红外光学:新材料将激光光谱覆盖深入红外

时间:2018-06-08 08:18来源:Laser Focus World作者:Jucy 点击:
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摘要:中红外非线性光学材料的进步已经产生了低损耗,高品质因数的晶体,具有广泛的透明度,极大地扩展了高度工程激光源的波长覆盖范围。由于从基于频梳梳理的光谱学到高次谐波生成等新的超快激光应用的出现,近年来对用于中红外(中红外)频率转换的非线性光学(NLO)材料的兴趣已经爆炸。

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中红外非线性光学材料的进步已经产生了低损耗,高品质因数的晶体,具有广泛的透明度,极大地扩展了高度工程激光源的波长覆盖范围。

由于从基于频梳梳理的光谱学到高次谐波生成等新的超快激光应用的出现,近年来对用于中红外(中红外)频率转换的非线性光学(NLO)材料的兴趣已经爆炸。

图1.绘制了各种中红外非线性光学(NLO)晶体的非线性品质因数(d2 / n3)与透明度范围。

图1.绘制了各种中红外非线性光学(NLO) 晶体的非线性品质因数(d 2 / n 3 )与透明度范围

由于多声子吸收的发生,传统的NLO氧化物晶体如铌酸锂(LiNbO 3 )或磷酸钛氧钾(KTP)限于输出波长≤5μm。 但是,NLO半导体如磷化锗锌(ZnGeP 2或ZGP)以及最近的取向图形砷化镓(OP-GaAs)在中红外区域(包括太赫兹范围)以及非线性系数( d值)比氧化物高5-10倍。

ZGP和OP-GaAs都必须在≥1.9μm波长泵浦,但随着光纤激光器的出现,其重要性已经增加。 然而,最近我们在新泽西州Nashua的BAE Systems公司开发了这些材料的双折射和准相位匹配类似物,即磷化镉硅(CdSiP 2或CSP)和取向图案化的磷化镓(OP-GaP)可以用广泛可用的1和1.5μm激光泵浦。 这些材料一起表现出最高的非线性品质因数(FOM;定义为非线性系数平方除以折射率n立方,或d 2 / n 3 ),以及所有已知的相位匹配中的一些最宽的透明度范围无机NLO晶体(参见图1-3)。

图2.几种非线性晶体的典型吸收光谱。

图2.几种非线性晶体的典型吸收光谱

图3.具有最高品质因数的中红外非线性晶体是ZnGeP2(a),CdSiP2(b),OP-GaAs(c)和OP-GaP(d)。

图3.具有最高品质因数的中红外非线性晶体是ZnGeP 2 (a),CdSiP 2 (b),OP-GaAs(c)和OP- GaP(d)。

散装双折射晶体:ZnGeP 2和CdSiP 2

自BAE系统首次成功生长大型以来,磷化锗锌(ZGP)一直是脉冲2μm泵浦光学参量振荡器(OPO)的首选材料,其工作范围为2至 。 20世纪90年代初期的多瓦中红外OPO。 1,2这些ZGP材料具有最高的热导率(35 W / mK),并且(在CSP出现之前)任何体积双折射晶体的最高非线性系数(75 pm / V)是透明的,并且相位匹配在2μm 。

尽管在0.02μm到0.05cm - 1的2μm处剩余吸收损失(由单个离子化Zn空位引起),但在3-8μm光谱范围内的极低损耗结合低走离和最小反向转换使得非常有效的NLO器件操作ZGP晶体。 近年来的开发工作集中在增加低损耗晶体的产量,扩大到更大的孔径,并改善激光损伤阈值。

对于ZGP,可以从标准球磨机生产最大尺寸为25×25 mm 2的孔径,并且可以从定制球磨机生产最大尺寸为30×30 mm 2的孔径。 低吸收损耗,改进的抛光和优化的高温抗反射涂层使激光损伤阈值(LDT)超过4 J / cm 2 (20 ns和10 kHz),并使平均中红外(3-5μm)成为可能输出功率接近100 W,高能量输出超过200 mJ,对进一步缩放没有明显限制。 3,4

磷化镉硅(CSP)是ZGP的新型42 m黄铜矿类似物,具有较大的带隙(约2.45 eV)和稍大的负双折射,可实现1μm和1.5μm激光泵浦。 该CSP材料还具有更高的非线性系数:d 36 = 84.5 pm / V,这是过去四十年中任何新型相位匹配无机晶体中最大的。

此外,CSP可以在1064 nm泵浦下进行非关键相位匹配(NCPM),以产生6.2μm左右的温度可调输出。 6此NCPM操作还可实现CSP中的连续波(CW)OPO操作(这在ZGP中从未实现过)。 由于CSP在2μm(低于> 3X)时也表现出比ZGP低得多的吸收损耗,因此对于功率缩放2μm泵浦OPO而言,它是ZGP的有吸引力的替代品。

不幸的是,与目前限制高光学质量晶体的尺寸和产量的ZGP(孪晶,裂化,高生长温度和压力)相比,CSP呈现出一些显着的晶体生长挑战,但是在这方面继续取得进展。

准相位匹配半导体:OP-GaAs和OP-GaP

第一个实用的准相位匹配(QPM)材料 - 周期性极化的铌酸锂(PPLN)的出现 - 代表了非线性光学(NLO)材料开发的新范例。 不再受双折射相位匹配的严格要求限制,只要有创建交替QPM域结构的机制,QPM就可以使用更广泛的材料。

在铁电氧化物中,这是通过应用平版印刷电极,然后进行极性交替周期域的电场极化来实现的。 准相位匹配提供了非临界相位匹配,极化灵活性和易于设计的功能性的优点,例如分别用于可调谐或级联非线性过程的并行或串行光栅结构,以及用于带宽控制的啁啾结构。

铌酸锂,钽酸锂和KTP及其类似物是主要的周期性极化氧化物晶体,但由于严重的多声子吸收损失超过4μm,其性能主要受限于可见光和近红外区域。 然而,半导体对中红外光的透明度要远远高于它们的氧化物对比度,没有困扰铁电体的光折变效应,并且提供了许多其他优异的性能,包括非常高的非线性系数,更高的导热率,更高的纯度水平,当从气相生长时损失非常低。

图4显示了用于生产OP-GaAs的全外延处理技术。 (由L. Eyres / Lumentum提供;在斯坦福大学就读时创建)

图4显示了用于生产OP-GaAs的全外延处理技术。 (由L. Eyres / Lumentum提供;在斯坦福大学就读时创建

OP-GaAs和OP-GaP都是采用新型全外延工艺生长的QPM非线性光学半导体(见图4)。 首先,使用极性非极性分子束外延(MBE)来产生具有相对于衬底倒置的取向的GaAs(GaP)膜。 利用所需的光栅结构对倒置层进行光刻图案化和刻蚀,然后通过氢化物气相外延(HVPE)以高达200μm/小时的速率再生长两个取向以产生厚的(> 1mm),低损耗(<0.01cm -1 )QPM层用于面内激光泵浦。

在所有QPM材料中,OP-GaAs具有最高的增益(d 14 = 94 pm / V),可以在2μm的波长泵浦产生8-12μm及以上的输出,而OP-GaP是低损耗QPM ZGP可用1和1.5μm激光泵浦的模拟信号。 这些QPM半导体越来越成熟,OP-GaAs已经展示了> 5 W的CW OPO输出,而高重复频率脉冲工作在3-5 m光谱范围内超过了18 W的平均功率输出。

基于OP-GaP的高平均功率实验仍在进行中,但已经实现了许多OP-GaP器件演示,包括第一纳秒1微米泵浦OPO,宽可调(5-11微米)飞秒光纤泵浦差分频率发生器(DFG),基于1.5μm泵浦飞秒OP-GaP OPO的1μm泵浦飞秒OPO(也可从5μm调谐至11μm),2.6-4.2μm频率梳,最后为2.09μm-泵浦半谐波OPO,产生220 mW,斜率效率为58%。 7-11

除了消除超过1μm的多光子吸收的大间接带隙之外,由HVPE生长的块体OP-GaP展现出高度平行的光栅传播,这将有望使孔径尺寸延伸超过1mm。

新兴材料

在寻找新材料方面,近年来出现了两种新型中红外NLO材料 - 硫代镓酸钡(BaGa 4 S 7 )和硒镓酸钡(BaGa 4 Se 7 ) - 其具有显着的宽禁带宽度(3.54和2.64 eV, (分别为13.7和18μm),中等高非线性系数(分别为5和20 pm / V)以及从化学计量熔体中有利的晶体生长。 12

事实上,这些低损耗晶体可以生长在大光圈尺寸下,具有相当高的损伤阈值,并且可以通过无处不在的1μm激光源泵浦以产生超过12μm的相位匹配输出,这使得它们成为许多应用的理想选择。 BAE Systems目前正在优化BaGa 4 S 7和BaGa 4 Se 7的晶体生长和加工,为这些罕见但极具潜力的晶体提供商业来源。

未来发展方向

我们的BAE系统团队致力于为中红外区域继续开发新型和改进的NLO晶体。 除了已经描述的晶体之外​​,我们还开始研究一种专有的新型块状双折射晶体(目前称为LWX),其具有与ZGP非常相似的吸引力特性,但是提供了扩展的透明度和相位匹配,达到12μm之前任何显着的多声子吸收损失的发生。

就新型QPM半导体而言,我们将目光投向定向图案硒化锌(OP-ZnSe)。 多晶ZnSe当然广泛用于中红外光学元件,因为它具有非常低的吸收损耗,极其宽的透明度范围(0.4-22μm)以及大批量的商业可用性。 对于QPM频率转换,ZnSe具有大的非线性FOM(d 2 / n 3大约为200)和低色散的附加优点,其转换成大QPM光栅周期以便于缩放至大光圈。

不幸的是,OP-ZnSe不能用用于OP-GaAs和OP-GaP的相同的全外延处理方法生长,因为单晶ZnSe衬底不能用于处理图案化的模板,并且ZnSe不容易与HVPE相容以产生厚的层。 然而,ZnSe与GaAs晶格匹配,并且使用在QPM OP-GaAs模板上的ZnSe的气相生长来产生QPM ZnSe的初步努力看起来很有前景。

在研究这些令人兴奋的新材料的同时,现有最佳中红外NLO晶体的全部潜力尚未实现。

参考

1.PG Schunemann和TM Pollak,“生长晶体的方法”,美国专利号5,611,856(1997年3月18日)。

2.PA Budni等人,“Efficient,high average power optical parametric oscillator using ZnGeP 2 ,” Proc.Natl.Acad.Sci.USA, ASSL ,NC12,Santa Fe,NM(1992)。

3. MW Haakestad等人, Opt。 Express ,22,7,8556-8564(2014)。

4. A. Hemming等人, Opt。 Express ,21,8,10062-10069(2013)。

5. V. Petrov等人,“CdSiP 2的非线性系数d 36 ”, Proc。 SPIE ,7197-21,1-8(2009)。

S. S. Chaitanya Kumar等人, J. Opt。 SOC。 上午。 B ,33,D44-D56(2016)。

7. LA Pomeranz等人,“基于取向图案化磷化镓(OP-GaP)的1064-nm泵浦中红外光学参量振荡器”, Proc.Natl.Acad.Sci.USA, CLEO_SI ,SW3O.4,San Jose,CA(2015)。

8. KF Lee等人,“在取向图案化的磷化镓中宽泛可调差频生成”, Proc.Natl.Acad.Sci.USA, 高亮度光源和光驱动相互作用 ,JT3A.4,长滩,加州(2016)。

9. L. Maidment等人, Opt。 快报。 ,41,18,4261-4264(2016)。

10.Q.Ru等人,“Femosecond OPO based on orientation-patterned gallium phosphide(OP-GaP)”, Proc.Natl.Acad.Sci.USA, CLEO_SI ,STu1Q.6,圣何塞,加州(2016)。

11. E. Sorokin等人的“使用基于OP-GaP的半谐波产生的以4.2μm为中心的三光学频率梳”,OSA技术摘要(在线),MS3C.2(2016); https://doi.org/10.1364/mics.2016.ms3c.2

12.V. Badikov等人, Phys。 状态Solidi RRL ,1-3(2010); DOI:10.1002 / pssr.201004425。

【光粒网综合报道】( 责任编辑:Jucy )
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