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微纳加工公司

1. 简介

紧凑型蓝绿激光器正在将其应用领域扩展到生物医学、娱乐和光学记录。尤其是激光电视/剧院，需要三原色激光器，输出功率超过 1W，对于高质量娱乐来说非常吸引人。尽管人们为开发蓝色半导体激光器进行了广泛的研究，但对于纯蓝色区域（450-460nm）中 GaN 基激光二极管 (LD) 的寿命，我们仍然存在争议。纯蓝色激光源是激光电视的理想选择，因为波长位于 CIE 色图的角落附近，这意味着我们可以通过混合纯蓝色激光覆盖宽光谱范围。倍频固态激光器因其高光束质量和高指向稳定性而成为激光电视的最佳候选者之一，其中 Nd:GdVO4 发射 912nm 波长，对应于 456nm 的二次谐波蓝光 [1]。与传统材料 LiB3O5 (deff <0.85 pm/V) 不同，铁电材料（如化学计量钽酸锂 (SLT: deff <10 pm/V)）在波长转换方面具有成本效益[2] [3] [4]，可降低泵浦 LD 的功率并实现单程波长转换。此外，SLT 还表现出约 8.5 W/mK 的高热导率，几乎是室温下 CLN (3.9 W/mK) 的两倍。

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热致失相是倍频输出功率的限制因素之一，我们进行了三维模拟以分析周期性极化器件中的温度分布。至于热管理，由于热导率较大，SLT 在高功率操作中很有前途 [5]。在目前的工作中，我们报告了周期性极化 Mg:SLT (PPMgSLT) 在纯蓝光区域中的准相位匹配 (QPM) 二次谐波产生(SHG)。

PPMgSLT的制作

图1：Mg:SLT中具有4.9μm周期的区域结构
a) +Z面：图案化电极面
b) -Z面：平面电极面

我们准备了Z切0.5mm厚的商业SLT晶片，采用双坩埚Czochralski法生长，并在光刻过程前去除了初始微区。为了保证抑制光折射，选择了1mol%的镁浓度，尽管1mol%的掺杂大大降低了周期极化中的成核密度。光刻绝缘层以4.9µm的周期图案化在+Z表面上，并被金属电极覆盖。我们通过在1.4kV/mm的多个电脉冲下，成功地实现了具有高纵横比（深度/宽度）204的穿透周期性区域结构（图1）。在极化反转过程中，集成电荷在每次脉冲后生成触发信号，终止极化过程。尽管极化场低于传统的矫顽场1.7kV/mm[6]，但是区域壁的运动发生在高于零速率场0.26kV/mm[7]的电场中。由于低缺陷密度，SLT表现出平滑的区域壁运动，因此对电场敏感。低电场极化允许精确控制区域扩展并抑制合并区域。

通过二次谐波生成产生纯蓝光

图2：蓝色二次谐波功率的温度依赖性

图3：蓝色二次谐波生成的输入/输出特性

图4：最大输出功率与器件长度的关系

我们使用模式锁定的Ti:蓝宝石激光器检查了波长转换特性，该激光器的波长固定在912.3nm。激光的脉冲宽度、重复频率和带宽分别为2.1皮秒、76 MHz和0.4nm。所制备的PPMgSLT器件厚度为0.5mm，器件长度分别为2、3和5mm。图2展示了3mm长器件的二次谐波效率的温度依赖性，该数据通过准直束测量。该图显示了39°C的相位匹配温度，这是通过修改的周期结构设计的。由于Ti:蓝宝石激光器的宽带宽，温度带宽略大于预测值。然后，我们通过一个19mm焦距的透镜测量了SH光的输入/输出特性，其中光束的直径约为35µm。SH功率的二次依赖性表明，在纯蓝光区域内无光折射的操作。3mm长的器件中，最大输出功率为56mW，且没有任何饱和迹象。比较了不同物理长度器件的SH性能，结果显示较长的器件存在饱和现象。为了提高效率，将进一步进行研究。

结论
我们报道了用于产生456 nm纯蓝光的周期极化Mg:SLT器件。具有4.9µm周期的器件在室温下运行，且没有光折射。通过模式锁定的Ti:蓝宝石激光器获得了56mW的平均输出功率。
作者感谢M. Watanabe和K. Yamaguchi在实验中的帮助。

作者：Sunao Kurimura, Sergey V. Tovstonog, Ritsu Watanabe, and Kenji Kitamura

单位：National Institute for Materials Science (NIMS)

1-1 Namiki, Tsukuba-shi, Ibaraki 305-0044, Japan