Элемент нелинейного оптического устройства для преобразования частоты лазерного излучения

 

Сущность изобретения: элемент нелинейного оптического устройства для преобразования частоты лазерного излучения выполнен из эпитаксиальных волноводных слоев полупроводниковых материалов, нанесенных на полупроводниковую подложку. Установлены условия подбора периодов кристаллических решеток слоев в зависимости от периода кристаллической решетки подложки и определены диапазоны толщин слоев. 2 ил.

Изобретение относится к нелинейной оптике, квантовой электронике и может быть использовано для преобразования частоты оптического излучения.

Известны элементы нелинейного оптического преобразования частоты, выполненные в виде плоской, отполированной пластины любого полупроводникового материала [1, 2, 3] Благодаря разнице в показателях преломления полупроводникового материала и воздуха пластина становится волноводом для введенной в нее электромагнитной волны. Тогда, в случае появления встречной электромагнитной волны той же частоты, в волноводе будет наводиться поляризационная волна удвоенной частоты с константой распространения перпендикулярной плоскости волновода.

Однако коэффициент преобразования в таком устройстве очень мал.

Наиболее близким к изобретению по достигаемому результату и технической сущности является элемент нелинейного оптического устройства для преобразования частоты лазерного излучения на основе полупроводниковых материалов, включающий эпитаксиальные слои, выращенные на подложке, образующие систему волноводных слоев, толщина которых порядка λ₂/2 [4] В работе для удвоения частоты лазерного излучения была использована пластина полупроводникового материала, на которой выращивалась периодическая структура волноводных эпитаксиальных слоев, например Al_0,7Ga_0,3As/Al_0,9Ga_0,1As, причем толщины d этих слоев выбирались такими, чтобы обеспечить эффективное взаимодействие первоначальной волны излучения λ₁ и волны λ₂ λ₁/n удвоенной частоты в волноводе. Тогда d ≈ λ₂/2n. В частности для приведенного примера [4] удвоения частоты излучения с длиной волны λ₁ 1,06 мкм в волноводной решетке Al_0,7Ga_0,3As/Al_0,9Ga_0,1As толщины волноводных слоев (при n 3,5 и λ₂ 0,53) d 0,53/2˙3,5 ≈ 600 . При этом эффективность преобразования полученa на пять порядков выше, чем в элементах, известных из работ [1, 2, 3] Так по работе [4] при введении в элемент излучения мощностью 10 мВт с длиной волны λ₁ 1,06 мкм получена мощность преобразованного излучения, равная 76 мкВт, с длиной волны второй гармоники λ₂= 0,53 мкм. Как видно из вышесказанного, коэффициент преобразования остается по-прежнему мал.

Предложен элемент нелинейного оптического устройства для преобразования частоты лазерного излучения на основе полупроводниковых материалов, в котором эпитаксиальные слои выполнены из нелинейных материалов, периоды кристаллических решеток каждого из которых отличны от периода кристаллической решетки подложки, и разности этих периодов имеют противоположные знаки.

Это позволяет повысить коэффициент преобразования первоначальной электромагнитной волны при сохранении степени надежности преобразования.

В материалах, не совпадающих по периоду кристаллической решетки с периодом решетки подложки, возникают механические напряжения. В каждом последующем слое знак механических напряжений меняется на противоположный и, следовательно, величина матричных элементов нелинейной восприимчивости также сильно меняется. При этом общие механические напряжения, возникающие в предложенной гетероэпитаксиальной композиции, не должны приводить к деградации оптических характеристик волноводов.

Механические напряжения вызывают деформацию кристаллической решетки. При этом меняется ее кристаллографическая симметрия и, следовательно, меняются оптические постоянные, в том числе такой параметр, как нелинейная восприимчивость. Причем в матрице нелинейной восприимчивости, являющейся тензорной величиной, во-первых, появляются дополнительные недиагональные члены, а во-вторых, увеличивается значение диагональных элементов. Таким образом, нелинейные свойства напряженных пленок усиливаются. Как известно [5] амплитуда любой поляризационной волны второй гармоники вследствие интерференции с основной электромагнитной световой волной изменяется по синусоидальному закону и поэтому интегральный коэффициент преобразования обычно мал. На расстоянии, равном длине когерентности L_ког, амплитуда волны второй гармоники достигает максимума и затем начинает уменьшаться вследствие перекачки энергии волны второй гармоники в основную волну. На расстоянии 2L_ког амплитуда волны второй гармоники становится пренебрежимо малой. Если изготовить слоистую структуру с чередованием слоев нелинейный линейный нелинейный и толщины этих слоев будут равны длине когерентности L_ког, то можно избежать перекачки энергии волны удвоенной частоты в первоначальную волну, а амплитуда световой волны будет увеличиваться по мере прохождения ею всей толщи структуры. Увеличение ее интенсивности будет проходить в слоях нелинейного материала, а в слоях линейного материала она не будет ни нарастать, ни уменьшаться. В том случае, когда вместо линейного материала будет другой нелинейный материал, сильно отличающийся коэффициентом нелинейной восприимчивости, волна второй гармоники будет усиливаться по всей толще волноводной структуры.

Две световые волны с противоположной константой распространения, идущие по слоистому волноводу, могут вызывать поляризационную волну и соответствующую световую волну удвоенной частоты и в материалах на чисто волноводном эффекте, как это осуществлено в прототипе, что обусловлено различными показателями преломления материалов волноводной структуры и, следовательно, различными составляющими вектора распространения.

Максимальное преобразование волн основной частоты в волну удвоенной частоты будет иметь место при толщинах волноводных слоев d ≈ λ₂/2n.

При выполнении волноводных слоев из нелинейных материалов и при условии, что для каждой соседней пары слоев выбраны разности периодов кристаллической решетки слоя и подложки, имеющие противоположные знаки, эффект преобразования частоты оптического излучения значительно усиливается.

Толщины слоев необходимо поддерживать примерно равными λ₂/2n, а чередующиеся волноводные слои при выполнении условия будут иметь сильно меняющееся значение нелинейной восприимчивости. Указанное изменение линейной восприимчивости можно добиться, выращивая на подложке пленки толщиной λ₂/2n с рассогласованием периода решетки пленки а_а и подложки а_и, причем величина Δа а_а а_и должна менять свой знак в каждом последующем волноводном слое.

Известно, что для каждой величины Δ а существует критическое значение толщины пленки, выше которой механические напряжения, возникающие в пленке, будут сниматься пластической деформацией за счет образования дислокаций несоответствия. Процесс образования дислокаций несоответствия будет уменьшать механические напряжения в пленке и, следовательно, уменьшать значение нелинейной восприимчивости с одной стороны, а с другой будет ухудшать поверхность раздела между волноводными слоями, приводя к их деградации. Таким образом, величина Δа должна быть такой, чтобы при оптимальной толщине волновода d ≈ λ₂/2n не образовывались дислокации несоответствия. Поскольку последующий волноводный слой будет иметь Δа другого знака, то он будет полностью или частично уравновешивать напряжения, возникшие в предыдущем слое. Поэтому суммарные напряжения в эпитаксиальной композиции из нескольких чередующихся волноводов могут либо отсутствовать, либо быть небольшими. Главное, чтобы суммарная толщина гетероэпитаксиальной композиции не была больше критической для данного значения суммарных механических напряжений.

На фиг.1 изображена схема эпитаксиальной структуры элемента нелинейного оптического устройства для преобразования частоты лазерного излучения в поперечном сечении; на фиг.2 зависимость интенсивности второй гармоники на длине волны λ₂= 0,53 мкм от суммарной интенсивности волн с длиной волны λ₁ 1,06 мкм, вводимых в нелинейный элемент от двух лазерных источников.

Примеры конкретного выполнения.

Элемент (фиг. 1) выполнен на основе гетероэпитаксиальной структуры, выращенной на подложке из арсенида галлия. Гетероэпитаксиальная структура представляет последовательность чередующихся слоев: слоев 1 из In_0,08(Ga_0,1Al_0,9)_0,92As и слоев 2 из (Ga_0,1Al_0,9)_0,5(As_0,92P_0,08)_0,5 с периодами кристаллических решеток ≈ 5,68 и ≈5,636 соответственно. При этом разность между периодами кристаллической решетки слоев 1 и подложки 3 из GaAs (период кристаллической решетки составляет 5,65 ) будет равна + 0,03 и для слоев 2 равна 0,014 . Приведенные составные твердых растворов обеспечивают отсутствие образования дислокаций несоответствия на границе слоев, а также образования дислокаций несоответствия при выращивании периодной гетероэпитаксиальной композиции, что соответствует общей толщине 1,2 мкм. Две встречные волны от двух лазеров на Nd ИАГ с длиной волны излучения λ₁ 1,06 мкм вводятся в нелинейный элемент. Излучение второй гармоники с длиной волны λ₂ 0,53 мкм выводят через поверхность гетероэпитаксиальной волноводной структуры. При мощности вводимого излучения ≈ 100 мВт получена мощность излучения второй гармоники до 5 мВт (фиг.2), что свидетельствует о значительном повышении коэффициента преобразования более чем в 6,5 раза по сравнению с прототипом. При этом надежность преобразования частоты осталась неизменной.

Мощность излучения второй гармоники может быть увеличена за счет нанесения просветляющих диэлектрических покрытий на эпитаксиальную поверхность нелинейного элемента, а также при использовании других полупроводниковых материалов, не поглощающих излучение на длине волны λ₂= 0,53 мкм.

Аналогичного типа структуры могут быть выращены на основе твердых растворов GaP/AlGaP/InGaAlP или других, более широкозонных материалов. Преимущество материалов с шириной запрещенной зоны Е_g > 2,4 эВ состоит в том, что эти материалы прозрачны в видимой области спектра и, следовательно, в них отсутствует поглощение второй гармоники. В системе А^IIIB^IV предложенный активный элемент может быть изготовлен на основе слоев твердых растворов ZnSSe/CdSSe, LnCdS/ZnCdSe, ZnSeTe/ZnSeS и т.д. В качестве подложки могут быть использованы GaAs, ZnSe, CdS. Еще лучшими материалами могут быть эпитаксиальные структуры на основе твердых растворов AlGaInN на подложке из сапфира. Большая ширина запрещенной зоны (-6 эВ) позволит изготовить элементы с генерацией второй гармоники фиолетовой и ультрафиолетовой области спектра без ее заметного поглощения в эпитаксиальной структуре.

Проведенные эксперименты показали, что коэффициент преобразования частоты при исследовании предложенного элемента может быть повышен до 100-1000 раз.

Формула изобретения

ЭЛЕМЕНТ НЕЛИНЕЙНОГО ОПТИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ на основе полупроводниковых материалов, включающий эпитаксиальные слои, выращенные на подложке, образующие систему волноводных слоев, толщина каждого из которых порядка λ/2n, где λ длина волны второй гармоники, отличающийся тем, что соседние эпитаксиальные слои выполнены из материалов, периоды кристаллических решеток из которых отличны от периода кристаллической решетки подложек и разности этих периодов имеют противоположные знаки, причем толщина каждого волноводного слоя не более критической толщины возникновения пластической деформации, а суммарная толщина слоев не более критической толщины возникновения деформации под воздействием суммарных механических напряжений.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2