[发明专利]高效中红外差频产生激光器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于针对激光器技术领域，具体涉及一种高效中红外差频产生激光器及其制备方法。

背景技术

中红外激光位于波长2.5-25μm范围内，包含了3-5μm和8-12μm两个重要的大气窗口，而且许多气体分子、毒剂、空气、水、土壤污染物、爆炸物等在这一波段都具有特征光谱，这些特性使得中红外激光在光谱学、通讯、环保、化学、生物、医药及国防等诸多领域具有非常重要的应用价值，特别是在大气痕量气体高灵敏度检测领域具有重要的地位。比如CH₄、NO、SO₂等气体在中红外波段存在强烈的基带吸收,其吸收强度比在近红外波段高2-3个数量级，可通过中红外激光进行高灵敏的探测。迄今，基于不同激光产生机理出现了多种中红外光源，如量子级联激光器、铅盐激光器、色心激光器、参量振荡等领域。但就现有技术水平而言，这些激光器仍存在诸如需低温制冷、激光线宽宽、无跳模运转范围小，价格昂贵等问题，在高灵敏度痕量气体检测应用中存在一定的局限。另一方面，基于晶体二阶非线性效应的中红外差频产生(DFG)激光光源(例如1064nm和1550nm两个波段基频光源组合差频转换得到3393nm中红外光源)，与传统激光光源相比，由于具有成本相对较低、结构简单、调谐方便、室温运转和无阈值限制等优良特性，受到了广泛关注。此外，利用非线性晶体差频可以拓展传统激光器的波长范围，还可以在温室条件下实现连续、宽调谐、窄线宽中红外光源。目前用于中红外差频转换常见的晶体有PPLN、KTP、BBO、PPLT、AgGaS₂，其中PPLN晶体是当前应用前景较好，最具有吸引力的中红外差频转换晶体，由于PPLN具有良好的物理机械性能、较高的非线性光学系数、透光范围宽、透过率高以及商品化程度高等优良特性,已成为集成光学和非线性频率转换最常用的无机介电晶体材料。实验发现，在LiNbO₃晶体生长时掺入一定摩尔比的MgO，形成MgO:LiNbO₃晶体，可提高晶体的抗光损伤阈值，其抗光损伤能力比LiNbO₃增强了约100倍，能适应波导器件对高光功率密度承受能力的要求。

目前基于MgO:PPLN中红外差频产生激光光源有两种技术，一种是基于块状MgO:PPLN晶体的非线性频率转换技术，另一种是基于波导的非线性频率转换技术。对基于块状MgO:PPLN晶体的中红外差频光源而言，其具有价格便宜、性能稳定、输出光束质量好，但其突出的缺点是由于光斑尺寸与晶体长度之间存在制约，这使得DFG的转换效率较低。如何提高中红外DFG光源的转换效率，研究表明，其关键在于高效率非线性频率转换器件的研制。若将非线性频率转换器件MgO:PPLN晶体做成MgO:PPLN波导结构，MgO:PPLN波导的模式效应将激光光束约束在截面积很小的区域内传输，可极大地提高光功率密度和光场的耦合系数，相应的也大大的提高了中红外差频转换效率。

对于MgO:PPLN波导，根据光在传播方向上受到的限制，波导可以分为平面光波导(在一个方向上限制光场)和条形光波导(在两个方向上限制光场)。最近研究表明，若将平板波导制备成脊形结构，由于脊形波导上表面和两个侧面直接与空气接触，折射率对比度高，对激光光束具有很强的约束能力，可有效提高激光变频效率。且脊形波导具有非常优越的抗光折变性能，增强了波长转换的稳定性，提高了波长的转换效率。2011年，加拿大麦克马斯特大学徐长青教授研究组首次利用退火质子交换(APE)技术制备了MgO:PPLN脊波导，在绿光倍频实验中获得了高达53％的光光转换效率。尽管如此，有关基于该新型脊波导的高效中红外差频转换的应用仍未见报道。其主要技术难点在于，退火质子交换工艺制备的波导存在波导区域折射率渐变分布的特点，这使得该器件在用于中红外差频转换时存在基频光和闲频光模场分布重叠因子小，转换效率低等问题。如何将这种新型晶体脊波导的差频应用拓展至中红外波段，充分利用成熟的退火质子交换工艺和脊波导的优良特性依然是该领域的一个难点。

发明内容

本发明的目的提供一种高效中红外差频产生激光器及其制备方法，提出了采用反质子交换工艺结合金刚石划片切割技术形成一种新型的脊波导，从而来克服基频光和闲频光模场重叠因子小，转换效率低的问题。基于这种新型的脊波导器件，构建了一种新型的高效中红外差频产生激光器。并通过具体方法解决了如何将这种新型晶体脊波导的差频应用拓展至中红外波段、充分利用成熟的退火质子交换工艺和脊波导的优良特性依然是该领域的一个难点的问题。