[发明专利]对Ⅱ型相位匹配提高钛氧基磷酸钾及其同形体的双折射

说明书

本发明涉及II型相位匹配，更具体地说，涉及把钛氧基磷酸钾(KTP)及其同形体(如钛氧基砷酸钾(KTA))的二次折射晶体用于II型相位匹配。

钛氧基磷酸钾(KTP)是一种出色的非线性光学(NLO)材料，它具有很多非线性的光学用途。它被广泛地应用于Nd的二次谐波产生(SHG)：YAG/YLF激光器；YAG激光器、染料激光器和二极管激光器的和频产生(SFG)；以及用于以毫微秒级至毫微微米级的光参量振荡(OPO)。最近，用于短波长二极管的SHG和SFG的KTP在波导、内腔和外部共振腔几何结构中的应用已获得迅速的进展。已知KTP的同形体，例如钛氧基砷酸钾，具有相似的非线性光学性质。它们在非线性光学元件中的应用也获得了进展。

对于包括频率变换在内的所有应用来说，相位匹配是关键的考虑问题之一。相位匹配描述一种传播状态，在此状态下，所有的电磁波皆以匹配速度穿过NLO物质而传播，以使波矢量的总和为零。(即，对于三束波的相互作用的情况来说，其中，而、ω_m、n_m和分别表示对每一束波(m＝1、2或3)在传播方向上的波矢重、频率、折射率和单位矢重，且C为光速。)对于大多数的应用来说，相位匹配可以简单地通过使用在NLO材料中的自然双折射作用来达到。根据这些波的偏振状态，可以将双折射相位匹配划分为I型和II型两类。虽然KTP在其整个透明范围内对SHG为I型相位匹配，然而该I型的有效非线性较小，因此不十分有用(见F.C.Zumsteg等，J.Appl.Phy.，47，P.4980(1976))。对于利用KTP的II型相位匹配来说，可以达到较大的有效非线性，然而其主要波长范围被限定在994.3nm和更长的范围内，因此防碍了有效的SHG进入在技术上很重要的光谱的蓝光区域。即使对相位匹配的波长来说，其相位匹配的条件通常十分严格，要求对光在物质中的传播方向、波长以及所说物质的温度进行精确的控制。对于KTP来说，Nd：YAG激光器在1.064μm处相位匹配SHG具有较宽容的条件；它的角度带宽约为15mrad-cm，波长带宽约为0.56nm-cm，且温度带宽约为25℃-cm(见J.D.Bierlein等，JOSA  B，6，P.622(1989))。此外，双折射作用可以导致基波和二次谐波的空间分离(离散)，这样就限制了相互作用长度并显著地降低在内腔以及共振腔SHG的应用中的性能。

对于那些当它们沿着主轴传播(通常在技术上称为非临界或90℃相位匹配)时相位匹配的波长来说，对角带宽的限制显著地放宽。对于采用KTP的SHG来说，994.3nm的波长是一种沿着Y轴的非临界相位匹配(NCPM)，它能给出一个173mrad-cm^1/2宽的角带宽、0.7nm-cm的波长带宽、175℃-cm的温度带宽以及零角离散(见Risk等，Appl.Phys.Lett.，55，P.1179(1989))。沿着X轴，有效非线性度等于沿着Y轴的两倍，NCPM波长在1.08μm处，其角带宽约相当于在1.064μm临界相位匹配时的四倍，且角离散为零(见Garmash等，Tech.Phys.Lett.，12，P.505，(1986))。另外，对NCPM，带宽按晶体长度的平方根而降低，而不是象在临界相位匹配那样按线性关系降低。很清楚，NCPM是十分理想的，特别是在应用长晶体和多模激光器的情况下更是如此。然而，对于能产生自然双折射和色散的纯KTP来说，NCPM被限定在两个不连续的波长范围内，而在这两个波长范围内没有方便的激光源。对于KTA和其他的KTP同形体也可作相似的考虑。因此，需要一种能够提高双折射的材料，以对其他的光波输入提供II型相位匹配。

本发明提供一种方法用于将电磁辐射引导入具有非线性光学特性的晶体，以利用II型相位匹配来使所说晶体产生一输出波，后者具有不同于输入到所说晶体的输入波波长的选择波长。该方法的特征在于所说的晶体主要由掺杂的MTiOXO₄(其中的M选自K、Rb和TL及其混合物，而X选自P、As及其混合物)组成，其中含有至少一种选自Fe、Nb和Ta的掺杂剂，其总量至少约为100ppm，这些掺杂剂可有效地使得被掺杂的晶体的n_Z-n_X光学双折射比没有所说掺杂剂的晶体至少提高0.001；并且由所说输入波在所说晶体内产生的输出波所具有的光学双折射高于没有所说掺杂剂的晶体所具有的最高相应光学双折射。