化学计量比钽酸锂晶体折射率的温度依赖Sellmeier方程外文翻译资料

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化学计量比钽酸锂晶体折射率的温度依赖Sellmeier方程

Ariel Bruner, David Eger, Moshe B. Oron, Pinhas Blau, and Moti Katz

Electro-Optics Division, Soreq Nuclear Research Center, Yavne 81800, Israel

Shlomo Ruschin

Department of Electrical Engineering—Physical Electronics, Tel Aviv University, Tel Aviv 69978, Israel

Received August 15, 2002

我们提出了化学计量比钽酸锂晶体折射率的温度依赖Sellmeier方程，对于范围波长在0.39--4.1微米，温度为30--200oCcedil;的非常光的折射率是基于先前公布的数据[Jpn. J. Appl. Phys. 41, 465 (2002)]和从准相位匹配（QPM）共振测得的数据。我们使用新的Sellmeier系数，计算了用1064 nm泵浦的 基于周期性极化的化学计量比钽酸锂晶体的光学参量振荡器（OPO）的准相位匹配波长。实际测量的波长与我们的预测吻合较好。

OCIS代码：190.2620，230.4320，160.4330。

周期性极化的钽酸锂是最有潜力的非线性光学材料，因为它具有宽的透明波段（0.28~0.55mu;m），高非线性系数和高抗光损伤。市售的钽酸锂是同成分的LiTaO3（CLT）。最近，化学计量比钽酸锂晶体（SLT）晶体越来越多。SLT的矫顽场（1.7~4.5KV/mm）比CLT的低1个数量级。这种低值有利于厚的准相位匹配（QPM）变频晶体电场极化。化学计量晶体的低矫顽场显然是与他们的低缺陷密度有关。此外，在准相位匹配光学参量振荡器（OPO）中这些晶体表现出较低的功率阈值和更高的转换效率，高的光折变损伤阈值，较低的绿光诱导的红外吸收。

非线性晶体折射率色散（Sellmeier方程）的知识对频率转换装置的设计是必需的。对于这些应用中的晶体的折射率的精度到达0.0001。

以前只在室温和范围为0.440~ 1.050微米的情况下测量SLT的折射率。之前得到的色散方程是不适合测量在不同温度和超过1.050mu;m的相位匹配波长。最近，我们发表了一些折射率色散的初步结果。

在这项研究中我们得到了一个随温度变化的SLT晶体的色散方程。该方程适用于波长在0.39~0.41mu;m范围内和温度在30~200℃内的情况。色散方程是从高阶准相位匹配倍频（SHG）和QPM OPO的测量，以及在室温下测量的折射率绝对值中推导的。这些色散方程有利于高效的QPM变频装置设计的应用。

我们在电极化过程使用的是长18毫米厚1毫米的商业指标钽酸锂晶体板（Deltronic晶体公司和氧化物公司）。我们用双坩埚提拉法，在居里温度为690^oCcedil;的条件下生长晶体。光致抗蚀剂的条纹是在平行于x轴d的面通过标准的光刻技术，然后盖上一个薄的钛层产生的晶体。在26.5mu;m到29.5mu;m范围的光刻掩模的各个时期都是50%的占空比，而另外一个平面均匀的电极沉积在的面上。我们通过对极性晶体表面施加高电压脉冲实现了电场极化。完全极化的整个转化过程需要在65mu;C/以及4kV/mm的交流矫顽场中进行。高频腐蚀试样通过整个晶体的深度和整个相互作用长度来揭示均匀周期结构。

我们测量准相位匹配二次谐波（SH）和OPO波长来确定折射率。晶体被放置在一个精度为0.1^oCcedil; 的温度稳定的烤箱中。首先，在我们使用调谐范围为0.76~1.04mu;m的可调钛宝石激光源扫描时，我们测得了几个倍频数量级。激光束通过一个焦距为175毫米的透镜聚焦到晶体上。在晶体中心的光束束腰半径为60mu;m。我们还使用了由一个三倍的单纵模钕：YAG激光源（量子线临250，光谱物理激光）的可调谐OPO系统泵，窄线宽的范围在1.85 ~0.85mu;m之间。测量用光谱精度为1pm的伯利WA-2000波长计在温度为20~300℃以10℃为间隔测量。

通过用平行于晶体的x轴并垂直于晶体表面的激光束扫描，结果表明，SH的功率在任何区域都没有发生变化，表明在整个厚度中，域反转是均匀的。将波长为0.808mu;m，功率为0.5兆瓦的光加上晶体，我们在第九阶相匹配倍频获得了60兆瓦的蓝色光。在这一阶倍频转换效率相当于3.85% W。

光学参量振荡器是周期性极化（PP）SLT晶体构造的。它通过Q开关泵送：YAG激光器（光谱物理；脉冲宽度；24-25ns；重复率，1千赫；最大脉冲能量1.5 mJ）。光束由一个焦距是100毫米的透镜聚焦在半径是100毫米的空腔中心的焦点上。激光器腔长为47毫米，由两个平面反射镜组成。输入反射镜能完全反映信号和闲置波长。输出镜能充分体现泵和信号传输和闲置波长。闲置波长是用Jobin-Yvon-Spex 500M单色器测定的。我们使用泵，SH信号，和闲置波长的的实验来测量一系列周期温度对0.39 -4.1mu;m范围的折射率的影响。

首先我们试图用Sellmeier公式模型中相似的形式将其使用于CLT，亦即，(1), 其中，谢米尔系数A，B，C，D，E和F常数，c和b是温度依赖系数，T是摄氏度的温度，和是波长微米。

SHG QPM条件由以下公式定义：Lambda;，（2）其中L是周期长度，是SH，LM是m阶相匹配的基本波长，和和是折射率分别对应于倍频和基本波长。

用于OPO过程的QPM OPO条件如下：我们用测量谢米尔系数代入谢米尔符号，倍频时将n()带入Eq.(2)或者是OPO时将其带入Eq.(3). 我们调整参数的最小二乘数据拟合，使用高斯–牛顿提供相匹配的方法。

相位匹配的测量大多是敏感的波长的依赖性的折射率（分散）。我们通过包括在室温下，在数据拟合绝对折射率数据获得绝对Sellmeier公式模型。

考虑晶体的热膨胀，我们使用以下表达式：，（4）其中

和是热膨胀系数，而T是晶体温度。我们没有找到SLT热膨胀的任何信息，因此我们用给出的CLT晶体系数和.假如两个晶体之间没有存在明显的差异，我们就使用这个公式。

该Sellmeier公式模型对于给定的在可见精度为nm和在IR精度为nm的时间长度内可以预测QPM波长。然后，我们试图提高拟合。添加另一个极点的色散方程，降低由7个因素的二次误差和提高波长准确度。然而，让第二和第三磁极与温度有关未统计改善拟合结果。最后形成的色散方程，我们得到： 我们采用最小二乘数据拟合，同时对所有的数据和获得的SLT，表1中的色散系数法比较。这提供了准相位匹配波长的色散方程，在1.5 nm倍频精度在8 nm的OPO近4mu;m。

额外的极点，在H=7.99毫米，代表在这个波长的相对低的吸收强度，例如光学跃迁,G。发现铌酸锂类似的调查是由于多光子吸收。SLT折射率低于CLT晶体，如考虑到原文材料具有较少的缺陷比是合理的

交际教学法。SLT的折射率比对CLT晶体的低，如果考虑到SLT材料具有比CLT较少的缺陷是合理的。

表1.SLT和CLT的Sellmeier系数

图1.（实线）在室温下得到的SLT的Sellmeier方程。虚线，在参考文献4中给出的SLT的色散曲线。

图2. 1064-mu;m-泵浦的 PP SLT光参量振荡器在40和180^oC的温度下测量数据（圈和十字架）和计算的调谐曲线产生的Sellmeier系数。

如图1所示，在波长短于1.05mu;m的研究报告在这封信得到了SLT的色散曲线与曲线在参考文献4中给出（虚线）。但是，在红外范围内，曲线之间的差异似乎增加波长。这种差异是在参考文献4中给出的方程是合适的只有0.44- 1.05mu;m范围。

图2显示测量数据和计算在40和180℃温度1.064-mm-pumped光学参量振荡器的调谐曲线的拟合结果为表1。从谢米尔系数，我们计算了空载的QPM波长为PP SLT光参量振荡器泵浦1064nm的信号，并检查了他们的实验。我们用超过22 mm长和周期为28.08mu;m的晶体来进行OPO设置。水晶是减在泵和信号波长的反射涂层。在闲置波长的反射为每个小面的10％，托辊的调谐范围为4.1828 -3.9898毫米在40 -200℃，获得的波长与我们的预测吻合得很好。

在一个1 kHz的重复率得到了10 mw最大托辊效率17%的振荡阈值，这相当于一个总的内部转换效率超过60%。我们测得的平均输出功率为0.5W邻近4mu;m以10kHz的重复率。托辊的效率几乎没有变化，在超过70℃的不同温度下，并没有观察到光折变损伤。这些结果表明，PP SLT晶体在温度低于那些可以由CLT或铌酸锂耐受高功率应用是合适的。

总之，我们已经获得了在0.39 -4.1微米范围内的SLT与温度有关的色散曲线。由此产生的Sellmeier方程，可以准确地预测准相位匹配波长。PP SLT在大功率应用中是重要的，我们相信，这个方程在设计基于该材料的非线性光学器件中是很有帮助的。因为SLT具有在270 nm透明的优势，我们正在进行进一步的研究，将Sellmeier方程拓展到紫外范围。

我们感谢Yasunori Furukawa 给我提供的非常有帮助的信息和讨论。 A. Brunerrsquo;s e-mail 地址是

bruner@soreq.gov.il.

参考文献：

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2. Y. Furukawa, M. Nakamura, S. Takekawa, K. Kitamura,T. Hatanaka, K. Nakamura, H. Ito, A.Alexandrovski, and M. M. Fejer, in Advanced SolidState Lasers, C. Marshall, ed., Vol. 50 of OSA Trends in Optics and Photonics Series (Optical Society of America,Washington, D.C., 2001), pp. 685–687.

3. T. Hatanaka, K. Nakamura, T. Taniuchi, H. Ito, Y. Furukawa,and K. Kitamura, Opt. Lett. 25, 651 (2000).

4. M. Nakamura, S. Higichi, S. Takekawa, K. Terabe, Y.Furukawa, and K. Kitamura, Jpn. J. Appl. Phys. 41,L465 (2002).

5. A. Bruner, D. Eger, M. B. Oron, P. Blau, M. Katz, and S. Ruschin, Proc. SPIE 4628, 66 (2002).

6. Y. Furukawa, K. Kitamura, E. Suzuki, and K. Niwa, J. Cryst. Growth 197, 889 (1999).

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