铌酸钾自泵浦相共轭器

摘要

铌酸钾自泵浦相共轭器在激光及光电子技术等领域有广泛的应用。该发明采用了使入射光本身在晶体内全反射、反射光与入射光在晶体内相交的设计方案。因而达到充分利用入射光，也充分利用了晶体较大的电光系数，得到了高的相共轭反射率。用掺铁铌酸钾(KNbO

说明书

本发明铌酸钾自泵浦相共轭器，属于激光与光电子技术领域的重要部件，它广泛的应用于自适应光学构成激光相位共轭谐振腔。

相共轭器是一种特殊的反射镜。其反射光的位相与入射光的位相是复共轭的。普通利用四波耦合来实现相位共轭波反射，在这种情况下要有两束激光作为泵浦源。而自泵浦相共轭器则不用泵浦源，只要有一束入射光在一定角度范围入射，即可得到它的相共轭反射光。定义相共轭反射率为相共轭反射光与入射光光强之比。

目前最常用的实现自泵浦相共轭波输出的方法是利用入射光在光折变晶体中形成的扇形散射光。当一束激光相对于晶体晶轴以一定角度入射时，由于扇形散射效应，入射光束将在晶体内分岔，某一方向的散射光被增强后折向晶体的某一棱角，这束光在晶体棱角上发生内全反射，形成了一个光线环路（如图1）。四波耦合就在这个环路中产生了，相共轭波将在与入射光共线而传播方向相反的方向输出。用这种方法，1982年在BaTiO₃晶体上实现了自泵浦相共轭波的输出：

〔1〕J.Feinberg，Optics Letters Vol.7 486（1982）随后，在Bi₁₂TiO₂₀，Sr_1-xBa_xNb₂O₆（SBN），K_1-yNa_yBa_2-xSr_xNb₅O₁₅（KNSBN）等光折变晶体中也实现了自泵浦相共轭反射波的输出。在上述各晶体中，以BaTiO₃的自泵浦相共轭反射率最高，瑞士Günter教授曾报道为58%，我国中科院物理所最高达到52%。对于掺铁铌酸钾（KNbO₃∶Fe）晶体，在室温下至今尚没有报道用这种方法实现过相共轭反射波输出。

1989年有报道〔2〕，利用SBN晶体，使入射光在晶体内表面全反射，反射光与入射光在晶体内相交，入射光从垂直于b轴的表面射入晶体，实现了自泵浦相共轭反射，反射率为30%：

〔2〕M.Cronin-Golomb  et  al，Optics  Letters  Vol.14  462（1989）

美国Hughes公司的研究人员利用外环腔设计（如图2），在将KNbO₃∶Fe晶体加热至62℃以上时，观察到了自泵浦相共轭波。在加热至124℃时，达到了最大反射率26%。关于这项工作的论文可能将在89年7月的“Applied>

为了克服现有技术的缺点，发明一种铌酸钾自泵浦相共轭器。它是充分利用KNbO₃∶Fe晶体具有较大的电光系数，较小的介电常数等优点，达到较大的自泵浦相共轭反射率的实用新器件。

本发明选用电光系数大、介电常数小的晶体掺铁铌酸钾（KNbO₃∶Fe），首次在KNbO₃∶Fe晶体上实现了室温下自泵浦相共轭反射波的输出，反射率为67%，超过了目前所有的晶体。

发明的要点如下：

①对于KNbO₃∶Fe晶体，要求其有适当的载流子浓度N，使得二波耦合增益系数较大而吸收系数较小。

②设计适当的晶体切割方式（如图3）。使得入射光本身在晶体体内传播至棱角时发生全反射，反射光与入射光在晶体内相交。相共轭光将会沿与入射光相反的传播方向输出。

③如图3，反射光与入射光交角为2θ，这两束光的平分线与晶体C轴夹角β。为充分利用KNbO₃∶Fe晶体较大的电光系数r₄₂，与β的选择必须使二波耦合增益系数最大，从而得到高的相共轭反射率。二波耦合增益系数为

γ= (ω)/(2nc) (E·r_eff)/(Cosθ)>

其中C为光速，ω为光的圆频率，n为晶体折射率，E为光在晶体内产生的电场，r_eff为有效电光系数。若光的偏振方向在晶体的b、c面内

E=>BT)/(g)>g)/(1+(k_g/k。）²)>

r_eff＝>4_br₃₃（Cos2θ-Cos2β）+4n2_bn2_cr₄₂Sin²β+n4_cr₃₃（Cos2θ+Cos2β）〕Cosβ>

其中

k_g＝>

k_o＝（Ng²/∈∈_ok_BT）^1/2

∈＝∈_∥Cos²β+∈_⊥Sin²β>

以上各式中，k_g为Boltzmann常数，T为晶体绝对温度，g为电子电荷，n_b、n_c为主轴折射率，r₃₃、r₄₂为电光系数张量的分量，∈为相对介电常数，∈_o为真空的介电常数，N为晶体的载流子浓度。由①-④式可见，二波耦合增益系数在N一定时，是θ、β的函数。故取适当的θ、β值，可使γ最大。

该发明具有以下优点：

1.目前最常用的实现自泵浦相共轭反射波的方案（图1），入射光分成两部分，散射光束在棱角反射，而有一部分入射光透射出晶体而损失掉了，这就限制了反射率的提高。采用本发明的设计方案，使入射光本身在晶体内表面全反射，避免了这部分损失，最大限度地利用了入射光。

2.现有技术对晶体的切割通常只是沿晶体的主轴方向将晶体切成长方体。切成什么尺寸，入射光从哪一点射入晶体才能使反射率较高，全靠实验调节，盲目性较大。本发明设计先计算γ与θ、β的关系，然后找出γ最大时的θ、β值（对于固定的N），从而可以精确地按所需角度切割晶体，以达到大反射率。目前，我们达到了67%的高反射率，已经说明角度的选择是非常重要的，尤其是象KNbO₃∶Fe，BaTiO₃等r₄₂远大于r₃₃的晶体。

3.KNbO₃∶Fe晶体最低的相变点在225℃，比目前最常用的BaTiO₃晶体（130℃）高，使得在其表面能较方便地镀增透膜，从而进一步提高相位共轭反射率。未镀膜时，入射光有14%被表面反射掉了，相共轭光射出晶体时也有14%被反射掉，两次通过晶体表面共有26%的光强损失了。

4.KNbO₃∶Fe晶体的吸收系数较小（如α＝1.1cm^-1，在λ＝514.5nm处），光破坏阈值相对较大（大于250MW/cm²），响应速度较快。

具有上述优点的自泵浦相共轭器在激光和光电子学技术领域有广泛的用途。以它作基础可以做成相位非均匀补偿器、频率自扫描器、光学矩阵矢量乘法运算器、关联存储器和相共轭谐振腔等。现有技术所能提供的相共轭器由于其本身设计的缺点，反射率都不高，距实用有一定的距离。本发明能够获得较大的反射率，尤其是表面镀膜后，预计反射率可超过80%。这样，该发明就提供了一种具有实用价值的器件，使得自泵浦相共轭器不再是实验室的研究对象和成果，而成为商品化的实用光电子新器件。这将推动激光及光电子技术进一步向前发展。同时，在军事上也有潜在的应用前景，如反激光武器等。

附图说明及实施例：

图1  目前最常用的实现自泵浦相共轭波输出的方法

1入射光

2散射光

3散射光

4相共轭光

C晶体光轴垂直向下

图2 外环腔加热KNbO₃∶Fe晶体的自泵浦相共轭实验

M₁全反镜

M₂全反镜

1入射光

4相共轭光

C表示晶体光轴方向垂直向上

图3  本发明的晶体切割及使用方法。入射光从MN表面射入晶体，偏振方向平行于纸面。

1入射光

4相共轭光

AB为∠DAE的平分线

C晶体光轴方向如图所示

晶体的a轴垂直于纸面

图4  实施例

晶体尺寸及各角度如图示，OP方向为b轴，a轴方向垂直于纸面，沿a轴方向晶体的厚度为5.5mm。MN、OQ、OP为抛光面，MN面未镀增透膜。

入射光为氩激光器输出的514.5nm波长的单模激光，当入射光强约8mW时，测得的铌酸钾自泵浦相共轭反射率R＝67%。