光折射及各种类型LiNbO3波导中的原位光学清洁

《Optics & Laser Technology》：Photorefraction and in-situ optical cleaning in various types of LiNbO3 waveguides

本文比较了钛掺杂通道波导与切割脊波导在LiNbO3中的光致折射效应，发现两者抗损伤能力无显著差异。实验表明，532nm激光可通过光致清洁在室温下有效缓解光致折射损伤，且损伤程度与激光强度相关。研究结果为优化波导器件的光学稳定性提供了新思路。

　　锂铌酸盐（LiNbO?）是一种在光电子学和量子光学领域广泛应用的材料，因其具有高非线性光学系数和强电光效应而备受关注。然而，LiNbO?的强光折变效应限制了光学场的强度，影响了其在高功率光应用中的性能。为了克服这一限制，研究者们尝试了多种方法，包括提高温度、掺杂晶体或采用不同的波导设计。本文探讨了通过不同波导结构提高LiNbO?光折变损伤阈值的可能性，并进一步研究了光折变效应的清洁和修复方法。

LiNbO?的光折变效应是由于光诱导的折射率变化，主要由晶体中的点缺陷和杂质引起。当光照射到LiNbO?上时，光子激发电子进入导带，随后这些电子在空间中迁移，并被捕获在深陷阱中。这一过程形成了空间电荷场，进而导致折射率的变化，从而影响光的传播特性。光折变效应不仅在高功率下发生，而且在低功率下也存在，这使得其对光学设备的性能产生显著影响。因此，寻找有效减少光折变效应的方法对于提升LiNbO?在光学和量子光学中的应用至关重要。

在本研究中，我们比较了两种常见的LiNbO?波导结构：传统的钛掺杂通道波导和钛掺杂切割的脊形波导。这两种波导结构在垂直方向上都依赖于钛的扩散来实现光的限制，但在水平方向上，脊形波导通过其结构本身实现更强的光限制。理论上，更强的光限制应带来更高的光折变抵抗能力，因为光折变引起的折射率变化会导致模式场的扩展，而在高度限制的波导中这种扩展会受到抑制。然而，我们的实验结果表明，在相同的测试条件下，两种波导的光折变损伤抵抗能力没有显著差异。这与先前的研究结论不同，提示我们可能需要重新审视光折变效应的成因和波导结构的影响。

为了进一步分析光折变效应的影响，我们使用了二次谐波产生（SHG）技术，并在不同泵浦功率下测量了SHG谱的带宽和峰值功率。实验结果显示，随着泵浦功率的增加，SHG谱逐渐变宽并偏离理想形状，这表明光折变效应开始显著影响光的传播。然而，对于脊形波导和通道波导，光折变效应的起始点和影响程度并未表现出明显差异。这可能是因为光折变效应主要依赖于晶体的点缺陷密度和分布，而不是波导的几何结构。因此，波导结构在提高光折变损伤阈值方面可能并不是决定性因素，而是晶体质量的改善更为关键。

为了验证光折变效应是否可以通过光诱导的方式进行清洁和修复，我们尝试了在室温下使用532 nm的绿光进行照射。实验表明，绿光能够有效减少光折变效应，使SHG谱恢复到接近原始状态。这一现象可能与绿光能够激发深陷阱中的电子有关，这些电子在绿光照射下重新分布，从而减少了空间电荷场的形成。我们发现，在绿光照射后，SHG谱的偏移和形状变化都得到了显著改善，这表明光折变效应可以通过光诱导的方式进行部分修复。这一发现为光折变效应的控制和优化提供了新的思路。

此外，我们还研究了光折变效应在不同偏振状态下的表现。实验显示，当光的偏振方向与晶体的z轴平行时，光折变效应更为显著。这可能与电光效应的方向性有关，因为电光效应在特定方向上更为有效。通过调整偏振状态，我们能够更有效地控制光折变效应，这为未来设计更高效的光学器件提供了理论依据。

总体而言，本研究的结果表明，虽然脊形波导在理论上可能具有更强的光折变抵抗能力，但在实际实验中，这种优势并不明显。相反，通过优化晶体质量和采用适当的光诱导清洁方法，可以更有效地减少光折变效应。这一发现对于进一步提升LiNbO?在高功率光学应用中的性能具有重要意义。未来的研究可以进一步探讨不同波导结构对光折变效应的具体影响，并探索更多有效的光折变控制策略。