[发明专利]一种提高CO2激光器倍频效率的准相位匹配晶体制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用硒化锌单晶制成的准相位匹配倍频器件，用于CO₂激光器倍频产生中红外激光，属于非线性光学晶体领域。 

背景技术

CO₂激光器倍频光处于中红外波段，中红外激光有很好的大气传播特性，同时还具有在海平面上低的分子吸收系数和气悬物散射系数，是大气中衰减最小的红外窗口，因此成为人们所期望的实用相干光源。有效对CO₂激光倍频，对于获得大功率、小体积、可靠度高的实用性中红外激光有着重要的意义。准相位匹配方式相对于双折射匹配方式可以获得更高的转换效率，常用的晶体是砷化镓，这种材料折射率高，菲涅耳损耗大。目前制备的准相位匹配晶体通光孔径小、晶体长度短、光学损耗大。用键合方式制备的准相位匹配晶体通光孔径大，但传统扩散键合需要高温、高压条件，晶体存在位错、表面氧化等问题，导致晶体光学损耗大，严重影响倍频转换效率。 

除了扩散键合的方法，其它制备准相位匹配晶体的方法目前难以实现大功率、高效率倍频。2004年，斯坦福大学的K.L.Vodopyanov等人，发展了分子束外延生长和氢化物气相沉积外延生长准相位匹配晶体技术，但是生长出来的准相位匹配晶体通光孔径小。直到现在，这种方法制备的准相位匹配晶体通光直径依然不到2mm(文献1，Vodopyanov K L，Levi O，Kuo P S，et al.Optical parametric oscillation in quasi-phase-matched GaAs：Lasers and Electro-Optics(CLEO)，2004.Conference on[Z].2004，pp1-3；文献2，Gonzalez L P，Upchurch D C，Schunemann P G，et al.Continuous-wave second harmonic generation of a tunable CO₂ laser in orientation-patterned GaAs：Lasers and Electro-Optics(CLEO)，2011.Conference on[Z].2011，pp 1-2)。另一种方法是光学接触的方式，将晶体表面抛光至原子尺度的粗糙度和表面平整度，常温下将晶片贴合在一起。由于光学接触无需高温高压，所以损耗小，但是这种方式抛光工艺要求高，可以大尺寸制造，但实现难度极大，因此层数较少，目前世界报道的最多可以贴合到十几层(文献3，Walter C.Hurlbuta，Vladimir G.Kozlova，Konstantin Vodopyanovb.THz-wave generation inside a high-finesse ring-cavity OPO pumped by a fiber laser，2011，Vol.7582)。综上所述，制备准 相位匹配晶体方法中，外延生长的方法目前难以大尺寸通光，不适合产生高功率倍频光；光学接触的方式由于目前贴合层数少，转换效率低。 

我们提出的用硒化锌晶体低温键合制备准相位匹配晶体，利用了该晶体在CO₂倍频方面优良的性质，具有较高的品质因数，同时低温键合技术损耗小的特点制备适合大功率输出的CO₂倍频晶体。 

发明内容

本发明的目的在于克服目前制备准相位匹配晶体畴反转周期少，通光孔径小，光学损耗大的问题，提出一种提高CO₂激光器倍频效率的准相位匹配倍频方法。 

一种提高CO₂激光器倍频效率的准相位匹配晶体制备方法，其特征在于：用硒化锌单晶作为准相位匹配倍频晶体，将硒化锌单晶垂直<110>方向切割成多个规格相同的厚度为100-120μm的薄片，相邻晶片极化方向相差180°，晶片的表面抛光后经过氢离子束轰击处理，通过键合技术将相邻硒化锌晶片牢固结合，使多层晶片形成一体。 

进一步，使用氢离子束清洗硒化锌表面，清洗过程在真空度小于5*10^-5Pa的真空中进行，轰击时间为20分钟；键合过程在超高真空中进行，真空度小于10^-7Pa，晶片整体均匀加温到200℃，晶片均匀施加10kg/cm²的压力，保持60分钟，最后退火到室温。