Устройство для генерации второй гармоники оптического излучения
Владельцы патента RU 2650597:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к устройствам удвоения частоты оптического излучения. Устройство для генерации второй гармоники оптического излучения содержит активный элемент на основе нитрида алюминия. Активный элемент выполнен по меньшей мере из одной пары чередующихся слоев: слоя (1) из нитрида алюминия собственной проводимости толщиной 100-900 нм и слоя (2) из материала с металлической проводимостью толщиной 1-5 нм. Изобретение обеспечивает повышение эффективности генерации второй гармоники оптического излучения. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к устройствам удвоения частоты оптического излучения.
Известно устройство для генерации второй гармоники оптического излучения (см. заявка WO 9950709, МПК H01S 03/16, опубликована 07.10.1999), содержащее двулучепреломляющий нелинейный кристалл GdxY1-xCa4O(BO3)3, где 0.01<=х<=0.35.
Недостатком данного подхода является малая нелинейная восприимчивость таких кристаллов, что снижает эффективность генерации второй гармоники.
Известно устройство для генерации второй гармоники оптического излучения (см. авт. свид. RU 784550, МПК G02F 1/37, опубликовано 20.05.2000), состоящее из волноводного слоя, нанесенного на подложку, гребенчатого электрода, нанесенного на волноводный слой, отличающееся тем, что с целью генерации второй гармоники в материалах, не обладающих нелинейной восприимчивостью второго порядка, подложка выполнена из полупроводникового материала, а период структуры гребенчатого электрода, выбрав равным
где λ - длина волны излучения накачки;
nω и n2ω - эффективные показатели преломления волноводных мод основой частоты и второй гармоники соответственно.
Устройство обеспечивает достижение так называемого «квазисинхронизма» за счет поворота поляризации кристалла в противоположном направлении по достижении длины синхронизма. Это позволяет использовать для нелинейного преобразования одноосные нелинейные кристаллы с высоким значением квадратичной нелинейной восприимчивости. Недостатком известного устройства является снижение эффективности преобразования по сравнению с истинным синхронизмом.
Известно устройство для генерации второй гармоники оптического излучения (см. заявка JPH 06347848, МПК G02F 01/37, H01S 05/00, опубликована 22.12.1994), содержащее нелинейный кристалл с наведенной периодической поляризацией. В данном устройстве доменная структура направления поляризации уже закреплена при изготовлении кристалла, что существенно упрощает устройство в использовании.
Недостатком устройства является применение квазисинхронизма, снижающего эффективность нелинейного преобразования.
Известно устройство для генерации второй гармоники оптического излучения (см. заявка WO 2009075363, МПК G02F 01/35, G02F 01/35, G02F 01/37, G02F 01/37, опубликована 18.06.2009), совпадающее с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятое за прототип. Устройство-прототип содержит активный элемент из нитрида алюминия AIN, имеющего структуру с периодически меняющимся на противоположное направлением поляризации кристалла. Устройство может осуществлять удвоение или утроение частоты оптического излучения за счет квазисинхронизма.
Недостатком прототипа является применение квазисинхронизма для согласования фаз, что снижает эффективность генерации второй гармоники.
Задачей настоящего изобретения является разработка такого устройства для генерации второй гармоники оптического излучения, которое бы обеспечивало повышение эффективности генерации второй гармоники оптического излучения.
Поставленная задача решается тем, что устройство для генерации второй гармоники оптического излучения содержит активный элемент на основе нитрида алюминия, выполненный из одной или нескольких пар чередующихся слоев нитрида алюминия собственной проводимости толщиной 100-900 нм и материала с металлической проводимостью толщиной 1-5 нм.
Новым в устройстве является выполнение активного элемента в виде по меньшей мере из одной пары чередующихся слоев нитрида алюминия собственной проводимости толщиной 100-900 нм и материала с металлической проводимостью толщиной 1-5 нм.
В устройстве материал с металлической проводимостью может быть выполнен из нитрида алюминия, легированного до концентрации от 1⋅1012 см-2 до 1⋅1014 см-2 или из металла.
Настоящее устройство может быть выращено на подложке, например, из Si, или GaAs, или AlN, или InP, или AlGaN, или Аl2O3, или β-Ga2O3. После чего подложка может быть удалена.
Настоящее устройство поясняется чертежом, где
на фиг. 1 схематически показано в разрезе настоящее устройство;
на фиг. 2 приведен расчет зависимости длины когерентности в предлагаемом устройстве от угла распространения при генерации второй гармоники для волны второй гармоники 545 нм;
на фиг. 3 приведен расчет зависимости длины когерентности в настоящем устройстве от угла распространения при генерации второй гармоники для волны второй гармоники 550 нм;
на фиг. 3 приведен расчет зависимости длины когерентности в настоящем устройстве от угла распространения при генерации второй гармоники для волны второй гармоники 555 нм.
Устройство для генерации второй гармоники оптического излучения (фиг. 1) содержит активный элемент на основе нитрида алюминия в виде одной или нескольких пар чередующихся слоев - слоя 1, состоящего из нитрида алюминия собственной проводимости толщиной 100-900 нм, и слоя 2, обладающего металлической проводимостью и состоящего из нитрида алюминия, легированного до концентрации от 1⋅1012 см-2 до 1⋅1014 см-2 или из металла толщиной 1-5 нм.
Диапазон толщин слоя 1 и слоя 2 определяют из следующих условий. Свет, распространяясь в подобных структурах, имеет характерный закон дисперсии, определяемый свойствами используемых материалов и соотношением между толщинами слоев полупроводника и металла. Толщина полупроводника должна быть порядка длины волны распространяющегося в материале света, чтобы свет испытывал воздействие возмущения показателя преломления в подобной периодической структуре. Выбор толщины слоя 2 с металлической проводимостью определяется тем, что он должен быть более чем на порядок тоньше слоя полупроводника, чтобы уменьшить поглощение в нем, но при этом иметь достаточную толщину, обеспечивающую дисперсионное изменение показателя преломления, удовлетворяющее условию согласования фаз 2k1= k2, где k1 - волновой вектор фундаментальной гармоники, а k2 - волновой вектор второй гармоники. Таким образом, нижняя граница толщины нитрида алюминия собственной проводимости 100 нм определяется краем поглощения нитрида алюминия для излучения второй гармоники. Верхняя граница толщины слоя нитрида алюминия 900 нм определяется тем, что с практической точки зрения генерации второй гармоники является важной для получения света в видимом - ультрафиолетовом спектральном диапазоне (250-700 нм). Нижняя граница слоя с металлической проводимостью 1 нм определяется технологической достижимостью, а верхняя граница 5 нм обусловлена требованием малого поглощения в этих слоях. Границы уровня концентрации задаются тем, что при достижении нижнего уровня концентрации легирования 1⋅1012 см-2 нитрид алюминия приобретает металлическую проводимость, верхняя граница 1⋅1014 см-2 определяется технологически достижимым уровнем.
Настоящее устройство работает следующим образом. Свет фундаментальной гармоники вводят в активный элемент под некоторым углом к его поверхности. Свет распространяется по активному элементу, возбуждает нелинейное взаимодействие со средой активного элемента, в результате чего возникает генерация второй гармоники, излучающейся из поверхности, противолежащей поверхности ввода фундаментальной гармоники. Величина угла φ распространения света в активном элементе зависит от выбора толщин слоев 1 и 2 и длины волны фундаментальной гармоники, и лежит в диапазоне 0°<φ<90° так, чтобы волновой вектор света имел ненулевую проекцию как на направление вдоль слоев 1 и 2, так и на направление чередования слоев 1 и 2. Соотношение между этими проекциями задает тангенс угла распространения, который становится еще одним управляемым параметром задачи (помимо толщин слоев 1 и 2 и закона дисперсии света в металлическом и полупроводниковом материале слое 1 и 2). Управляя толщинами слоев 1 и 2, а также углом распространения света φ, можно добиться нулевой дисперсии показателя преломления для фундаментальной и второй гармоник, то есть достичь истинного фазового синхронизма и высокой эффективности генерации второй гармоники оптического излучения.
Были проведены теоретические расчеты, подтверждающие достижимость истинного согласования фаз, обеспечивающего максимальную эффективность генерации второй гармоники в настоящем устройстве для генерации второй гармоники оптического излучения. Обычно расчет дисперсии света в метаматериалах производят с помощью разложения по плоским волнам. Этот метод эффективен для структур с соотносимыми значениями толщин слоев. Для структуры настоящего устройства для генерации второй гармоники оптического излучения метод плоских волн применить не удается, поэтому для теоретических расчетов используют метод блоховских амплитуд. Для света, распространяющегося в плоскости слоев 1 и 2, такая структура представляет собой обыкновенный пленарный волновод. Модификация закона дисперсии происходит при распространении света поперек чередующихся слоев 1 и 2, как показано на фиг. 1. Диэлектрическая проницаемость εb в слое 2, обладающем металлической проводимостью, определяется как проницаемость плазмы с характерной плазменной частотой ωр:
где ω - частота оптического излучения, Гц;
а для полупроводникового материала слоя 1 формально учитывается хроматическая дисперсия (J. Pastrňák and L. Roskovcová. Refraction index measurements on AIN single crystals, Phys. Stat. Sol. 14, K5-K8, 1966) с помощью коэффициентов Селлмайера. Результаты расчета показывают, что для каждого направления распространения света внутри рассматриваемой многослойной системы существует свой закон дисперсии и свои области разрешенных и запрещенных значений длин волн. Задача генерации второй гармоники сводится к подбору таких значений параметров, при которых одновременно осуществляются два условия: свет на основной и удвоенной частотах распространяется в одном направлении; на основной и удвоенной частотах выполняется условие фазового синхронизма, которое в терминах длины L когерентности формулируется следующим образом:
Из расчета следует, что при достаточно точном задании угла ϕ распространения излучения длина L когерентности может достигать нескольких сантиметров, и даже нескольких десятков сантиметров, что более чем на два порядка выше значений, достигаемых в известных устройствах. Возникает задача исследования чувствительности предложенной системы к возможным неточностям в задании угла распространения и длины волны падающего света. Результаты проведенных теоретических расчетов показаны на фигурах 2, 3, 4. Показаны зависимости длины когерентности от угла распространения для трех значений длин волн (550±5 нм). Приведенные зависимости показывают, что для структуры с толщинами слоев 1 и 2, лежащих в заданных интервалах, можно достичь истинного синхронизма для различных длин волн второй гармоники за счет изменения угла распространения света через предлагаемое устройство для генерации второй гармоники оптического излучения. Кроме того, из представленных фигур видно, что для весьма существенной длины когерентности L=10 мм, обеспечивающей высокую степень фазового синхронизма и высокий коэффициент эффективности генерации второй гармоники оптического излучения, ширина пика составляет порядка 20", что является достижимым с практической точки зрения.
1. Устройство для генерации второй гармоники оптического излучения, содержащее активный элемент на основе нитрида алюминия, отличающееся тем, что активный элемент выполнен по меньшей мере из одной пары чередующихся слоев нитрида алюминия собственной проводимости толщиной 100-900 нм и материала с металлической проводимостью толщиной 1-5 нм.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что материал с металлической проводимостью выполнен из нитрида алюминия, легированного до концентрации от 1⋅1012 см-2 до 1⋅1014 см-2.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что материал с металлической проводимостью выполнен из металла.
