学性质稳定,在集成光学领域极具应用潜力。然而,大尺寸铌酸锂晶体生长的热场设计难度大,其中坩埚形状作为热场设计的重要因素,对晶体生长的影响显著。坩埚直径和高度受制于装料量和晶体直径等硬性约束,因此通常通过改变坩埚局部的形状以改善热场。针对坩埚底角形状对大尺寸同成分铌酸锂晶体生长的影响,本研究使用两种底角形状的坩埚进行了四英寸同成分铌酸锂晶体生长实验。通过数值模拟,分析了坩埚底角形状对固液界面附近晶体内和熔体内轴向温度梯度的影响,以及对固液界面下方熔体内温度分布的影响,进而结合晶体生长结果分析了坩埚底角形状对晶体生长的影响。研究表明:坩埚底角形状的变化会引起坩埚侧壁上温差的变化和熔体内温度梯度的变化,并改变熔体自然对流的强弱;与底部斜角坩埚相比,使用底部弧角坩埚时,固液界面附近晶体内和熔体内的轴向温度梯度较大,固液界面下方熔体内的轴向温度梯度较大,自然对流更强。这一研究结果有助于解决晶体生长脊展宽和胞状界面生长等问题。

铌酸锂单晶薄膜化学机械抛光及极化研究

使用化学机械抛光制备硅基铌酸锂单晶异质集成薄膜,研究了在薄膜制备过程中不同阶段下薄膜状态,利用原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱分析(XPS)对单晶铌酸锂的表面形貌与元素含量变化进行了表征,并通过高压极化装置对铌酸锂薄膜实现了大面积周期性极化。研究结果表明,随着研磨步骤的进行,样品表面粗糙度逐渐降低,完成最终抛光工艺后,样品表面均方根粗糙度基本达到初始样品水平;抛光过程会导致Li缺失,但是可以通过后续工艺进行修复,研磨过程中引入的杂质元素会随着工艺的进行逐渐被去除,最终得到高质量硅基铌酸锂单晶薄膜;使用高压极化装置对铌酸锂薄膜进行极化,得到周期极化的条形电畴反转单元结构。该研究对制造基于铌酸锂的高性能传感器件具有重要意义。

基于严格耦合波理论的周期性极化铌酸锂晶体的电光衍射性质分析

采用严格耦合波理论,数值计算了不同参量下周期性极化铌酸锂晶体的电光衍射性质.研究表明:周期性极化铌酸锂晶体的周期性畴反转结构在电场的作用下相当于折射率衍射光栅,衍射性质和晶体的几何结构、周期、施加电场和入射角密切相关.以布喇格角度入射并满足布喇格衍射条件时,0级衍射光能量随施加电场的增大周期性地转化到-1级的衍射光中,最大转化效率达100%,增大周期性极化铌酸锂晶体的长度可以有效地降低转换电压值;以布喇格角度入射但光传输不满足布喇格衍射条件时,0级衍射光和-1级衍射光不能进行100%的能量转换,同时调制的周期性受到破坏.以布喇格角的倍数角入射时,0级光能量可以转化到相应的其他较高衍射级次,其中奇倍数衍射级的最大转换效率可达100%.研究结果为基于PPLN的集成电光器件设计提供有价值的参考.

周期性极化铌酸锂晶体的电光复合逻辑门

根据准相位匹配线性电光效应耦合波理论,基于单个周期性极化铌酸锂晶体,提出了外电场可控的电光复合与门、或门的逻辑计算方法.采用级联周期性极化铌酸锂晶体,探讨了外电场可控的电光复合逻辑异或门、半加法器、半减法器的逻辑计算方法.在外加电场分别为0.184KV/mm和0.368KV/mm条件下,分析了光波的波长、方位角和极角、晶体的温度对逻辑输出的影响.研究结果表明,基本逻辑门的逻辑计算能够成功实现,但其逻辑计算对光波波长、晶体温度、方位角和极化角非常敏感,这些参量轻微的变化会导致逻辑输出的改变.该方案可推广到更为复杂的基本逻辑门以及三个以上逻辑输入与输出的基本逻辑门中.

基于周期性极化铌酸锂晶体的Solc滤波器的研究

由于室温极化技术的逐渐成熟，准位相匹配非线性光学技术已经广泛用于可见和近中红外相干光频率转换．这其中最成熟的就是周期性极化铌酸锂(PPLN)，除了非线性光学系数以外，电光系数同样会由于铁电畴的周期性反转而周期性地被调制．如果把PPLN的每个畴看成一个半波片，相邻的不同畴的光轴由于横向电光效应而形成一个很小的夹角，

铌酸锂晶体电光系数的误差分析

电光系数是铌酸锂晶体的重要性能参数,密切关系着电光器件的设计和应用.然而由于铌酸锂晶体的合成条件不相同使得晶体的电光系数没有理论值,给电光系数测量值的误差分析带来困难.本文从数值分析的角度,利用开源的Python程序包拟合实验数据,得到拟合参数及其不确定度,再由误差传递理论推导出晶体的电光系数及其误差.本文利用半波电压法测量晶体电光系数的相对误差小于2%,具有很高的精度.文中还给出了当前广泛使用的Python程序的拟合源代码,欢迎相关科研人员参考使用.

飞秒激光直写铌酸锂晶体半包层光波导

本文采用飞秒激光微纳加工技术在铌酸锂(LiNbO_(3))晶体中成功制备了直径为30、40和50μm的半包层波导,并通过端面耦合技术对其导波性能进行测试,得出半包层波导在633、1550 nm波长下具有优良的传输性能,且仅支持TM偏振方向传输,具有单偏振性;通过计算波导的传输损耗,得出了30μm直径的波导在633及1550 nm波长下传输性能最佳。并且通过Rsoft软件理论计算,证明了实验结果的合理性。本研究结果为光波导设计和性能优化提供了重要的参考,具有一定的实验和理论价值。

周期性极化掺镁铌酸锂晶体光参量振荡研究

为了实现高转化率3μm红外激光光参量振荡输出,采用外加脉冲电场法在厚度为1mm、掺摩尔分数为0.05的镁铌酸锂晶体上成功制备了周期为31.2μm的极化光栅,理论计算并模拟了1064nm激光抽运周期极化铌酸锂晶体时,闲频光波长随温度的对应关系,并进行了实验验证。利用1064nm声光调Q Nd∶YAG激光器作为抽运源对样品进行了光学参量振荡实验,其中,脉冲激光脉宽为200ns,重复频率是20k Hz。在控制温度为80℃、输入抽运光功率为5.567W时,光参量振荡输出波长3μm的闲频光功率为1.141W,光光转换效率达到20.1%。结果表明,通过此方法制备的周期性极化铌酸锂晶体光参量振荡,具有较高的光光转换效率。

周期性极化铌酸锂晶体光参量振荡调谐特性分析

该文在周期性极化铌酸锂晶体光参量振荡工作机理上,讨论了其波长调谐特性与外加电压、晶体温度的关系,比较了两种外加电压方法,在不同占空比下其调谐特性的差异.

基于掺镁周期极化铌酸锂晶体的内腔单共振连续可调谐光参量振荡器

为了用简单、紧凑的谐振腔获得稳定的激光输出,大的调谐范围和转换效率,设计了信号光单共振V型光学参量振荡(OPO)腔,采用内腔式抽运周期极化掺镁铌酸锂晶体(PPMgLN)的光学参量振荡技术获得了连续中红外宽波段调谐激光的输出。用808nm半导体激光抽运Nd∶YVO4晶体产生的1 064nm激光作为光参量振荡的基频光,通过V型腔灵活控制激光光斑并改变PPMgLN的极化周期和控制温度实现了2 249～3 706nm中红外的连续宽波段调谐激光输出。在半导体激光抽运功率为10.5W,极化周期为29.98μm,控制温度为411K的情况下获得了最高650mW的中红外激光输出,对应的中心波长为3 466nm,线宽为2.6nm,具有较好的单色性。在7.5W的入射功率下,最高808nm抽运光到闲频光的转化效率达7.73%,对应输出功率为580mW。

高掺镁铌酸锂晶体周期极化及倍频特性研究

研究了掺镁(5mol%)铌酸锂晶体的周期极化特性,发现晶体的极化矫顽场仅为3kV/mm,根据镁掺杂对晶体本征缺陷的影响解释了极化矫顽场降低的原因.采用短脉冲极化电场,对极化电流的热效应进行抑制从而消除了晶体均匀性对制备周期极化光栅的影响,在1mm厚的掺镁(5mol%)铌酸锂晶体上成功制备出了均匀的周期极化光栅.在室温下,利用1.064μm的Nd:YAG调Q激光器对得到的周期极化掺镁铌酸锂晶体进行了倍频实验,在输入功率为75mW时,得到3.5mW的532nm倍频绿光输出,转换效率为4.6%.

近化学计量比掺镁铌酸锂晶体周期极化特性研究

采用汽相输运平衡技术制备出了高质量近化学计量比掺镁铌酸锂晶体 ,系统研究了晶体中的 [Li]/ [Nb]比含量对其畴极化电场的影响 .实验结果表明 :随着晶体中 [Li]/ [Nb]比的提高 ,畴极化反转电场呈明显下降趋势 ,使用近化学计量比掺镁铌酸锂晶体 ,我们在 3.5± 0 .1kV/mm大小的外加极化电场条件下 ,成功地实现了 1.0mm厚度的周期极化畴反转 .我们用铌酸锂晶体的缺陷模型对实验结果给出了合理的解释 .

周期极化近化学计量掺镁铌酸锂晶体倍频研究

采用气相输运平衡技术 ,对不同掺镁浓度的铌酸锂进行了近化学计量处理 ,并检验了其抗光折变性能。实验结果表明 ,掺摩尔分数为 2 %的镁的近化学计量铌酸锂晶体 ,光折变阈值比同成分晶体提高了 4个量级。通过施加 4 .5kV/mm的脉冲电场 ,在上述 1.0mm厚z切晶体上制备出了周期为 6 .8μm的均匀畴结构。采用声光调QNd∶YAG激光器作抽运光源 ,基频光波波长为 1.0 6 4 μm ,平均输入功率为 2 30mW ,在室温条件下 ,得到波长为0 .5 32 μm,输出功率为 2 .8mW的倍频绿光输出 ,倍频转换效率为 1.2 2 %。

基于周期性极化铌酸锂的波长可调谐光参量振荡器(英文)

本文报导了基于周期性极化铌酸锂 (PPLN)波长调谐准相位匹配 (QPM)的光学参量振荡器 ,该光学振荡器是由一个声光Q开关连续二极管泵浦的Nd :YVO4激光器所泵浦。采用温度、角度和周期调谐就能获得宽的波长调谐输出。论文对这几种调谐方式进行了分析比较 ,这对于实现宽波长、快速、连续调谐相干光源是有益的。

周期极化掺镁铌酸锂晶体光参变产生研究

为了获得1.5μm波段可调谐红外光输出,采用短脉冲电场极化法,在1mm厚的掺镁(摩尔分数为0.05)铌酸锂晶体上成功制备了周期为29μm的极化光栅。利用声光调QNd∶YVO4固体激光器直接抽运PPMgLN晶体,开展了OPG光学转换研究工作。在输入3W的抽运光时,得到信号光输出功率为44mW,转换效率1.5%。并通过调谐晶体温度(45℃~160℃),获得了调谐范围1.4538μm^1.4750μm的信号光输出。实现了可调谐红外光的输出,验证了晶体周期结构的均匀性。

高功率宽调谐输出的多周期极化铌酸锂晶体光学参量振荡器(英文)

利用掺杂浓度为5mol%的掺氧化镁多周期极化铌酸锂晶体实现了高效单谐振的准相位匹配光参量振荡器,所使用的周期极化铌酸锂晶体有6个周期,且以1μm为间隔,从26.5～31.5μm.该光参量振荡器以脉宽为150ns,重复频率为10kHz的声光调QNd∶YAG激光器为泵浦源,且泵浦光波长为1.064μm.通过控制晶体的温度(50～200℃)以及改变晶体的极化周期(26.5～31.5μm),可由该光参量振荡器获得2.83～2.89μm,3.10～3.38μm,3.57～3.78μm,3.95～4.12μm,4.28～4.46μm,4.65～4.79μm的闲频光连续调谐输出.且当泵浦功率为8.15W时,在闲频光输出波长为3.33μm处,获得了最大输出功率2.17W.