一种长波长中红外片上集成光参量转换装置

1.本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种长波长中红外片上集成光参量转换装置。


背景技术：

2.目前实现4μm以上的长波长中红外激光片上集成装置主要包括以硅锗材料、硫系玻璃、氮化铝等为核心的激光波导结构，然而，由于材料本身的特性，以上述材料为核心的片上集成装置多是基于材料的三阶非线性产生中红外激光，通常情况下效率较低，并且需要必要且耗时的色散管理和相对比较复杂的波导设计。
3.以非线性晶体二阶非线性为核心的参量下转换技术是现阶段产生中红外激光的另外一种技术手段。实现光参量转换需要借助于非线性晶体和一些新型的周期性极化晶体，通常情况下，只需要选择合适的晶体和入射激光的频率就可以实现任意波段的中红外激光输出。然而目前这类光参量转换装置多数利用块状晶体产生中红外激光，并且要求严格、复杂的光路设置，导致其结构冗余，体积庞大；同时泵浦阈值较高，转换效率较低。因此，设计并实现基于非线性晶体二阶非线性的片上集成装置用于产生低阈值高效率的中红外激光一直是研究人员的关注重点，目前仅有基于铌酸锂晶体的片上集成装置面世，然而受限于铌酸锂晶体的透明窗口限制，其输出波长仍被限制在4μm以内。非氧化物晶体的透明窗口可达10μm以上，因此实现该类晶体的片上集成装置用于产生高效率的长波长中红外激光是亟待解决的问题。
4.另一方面，为了实现高效率10μm以上长波长中红外激光输出，基于非氧化物晶体的波导尺寸一般应在μm量级，应用传统的光刻技术(湿法刻蚀、离子束刻蚀、等离子体刻蚀等)进行该类激光晶体波导的制作耗时将会较长，并且考虑到众多非氧化物晶体的物质结构的特异性，传统光刻技术将无法做到普适性应用。
5.基于以上所述，探索并实现基于非氧化物晶体的片上集成装置实现长波长中红外激光的输出是当下各国研究人员的关注重点，意义重大。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明提供一种长波长中红外片上集成光参量转换装置，基于激光直写技术，克服了现有长波长中红外光参量转换装置结构复杂、阈值较高、转换效率较低的缺陷。
7.本发明采用下述的技术方案：
8.一种长波长中红外片上集成光参量转换装置，包括基底和在基底上从左到右依次设置的光束聚焦透镜、非氧化物晶体波导、光束收集透镜；在所述非氧化物晶体波导和基底之间设有石英衬底；
9.所述光束聚焦透镜用于对入射光进行会聚，形成聚焦光斑；所述非氧化物晶体波导用于实现基于入射光的光参量转换；所述光束收集透镜用于对产生的长波长中红外信号
进行收集；所述石英衬底用于对非氧化物晶体波导进行支撑；所述基底用于对整个装置进行支撑，从而形成高度集成化的片上中红外光参量转换装置。
10.所述光束聚焦透镜为焦距40mm的caf2透镜，未镀膜，其透射范围为0.8-8μm。所述非氧化物晶体波导为磷锗锌晶体波导，两束波长不同的光在满足时间重合的基础上可实现差频。所述光束收集透镜为焦距15mm的znse透镜。
11.进一步的，所述非氧化物晶体波导与石英衬底之间通过紫外胶胶合连接。
12.进一步的，所述非氧化物晶体波导为条形波导或者脊形波导。
13.进一步的，所述条形波导宽度为20-40μm，高度为30-60μm；所述脊形波导上表面宽度为20-40μm，下表面宽度为30-50μm，高度为30-60μm。
14.进一步的，所述光束收集透镜两面镀有2-13μm的增透膜。
15.进一步的，所述非氧化物晶体波导的制备方法：
16.s1、将固定好的非氧化物晶体在高速旋转的机械磨盘上经过粗磨和细磨，形成亚百微米非氧化物晶体薄片；
17.s2、通过飞秒激光直写在非氧化物晶体薄片形成特定的波导形状。
18.本发明的有益效果是：
19.本发明中利用普适性的激光直写技术制作了非氧化物晶体波导，首次实现了低阈值、高效率4μm以上的高度集成化和微型化片上长波长光参量转换装置。本发明采用以飞秒激光直写为主的普适性的非线性波导制备技术，快捷高效制备了亚百微米波导结构，并将该结构用于长波长中红外光参量转换过程，从而实现长波长中红外激光的产生。相较于传统的参量转换装置，该装置易于实现片上集成，结构简单。相比于传统的硅锗材料等为核心的片上装置，该装置得益于晶体本身更强的二阶非线性特性和作用原理，实现了结构设计简单，同时可高效率产生中红外激光。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
21.图1为本发明示意图；
22.图2为本发明实施例2.4μm激光的光谱图；
23.图3为本发明实施例3.8μm激光的光谱图；
24.图4为本发明实施例非氧化物晶体波导横截面示意图；
25.图5为本发明实施例中磷锗锌波导结构的截面光场分布图；
26.图6为本发明实施例中经过差频作用产生的中红外激光的光谱；
27.图7为本发明实施例中产生的中红外激光的输入输出曲线；
28.图8为本发明实施例中制作非氧化物晶体波导的过程示意图。
29.图中：
30.1-光束聚焦透镜、2-非氧化物晶体波导、3-光束收集透镜、4-紫外胶、5-石英衬底、6-基底。
具体实施方式
31.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
33.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
34.如图1所示，一种长波长中红外片上集成光参量转换装置：包括基底6和在基底6上从左到右依次设置的光束聚焦透镜1、非氧化物晶体波导2、光束收集透镜3；在所述非氧化物晶体波导2和基底6之间设有石英衬底5；所述非氧化物晶体波导2与石英衬底5之间通过紫外胶4胶合连接。
35.所述光束聚焦透镜1用于对入射光进行会聚，形成聚焦光斑；所述非氧化物晶体波导2用于实现基于入射光的光参量转换；所述光束收集透镜3用于对产生的长波长中红外信号进行收集；所述石英衬底5用于对非氧化物晶体波导2进行支撑；所述基底6用于对整个装置进行支撑，从而形成高度集成化的片上中红外光参量转换装置。
36.所述光束聚焦透镜1为焦距40mm的caf2透镜，未镀膜，其透射范围为0.8-8μm，所述非氧化物晶体波导2为磷锗锌晶体波导，两束波长不同的光在满足时间重合的基础上可实现差频。所述光束收集透镜3为焦距15mm的znse透镜。所述光束收集透镜3两面镀有2-13μm的增透膜。
37.本实施例选取波长分别为2.4μm和3.8μm的激光作为入射光，脉冲宽度为250fs，重复频率为500khz，分别如图2、图3所示：2.4μm激光的光谱图，其中心波长为2410nm，3db带宽为100nm；3.8μm激光的光谱图，其中心波长为3750nm，3db带宽为476nm。
38.所述非氧化物晶体波导2为条形波导或者脊形波导。
39.所述条形波导宽度为20-40μm，高度为30-60μm；所述脊形波导上表面宽度为20-40μm，下表面宽度为30-50μm，高度为30-60μm。
40.本实施例非氧化物晶体波导2为脊形波导，其横截面如图4所示，波导上表面宽度为27μm，下表面宽度为42μm，波导高度为37μm。
41.磷锗锌晶体波导结构的截面光场分布图如图5所示，可以看出波长为6.7μm的中红外光可以被较好的束缚在波导结构内。
42.经过差频作用产生的中红外激光的光谱如图6所示，可以看出，2.4μm和3.8μm在磷锗锌晶体波导结构中，经过差频转换，可以实现6-9μm的长波长中红外激光输出。
43.本实施例产生的中红外激光的输入输出曲线如图7所示，图中横坐标数值未考虑耦合效率，耦合效率为6.7％，可以从图7中看出本发明实施例中基于磷锗锌波导的片上中红外激光产生装置考虑到耦合效率的阈值仅为2nj，对应于峰值功率仅为8kw。
44.所述非氧化物晶体波导2的制备方法如图8所示：
45.s1、将通过紫外胶4固定在石英衬底5上的非氧化物晶体在高速旋转的机械磨盘上粗磨和细磨，形成亚百微米非氧化物晶体薄片；
46.s2、通过飞秒激光直写在非氧化物晶体薄片形成特定的波导形状。
47.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。