Development of 1um-wavelength-laser-pumped ZnSe mid-infrared wavelength-conversion devices

1um波长激光泵浦ZnSe中红外波长转换器件的研制

基本信息

批准号：
22K04971
负责人：
庄司一郎
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Chuo University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04971/
关键词：
中赤外レーザー波長変換常温接合

项目摘要

本研究では高出力な1 um 帯レーザーで励起可能な波長変換デバイスを開発し，従来よりはるかに高効率・高出力な中赤外光発生を実現するために，セレン化亜鉛(ZnSe)プレートを多数枚積層した擬似位相整合構造を，常温接合技術を駆使して作製することを目的としている．本年度はZnSeプレート同士を高品質で接合する条件の最適化を行った．常温接合ではプレート表面を平坦性0.3 um 以下，粗さRa < 1 nm にする必要がある．励起光波長1 um の中赤外波長変換の場合，1次の擬似位相整合条件を満たすZnSeのプレート厚さは20～40 um程度と薄く上記条件を満たす研磨が困難となる．そこで，本研究では3次の擬似位相整合となる厚さ60～120 umのプレートを用いる．ZnSeは高価であるため，まず厚さ106 umのGaAsプレートを多数枚用意し接合条件の検討を行った．これまで，試料はステンレス製の治具上に直接設置していたが，治具表面の平坦性は試料の平坦性に比べ1桁程度悪く，厚さ100 um 程度以下の薄いプレート試料同士を加圧・接合すると，治具表面のうねりに沿って試料表面が変形する．この試料にさらに別のプレートを接合すると，界面に隙間が生じ透過率が低下してしまう．そこで，治具に直接設置する代わりに，レーザーグレードに研磨し平坦性の高いYAG 結晶の上に試料を置き，接合を行った．また，アルゴン原子ビームの照射する際，上下に対向して配置するプレートの間隔を調整し，ビーム強度の最も大きいところに試料表面が来るようにした．その結果，短時間で表面活性化が行えると同時に接合強度も向上した．これらの最適化を踏まえて10枚積層構造を作製したところ，波長10.6 umにおける1接合界面あたりの散乱損失が従来の0.9 %から0.4 %に改善し，高品質化に成功した．

在这项研究中，我们开发了一种可以由高功率1um波段激光激发的波长转换器件，并使用硒化锌（ZnSe）板来产生比以前更高的效率和功率的中红外光。该项目的目的是利用室温键合技术制造由多个堆叠层组成的准相位匹配结构。今年，我们优化了高质量粘合 ZnSe 板的条件。对于室温键合，板表面的平整度必须为0.3um或更小，粗糙度Ra<1nm。在激发光波长为1 um的中红外波长转换情况下，满足一阶准相位匹配条件的ZnSe板厚度薄至20~40 um，使得抛光满足上述要求条件困难。因此，在本研究中，我们使用厚度为 60 至 120 um 的板，其提供三阶准相位匹配。由于ZnSe价格昂贵，我们首先制备了许多厚度为106 um的GaAs板并检查了键合条件。到目前为止，样品直接放置在不锈钢夹具上，但夹具表面的平整度比样品的平整度差约一个数量级，导致难以贴附厚度约100 um的薄板样品当相互挤压和粘合时，样品表面沿着夹具表面的起伏变形。当另一块板粘合到该样品上时，界面处会产生间隙，透射率会降低。因此，我们没有将样品直接放置在夹具上，而是将样品放置在已抛光至激光级且具有高平整度的YAG晶体上，然后进行焊接。此外，当用氩原子束照射时，我们调整垂直放置的彼此相对的板之间的间距，使得样品表面位于光束强度最高的位置。结果，表面可以在短时间内活化，并且粘合强度也得到提高。当我们基于这些优化制造10层堆叠结构时，在10.6 um波长下每个结界面的散射损耗从0.9%改善到0.4%，并且我们成功地实现了高质量。