周期极化

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周期极化(periodic poling)

定义:用于在透明晶体材料中实现非线性相互作用中准相位匹配的一种技术

非线性晶体材料的周期性极化是用于获得非线性相互作用中准相位匹配[1]的技术。它涉及一种在非线性晶体中产生周期性畴反转(domain inversion),使得非线性系数的符号也发生改变。


铁电畴工程学(Ferroelectric Domain Engineering)

最常用的周期性极化技术是铁电畴工程学[2]。其将一个强电场经由图案化的电极打到铁电晶体的晶体表面,该电极通常利用光刻工艺制备而成,具有几微米和几十微米的周期。极化周期(即电极的图案周期)决定了非线性过程中哪些波长可以满足准相位匹配条件。发生畴反转的电场需要大于所谓的矫顽场强度,对于同成分铌酸锂(congruent LiNbO3)而言,该强度约为21kV/mm。在施加如此强的电场时需要注意避免在空气中的放电和对晶体破坏。对于厚的样品(大于0.5mm),极化过程则变得很具有挑战性,因为有时只能在电极附近的区域获得较好的极化质量。另一个挑战是实现高质量的小极化周期(远低于10um),这种周期性极化结构的晶体可以用于倍频产生可见光。化学计量铌酸锂(Stoichiometric LiNbO3)的矫顽场强度约为2 kV/mm,从而极大地方便了周期性极化,即使对于更厚的样品也很容易获得好的极化质量。

需要注意的是极化过程的需要对不同的非线性晶体进行细节调整,包括:晶体表面的制备,电极材料,电极的制造,电脉冲的持续时间、大小、形状(常常需要进行实时的监测控制),以及极化过程的温度。有时还有需要一些方法来抑制畴的反向变换,或利用畴的反向变换来实现高质量极化[4]。

适合实现周期性极化的铁电的非线性晶体材料包括:铌酸锂(LiNbO3),钽酸锂(LiTaO3),磷酸氧钛钾(KTP,KTiOPO4)和 砷酸氧钛钾(KTA,KTiOAsO4)。周期性极化的材料,常常在晶体名字前面加一个“PP”的开头,例如PPKTP(周期性极化KTP),PPLN(周期性极化铌酸锂)和PPLT(周期性极化钽酸锂)。PPLN和PPLT晶体通常用于光学参量振荡器倍频器中,并且可以制备成非线性波导的结构形式。波导结构的PPLN使得即便功率较低时也可以获得较高效率的非线性相互作用。

可以通过周期性极化的方法一次性的极化一整个晶体晶片,然后在将其切割成许多小晶体。利用这种方法可以实现低成本的大批量生产,而小批量生产周期性极化材料的单片成本则相对高很多。


玻璃的周期性极化

也有一些对于光纤进行的周期性极化的尝试。这种尝试是可能的,因为一个施加一个强电场(在真空室中,连同高温)一段时间后,可以使得最初各向同性的玻璃诱导产生χ(2)非线性。即使最终的非线性系数不是很高,但通过适当增加光纤长度依然可以在全光线结构中实现高效的非线性频率变换。

参考文献

[1] P. A. Franken and J. F. Ward, “Optical harmonics and nonlinear phenomena”, Rev. Mod. Phys. 35, 23 (1963) (first report of periodic poling)

[2] M. Yamada et al., “First-order quasi-phase matched LiNbO3 waveguide periodically poled by applying an external field for efficient blue second-harmonic generation”, Appl. Phys. Lett. 62, 435 (1993)

[3] G. Miller, “Periodically poled lithium niobate: modeling, fabrication, and nonlinear-optical performance”, http://nlo.stanford.edu/content/periodically-poled-lithium-niobate-modeling-fabrication-and-nonlinear-optical-performance, Ph. D. thesis at the University of Stanford (1998); see also references therein

[4] R. G. Batchko et al., “Backswitch poling in lithium niobate for high-fidelity domain patterning and efficient blue light generation”, Appl. Phys. Lett. 75, 1673 (1999)

[5] K. Nakamura et al., “Periodic poling of magnesium-oxide-doped lithium niobate”, J. Appl. Phys. 91 (7), 4528 (2002)


参阅:准相位匹配非线性晶体材料