專利名稱：一種在玻璃中產(chǎn)生二次諧波發(fā)生性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光功能玻璃材料領(lǐng)域，特別涉及一種在玻璃中產(chǎn)生二次諧波發(fā)生性能的方法。
背景技術(shù)：
在激光技術(shù)中，直接利用激光材料所能獲得的激光波長(zhǎng)有限，從紫外到紅外光譜區(qū)，尚 存在空白波段。使用非線性光學(xué)材料，通過倍頻、混頻、光參量振蕩等非線性光學(xué)效應(yīng)可將 有限的激光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換成新波段的相干光。利用這種技術(shù)可以填補(bǔ)各類激光器發(fā)射激光波長(zhǎng)的 空白光譜區(qū)，使激光器得到更廣泛的應(yīng)用，因此在激光技術(shù)領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)價(jià) 值。
基于結(jié)構(gòu)的各向同性，理論上玻璃中偶階非線性光學(xué)系數(shù)應(yīng)為0。但是，80年代，人們 卻在光極化Ge摻雜石英光纖中發(fā)現(xiàn)了 SHG (二次諧波發(fā)生)現(xiàn)象。90年代，人們又通過強(qiáng) 電極化在Si02玻璃中發(fā)現(xiàn)了SHG現(xiàn)象。和非線性光學(xué)晶體材料相比，由于本身固有的組成性 能連續(xù)可調(diào)、易于制備、摻雜、加工和拉纖成膜以及與目前的光纖通訊網(wǎng)相兼容等優(yōu)點(diǎn)，通 過各種后處理工藝在玻璃中獲取SHG性能的探索隨成了一個(gè)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。
目前，人們主要通過三種手段在玻璃中實(shí)現(xiàn)SHG性能電場(chǎng)/溫度場(chǎng)極化法(又稱強(qiáng)電 極化法)、激光誘導(dǎo)法和電子束輻照法。
三種極化方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。激光誘導(dǎo)法需要較長(zhǎng)的誘導(dǎo)時(shí)間，不利于器件在集成光路中 的應(yīng)用。由于聚焦電子束的分辨率較髙，同時(shí)對(duì)強(qiáng)電極化法在玻璃中產(chǎn)生的SHG性能具有擦 除功能，通過輻照時(shí)間和輻照劑量等參數(shù)的調(diào)控，電子束輻照法可以在玻璃表層區(qū)域形成周 期花樣的極化區(qū)域，從而產(chǎn)生準(zhǔn)相位匹配的SHG，但產(chǎn)生的x②較小，需要進(jìn)一步提髙。電 場(chǎng)/溫度場(chǎng)極化法能夠克服這一缺點(diǎn)，并能夠產(chǎn)生較大的二階非線性極化率x②，但卻難以 形成相位匹配的SHG，而且需要加熱樣品(方法復(fù)雜)。
電場(chǎng)/溫度場(chǎng)極化法在玻璃中產(chǎn)生SHG性能的主要步驟是把樣品放在兩塊平行電極之 間并保證充分接觸，然后放置在可控溫的加熱爐內(nèi)，加熱至實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)溫度(Tg附近)，在實(shí) 驗(yàn)設(shè)計(jì)溫度首先恒溫一段時(shí)間，然后在兩電極之間加直流高壓電場(chǎng)，至實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)間后，保 持所加高壓電場(chǎng)不變，停止加熱使樣品快速冷卻至室溫，然后撤去極化電場(chǎng)。電場(chǎng)/溫度場(chǎng) 極化方法的一個(gè)問題是，由于熱慣性對(duì)冷卻速率的限制，將樣品冷卻之室溫獲得的二階非線 性極化率x (2>難于提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在玻璃中產(chǎn)生二次諧波發(fā)生性能的方法，該方法簡(jiǎn)單、產(chǎn)生的 光學(xué)二階非線性系數(shù)x (a較大。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是 一種在玻璃中產(chǎn)生二次諧波發(fā)生性能的方法,
3其特征在于它包括如下步驟
1) 在硫系玻璃的上端面涂覆上導(dǎo)電薄膜，在硫系玻璃的下端面涂覆下導(dǎo)電薄膜；
2) 極化通過下導(dǎo)電薄膜、上導(dǎo)電薄膜分別與電源相連，在硫系玻璃的上下端施加外 加電壓，產(chǎn)生外加電場(chǎng)；同時(shí)利用硫系玻璃的亞帶隙光(可見 近紅外光)對(duì)下導(dǎo)電薄膜或 上導(dǎo)電薄膜所在的硫系玻璃面進(jìn)行輻照。
所述的導(dǎo)電薄膜為在硫系玻璃的亞帶隙光波長(zhǎng)處透過性良好的ITO等導(dǎo)電薄膜。
所述的極化在室溫下進(jìn)行(玻璃無需加熱)。
所述的電源為直流或交流電源，外加電壓小于硫系玻璃擊穿的最大電壓。
所述的輻照通過輻照流量的調(diào)控(時(shí)間、光密度)，使硫系玻璃的粘度降低到1012 1013
P(玻璃Tg附近的粘度)。為了使硫系玻璃的粘度降低到10U 10"P，依據(jù)玻璃組成的不同， 需要的輻照流量不同(光密度在l W/cm2 104 W/cn^范圍內(nèi)變化，輻照時(shí)間在1秒 24小 時(shí)內(nèi)變化)。
所述的亞帶隙光對(duì)下導(dǎo)電薄膜或上導(dǎo)電薄膜所在的硫系玻璃面進(jìn)行輻照，輻照停止后， 繼續(xù)施加外加電壓30秒以上。
本發(fā)明提供的上述方法，以用于制備具有二階非線性光學(xué)功能的玻璃材料。 硫系玻璃具有亞帶隙光輻照產(chǎn)生光致流動(dòng)性的特性(H. Hisakuni and K. Tanaka， Science 270, 974 (1995)。和帶隙光、X—射線等相比，硫系玻璃在亞帶隙光處仍然具有良 好的透過性能，因而亞帶隙光輻照產(chǎn)生的光致流動(dòng)性是體效應(yīng)。通過輻照流量的調(diào)控，可以 使玻璃的粘度降低到1012 1013 P(也就是通過加熱使玻璃溫度升高到玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg時(shí)的粘 度)。
和電場(chǎng)/溫度場(chǎng)極化方法相比，本發(fā)明提出的在硫系玻璃中產(chǎn)生SHG性能的方法，不需 加熱樣品到Tg附近，通過施加強(qiáng)電場(chǎng)，利用亞帶隙光輻照在室溫下使玻璃的粘度降低到1012 10''1 P,從而在玻璃中產(chǎn)生SHG性能?；趯?duì)光束尺寸的控制，易于實(shí)現(xiàn)光學(xué)顯微加工；此 外輻照光具有瞬間施加和撤消的特性。因此，和電場(chǎng)/溫度場(chǎng)極化方法相比，本發(fā)明提出的 方法可以有效提高在玻璃中獲得的二階非線性極化率x②的大小，同時(shí)可以通過對(duì)輻照光的 控制在玻璃中形成周期花樣的極化區(qū)域，從而產(chǎn)生準(zhǔn)相位匹配的SHG。
本發(fā)明的有益效果是擁有電場(chǎng)/溫度場(chǎng)極化法和激光誘導(dǎo)法的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了二者 的缺點(diǎn)，無需加熱玻璃樣品，方法簡(jiǎn)單，縮短了誘導(dǎo)時(shí)間，產(chǎn)生的光學(xué)二階非線性系數(shù)x(2) 較大，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)相位匹配，并可以通過激光束的調(diào)控實(shí)現(xiàn)玻璃光學(xué)二階非線性功能的 剪裁。


圖1為玻璃的亞帶隙光輻照輔助極化裝置的示意圖； 圖2為實(shí)施例1的亞帶隙光輻照極化的GeS4硫系玻璃的Maker條紋圖 圖中l(wèi)-硫系玻璃，2-下導(dǎo)電薄膜，3-上導(dǎo)電薄膜，4-亞帶隙光，5-電源。
具體實(shí)施例方式
為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。實(shí)施例1:
如圖1所示， 一種在玻璃中產(chǎn)生二次諧波發(fā)生性能的方法，它包括如下歩驟
1) 利用傳統(tǒng)的熔融淬冷法制備GeS4玻璃(硫系玻璃)，將制備好的玻璃切片，拋光，制備成厚度lmm、直徑lcm的圓片硫系玻璃(樣品)，然后通過PLD方法，在硫系玻璃1的上端面沉積一層1 U m的IT0導(dǎo)電薄膜(上導(dǎo)電薄膜3)，在硫系玻璃1的下端面沉積一層1 U ra的IT0導(dǎo)電薄膜(下導(dǎo)電薄膜2);
2) 極化通過硫系玻璃1上下端面的IT0導(dǎo)電薄膜(下導(dǎo)電薄膜2、上導(dǎo)電薄膜3)分別與電源5 (如直流電源的正負(fù)極)相連，在硫系玻璃的兩端施加外加3kV電壓，產(chǎn)生外加電場(chǎng)；同時(shí)利用532nra的激光(亞帶隙光4)對(duì)上導(dǎo)電薄膜3所在的硫系玻璃樣品面進(jìn)行輻照，輻照面積為2ran2，光密度為15W/cm2，輻照時(shí)間是10分鐘；外加電壓的時(shí)間為11分鐘。
硫系玻璃樣品極化后采用Maker條紋測(cè)試，在亞帶隙光輔助極化的樣品中觀察到了 SHG現(xiàn)象，結(jié)果如圖2所示。實(shí)施例2:
一種在玻璃中產(chǎn)生二次諧波發(fā)生性能的方法，它包括如下步驟
1) 利用傳統(tǒng)的熔融淬冷法制備GeS6玻璃，將制備好的玻璃切片，拋光，制備成厚度lmm直徑lcm的圓片硫系玻璃(樣品)，然后通過PLD方法，在硫系玻璃1的上端面沉積一層lum的IT0導(dǎo)電薄膜(上導(dǎo)電薄膜3)，在硫系玻璃1的下端面沉積一層1 ii m的IT0導(dǎo)電薄膜(下導(dǎo)電薄膜2);
2) 極化通過硫系玻璃1上下端面的IT0導(dǎo)電薄膜(下導(dǎo)電薄膜2、上導(dǎo)電薄膜3)分別與電源5相連，在硫系玻璃的兩端施加外加2kV電壓，產(chǎn)生外加電場(chǎng)；同時(shí)利用532nm的激光(亞帶隙光4)對(duì)下導(dǎo)電薄膜2所在的硫系玻璃樣品面進(jìn)行輻照，輻照面積為2mm2,光密度為20W/cm2，輻照時(shí)間是5分鐘；外加電壓的時(shí)間為5分鐘30秒。
硫系玻璃樣品極化后采用Maker條紋測(cè)試，在亞帶隙光輔助極化的樣品中觀察到了 SHG現(xiàn)象，結(jié)果類似于圖2。
電源5、電壓表、導(dǎo)線等組成玻璃的亞帶隙光輻照輔助極化裝置(如圖l所示)，工作過程是在室溫下，通過導(dǎo)電薄膜，在硫系玻璃樣品的兩個(gè)端面上施加實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的電壓，打開亞帶隙光光源，依照具體的硫系玻璃樣品組成，通過輻照流量的調(diào)控，使玻璃的粘度降低到1012 1013 P。
權(quán)利要求
1. 一種在玻璃中產(chǎn)生二次諧波發(fā)生性能的方法，其特征在于它包括如下步驟1)在硫系玻璃的上端面涂覆上導(dǎo)電薄膜，在硫系玻璃的下端面涂覆下導(dǎo)電薄膜；2)極化通過下導(dǎo)電薄膜、上導(dǎo)電薄膜分別與電源相連，在硫系玻璃的上下端施加外加電壓，產(chǎn)生外加電場(chǎng)；同時(shí)利用硫系玻璃的亞帶隙光對(duì)下導(dǎo)電薄膜或上導(dǎo)電薄膜所在的硫系玻璃面進(jìn)行輻照。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在玻璃中產(chǎn)生二次諧波發(fā)生性能的方法，其特征在于:所 述的導(dǎo)電薄膜為IT0導(dǎo)電薄膜。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在玻璃中產(chǎn)生二次諧波發(fā)生性能的方法，其特征在于:所 述的極化在室溫下進(jìn)行。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在玻璃中產(chǎn)生二次諧波發(fā)生性能的方法，其特征在于:所 述的電源為直流或交流電源，外加電壓小于硫系玻璃擊穿的最大電壓。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在玻璃中產(chǎn)生二次諧波發(fā)生性能的方法，其特征在于:所 述的輻照通過輻照流量的調(diào)控，使硫系玻璃的粘度降低到1012 10'3 P。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在玻璃中產(chǎn)生二次諧波發(fā)生性能的方法，其特征在于:所 述的輻照停止后，繼續(xù)施加外加電壓30秒以上。
全文摘要
本發(fā)明屬于光功能玻璃材料領(lǐng)域，特別涉及一種在玻璃中產(chǎn)生二次諧波發(fā)生性能的方法。一種在玻璃中產(chǎn)生二次諧波發(fā)生性能的方法，其特征在于它包括如下步驟1)在硫系玻璃的上端面涂覆上導(dǎo)電薄膜，在硫系玻璃的下端面涂覆下導(dǎo)電薄膜；2)極化通過下導(dǎo)電薄膜、上導(dǎo)電薄膜分別與電源相連，在硫系玻璃的上下端施加外加電壓，產(chǎn)生外加電場(chǎng)；同時(shí)利用硫系玻璃的亞帶隙光對(duì)下導(dǎo)電薄膜或上導(dǎo)電薄膜所在的硫系玻璃面進(jìn)行輻照。本發(fā)明擁有電場(chǎng)/溫度場(chǎng)極化法和激光誘導(dǎo)法的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了二者的缺點(diǎn)，無需加熱玻璃樣品，方法簡(jiǎn)單，縮短了誘導(dǎo)時(shí)間，產(chǎn)生的光學(xué)二階非線性系數(shù)χ⁽²⁾較大，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)相位匹配，并可以通過激光束的調(diào)控實(shí)現(xiàn)玻璃光學(xué)二階非線性功能的剪裁。
文檔編號(hào)C03C23/00GK101475322SQ20091006051
公開日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2009年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月13日
發(fā)明者臧浩春, 趙修建, 陶海征 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)