• No results found

Characterization of domain gratings in KTP and RKTP crystals for second harmonic generation.

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Characterization of domain gratings in KTP and RKTP crystals for second harmonic generation."

Copied!
24
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

 

   

Characterization of domain gratings in KTP  and RKTP crystals for second harmonic 

generation   

Anna Hamberg F‐09, ahamberg@kth.se  Sandrine Idlas F‐07, idlas@kth.se 

 

 

           

Bachelor Thesis 

Laser Physics Division, Department of Applied Physics, Royal Institute of Technology  Stockholm, Sweden 2012 

 

Supervisors: Carlota Canalias, Andrius Zukauskas   

(2)

Abstract  

   

Lasers  are  used  in  a  vast  range  of  applications  ranging  from  eye  surgery  to  devices  for  measuring air pollution. Most of these applications require specific wavelengths that cannot  be obtained by regular lasers. Therefore it is important to be able to convert the wavelength  of  the  laser  to  the  desired  wavelength  for  a  specific  application.  This  is  achieved  by  using  nonlinear  optical  crystals  in  which  an  incoming  light  frequency  can  be  converted  into  another.  

 

Due to the material’s chromatic dispersion there is a phase mismatch between the incoming  and generated light, which prevents a net increase of the generated light’s power. A solution  to  this  problem  is  the  creation  of  domain  gratings  in  ferroelectric  crystals,  which  compensates  for  the  phase  mismatch  between  the  interacting  photons.  However,  the  conversion efficiency will depend on the quality of the grating. 

 

In this study, we have characterized   and Rb‐doped   ferroelectric crystals  in terms of their efficiency to convert infrared light to blue light. This conversion efficiency  has been correlated to the domain structure and the quality of the grating. We have found  that  the  homogeneity  of  the  grating  and  the  existence  of  damage  on  the  crystal’s  optical  surfaces have a strong impact on the conversion efficiency.  

   

Acknowledgements   

We would like to thank our supervisors, Carlota Canalias, and Andrius Zukauskas at the dept. 

of Applied Physics at KTH for their support and help throughout this project. They have  provided us with well‐structured guidance, always available to address our problems in the  most pedagogic way.  

 

Cover picture:  

Flaw in an RKTP crystal, photographed with an optical microscope with magnification 5x. 

   

(3)

Table of contents 

1. Introduction ... 3 

2. Theoretical background ... 4 

2.1. Optics ... 4 

2.1.1. Nonlinear optics ... 4 

2.1.2. Second Harmonic Generation ... 4 

2.2. Nonlinear materials for quasi‐phase matching ... 10 

2.2.1. KTP and its isomorph RKTP ... 10 

2.2.2. Ferroelectricity ... 10 

2.2.3. Differences between KTP and RKTP crystal structure ... 10 

2.2.4. Electric field poling of the crystals ... 11 

3. Experimental set‐up ... 13 

4. Measurements ... 15 

5. Results ... 16 

5.1. Crystal properties influencing conversion efficiency ... 16 

5.1.1. Lattice structure ... 16 

5.1.2. Duty cycle... 16 

5.1.3. Homogeneity of grating ... 18 

5.1.4. Defects in the grating ... 19 

5.3. Damage on the optical surfaces ... 19 

5.4. Temperature Dependence ... 21 

5.5. Possible errors ... 21 

5.6.  Limitations of the method ... 21 

6. Conclusion ... 22 

7. Litterature ... 23   

 

(4)

1. Introduction

   

Different materials respond to the electric field of light in different ways. In the presence of  an oscillating electric field, an oscillating polarization can be induced and modify this field. If  the polarization is proportional to the field, the material response is said to be linear. For any  other  type  of  relationship  between  those  two  elements,  we  are  dealing  with  a  non‐linear  interaction.  

 

Effects of optical non‐linearity include changing the frequency of light waves. This will be the  subject of our study. When passing through the ferroelectric crystals KTP (Potassium Titanyl  Phosphate,  )  and  RKTP  (Rubidium  doped  KTP),  the  incoming  lights  frequency  is  doubled, thus creating a second harmonic wave. For KTP and its isomorphs, the frequency  range for which this effect occurs is wide, extending through the whole spectrum of visible  light.  

  

A  common  problem  with  crystals  used  as  frequency  converters  is  that  the  power  of  the  generated  frequency  oscillates  along  the  crystal.  This  is  due  to  the  dispersion  relation  between the refractive index and the light’s frequency, causing a different phase velocity for  different  frequencies.  This  way,  a  phase  mismatch  between  the  incoming  light  and  the  generated  light  is  created  in  the  crystal,  causing  the  latter  to  be  converted  back  into  the  incoming frequency.  

 

A possible solution is to use the fact that light is an electromagnetic wave. For this reason, it  can  be  influenced  by  the  electric  fields  produced  by  the  interaction  with  the  crystal’s  polarization.  Therefore,  the  phases  of  the  interacting  waves  can  be  reset  to  zero  by  periodically inverting the polarization of the ferroelectric crystal.  

 

This  technique  has  a  variety  of  applications  such  as  biomedical  instrumentation,  color  printing  and  laser  displays,  to  name  a  few.  This  study  is  therefore  interesting  from  both  a  theoretical and a practical point of view.  

 

Our goal will be the characterization of some of the optical properties of KTP and RKTP: we  will  try  to  correlate  the  efficiency  of  the  crystal  optical  surfaces  to  the  quality  of  the 

ferroelectric domain gratings.    

(5)

2. Theoretical background

 

2.1. Optics

 

2.1.1. Nonlinear optics  

The linear part of the interaction is responsible for phenomena that we are all familiar with,  such  as  rainbows  or  the  bending  of  light  rays  coming  from  a  spoon  in  a  glass  of  water. 

Nonlinearity  is  also  responsible  for  a  number  of  different  phenomena.  One  of  these  is  changing the light’s frequency. 

 

The condition for second order optical nonlinearity in a material is that the material is non‐

centrosymmetric.  There  exist  many  crystals  that  obey  this  criterion.  In  this  study,  we  will  discuss KTP and its isomorph RKTP.  

 

A material can respond to an external field by creating a polarization modifying the field. The  dipoles inside a ferroelectric material oscillate in the direction of the light’s polarization. In  the  linear  case,  the  response  of  the  material  to  this  excitation  is  proportional  to  the  field. 

However, in the non‐linear case, extra terms add up to the equation:  

 

   

Here  is the nonlinear part of the polarization, and   is the linear part. 

2.1.2. Second Harmonic Generation  

Equation (1) can be seen as a Taylor development:   constitutes a first order term (a linear  relation between P and E), and   is made of higher order terms (square, cubic, etc.).  

 

We will here consider the second order term in equation (1):  

 

   

Here,    is  the  incoming  electric  field,  and    is  the  electric  field  generated  by  the  interaction with the material. We can now introduce the non‐linear coefficient d:  

1

2  

 

2  

 

Out of all second order nonlinear processes, we will focus on second harmonic generation. 

This  implies  that  two  incoming  photons  ( )  interact  with  the  crystal  by  combining  their  energies to form a third photon  . Energy conservation gives:   

 

 

   

F

SH

(1) 

(2) 

 (3) 

(6)

This process is illustrated in Figure 1:  

 

Figure 1– Second Harmonic Generation.   

Phase‐matching criteria  

Maximum conversion efficiency is achieved when momentum is conserved, in other words  when there is no phase mismatch between the incoming wave and the generated wave. This  is described by the phase matching criteria, where   denotes the second harmonic wave  number and   denotes the fundamental wave number:  

   

2 0 

 

When  the  phase  matching  criteria  is  fulfilled,  the  intensity  of  the  second  harmonic  wave  increases. But after a certain point, the phase mismatch creates a destructive interference,  implying that the generated intensity decreases. This happens each time ∆k π.  

Quasi‐phase matching using periodically poled crystals  

Due to chromatic dispersion in the material, the phase matching criteria is not automatically  fulfilled.  This  causes  an  accumulation  of  phase  mismatch    as  light  travels  through  the  crystal, creating destructive interference.  

 

Quasi phase matching is a technique where the phase mismatch, ∆ , is adjusted by creating  a “grating” with periodically switched polarization directions in the crystal. This can be done  in  ferroelectric  materials,  and  how  well  phase  matching  is  achieved  will  depend  on  the  grating quality. The function of this grating is to keep the phase mismatch at a minimum and  especially make sure that ∆  is always smaller than π, thus giving an increase in SH power. 

   

   

kSH

kF

k

Figure 2 – Ferroelectric domain grating, where different regions have different polarizations. 

(7)

In such a grating, the width of a domain with a certain polarization should equal the distance  at which the intensity reaches its maximum. The ideal domain width is called coherent  length,  , where  :  

 

Figure 3 – Oscillation in Second Harmonic power throughout the crystal, curve (a): when no quasi‐phase matching is   

used, curve (b): with quasi‐phase matching. The arrows symbolize the polarization direction in the material for curve b. 

Figure 3 shows two curves; curve (a) is the second harmonic power in a crystal without any  grating (the whole crystal has the same polarization). Due to the variations in ∆  the second  harmonic  power  oscillates  throughout  the  crystal.  Curve  (b)  shows  the  second  harmonic  power in a crystal with a ferroelectric domain grating (the arrows in the figure mark different  polarization directions). ∆  is always kept below  , which causes the SH power to increase. 

 

The  effect  of  this  sign  modulation  is  clearer  when  described  in  the  reciprocal  lattice. The  periodic sign modulation of d can be described as a rectangular function g(x) and expanded  in a Fourier series:  

 

 

       

Here,   is the   harmonic of the grating vector, in the same direction as d. Gm is  the Fourier coefficient.  

 

Thus,  creating  a  grating  is  equivalent  to  creating  an  extra  artificial  wave  vector    compensating  the  phase  mismatch.  This  gives  an  extra  momentum,  corresponding  to  the  wave  vector  of  the  periodic  crystal.  This  way,  the  phase  mismatch  is  reset  to  zero  by  the  additional wave vectori

   

 

Lc  k

(4) 

Figure 4 – Quasi Phase Matching 

(8)

Duty cycle    

The  duty  cycle  D  is  a  quantity  that  we  will  define  by  taking  into  account  the  periodic  sign  modulation in our calculations. As we will see, this should give: 

 

Λ   

In particular, in our study, we will set L as the length of the inverted domains, thus defining  the duty cycle as the ratio between the widths of the inverted domains to the period of the  crystal:  

 

       

 

 

           

Taking  into  account  the  periodic  sign  modulation  in  equation  (4),  the  expression  for  the  effective nonlinear coefficient  is: 

 

∙ ∙  

 

For a periodic sign modulation, The Fourier coefficient Gm is:  

2 sin  

 

Therefore, to get the maximum nonlinear coefficient, we need to maximize Gm, which gives:  

2  

 

And most importantly, this defines the Duty cycle D and its optimum:  

 

Λ  deff

domain period Λ

Figure 5 – Picture showing a grating of domains with different polarizations in a ferroelectric crystal. Red line showing  a domain, pink line showing a period. The black line equals 5µm. 

(9)

1 2   

At its optimum, when  0.5, we obtain the largest nonlinear coefficient  .  

Let  us  now  define  the  order  of  quasi  phase‐matching  as  the  quotient  between  the  fundamental  wavelength  and  the  period  of  the  grating.  A  crystal  of  order  m=3  has  thus  a  domain  width  3  times  bigger  than  the  coherence  length1,  .  This  means  that  the  polarization  would  be  reversed  at  every  3    instead  of  every  ,  letting  the  second  harmonic  power  decrease  twice  in  every  period.  Curve  d  in  figure  6  illustrates  a  3rd  order  quasi phase‐matching:  

                               

Figure  6  ‐  SH  power  with  and  without  phase  matching.  a:  perfectly  matched,  b:  growth  and  decay  without  phase  matching, c: 1st order QPM, d: 3rd order QPMii

 

The  nonlinear  coefficient  decreases  as  the  order  of  quasi‐phase  matching  increases,  as  shown in the figure below:  

   

               

Figure 7 – Nonlinear coefficient plotted against the duty cycleiii.  

       

1 We are here introducing the term “order” as to referring to the “order of the grating”. This should not be  confused with the “order of nonlinearity” previously used.  

deff

(10)

In our study, we will use crystals of order m=1 and m=3. All the crystals were prepared for  being  of  order  m=1,  but  for  different  wavelengths.  Because  the characterization  laser  only  reaches  certain  wavelengths,  we  are  obliged  to  use  certain  crystals  as  order  m=3  with  another wavelength than they were originally designed for. The nonlinear coefficient has a  maximum at D = 0.5 for both 1st and 3rd order. However, as can be seen in figure 7, 3rd order  gratings also have a maximum for the nonlinear coefficient at a duty cycle of 0.15 or 0.85. 

High  efficiencies  achieved  for  these  duty  cycles  are  not  interesting  to  us  and  will  not  be  considered in this study. This is because the crystal would generate low conversion efficiency  if  used  as  a  1st  order  grating  with  a  different  wavelength  of  the  laser.  Thus,  we  will  only  consider  as a good duty cycle for both m=1 and m=3.  

 

Figure 7 also shows that 3rd order gratings are much more sensitive to small deviations from  0.5 in duty cycle than 1st order gratings are. 

 

Efficiency

Our criteria to test the quality of the crystals are the crystal’s efficiency for converting light  from fundamental to second harmonic waves.  

 

The conversion efficiency is based on measurements of the fundamental wave power,  ,  and the second harmonic power, . The conversion efficiency depends on the order of the  crystal, m.  

 

To be able to compare crystals of different lengths and different order with each other, we  use the normalized conversion efficiency, which does not account for the grating’s length or  the input power:  

 

 

This  refers  to  a  fundamental  power  of  1  Watt  and  a  crystal  length  of  1  cm.  As  it  is  independent of the actual length of the crystal, it is an excellent way to compare different  crystals.  

 

This  definition  tells  us  that  a  crystal  is  better  than  another  when  converting  a  higher  percentage of photons’ frequencies. Conversion efficiencies over  %  are considered good. 

 

 

0.5 D

PF

PSH

normPSH m2

PF2L  2F2deff2 kF m2

nF2nSH0c3



h(B,) %

W cm

 



(11)

2.2. Nonlinear materials for quasi‐phase matching 2.2.1. KTP and its isomorph RKTP

 

KTP  is  a  good  frequency  converter  because  of  its  wide  transparency  range.  It  is  easy  to  fabricate and its thermal phase matching bandwidth is large. Its low coercive field simplifies  poling thick crystals. KTP has also a low sensitivity to laser induced damage, a property that  is enhanced by Rb‐doping.  

 

2.2.2. Ferroelectricity  

KTP and its isomorph RKTP are ferroelectric crystals, which implies that they possess a net  spontaneous  polarization.  An  external  electric  field,  if  strong  enough  (coercive  field),  will  change the polarization direction. In KTP, it can be switched between two equilibrium states,  oriented 180° from each other. The surface perpendicular to the + end of the polarization  vector  is  called  C+,  and  the  surface  perpendicular  to  the  minus  end  of  the  polarization  is  called C‐.  

 

2.2.3. Differences between KTP and RKTP crystal structure  

KTP  and  RKTP  crystals  have  the  same  crystal  structure,  apart  from  the  fact  that  RKTP  is  doped  with  Rb.  There  is  less  than  1%  Rb  in  an  RKTP  lattice,  but  its  effect  on  the  poling  process  is  highly  perceptible.  Doping  the  KTP  crystal  with  Rb  lowers  the  ionic  conductivity  with  up  to  two  orders  of  magnitude,  which  facilitates  domain  inversion  and  thus  getting a  higher quality grating. 

   

                     

Figure 8  – Projection of the KTP structure in the 010 directioniv

 

(12)

KTP  and  RKTP  have  approximately  the  same  values  for deff .  The  highest deff   that  we  can  obtain in KTP is 1.031 ∙ 10  and occurs when the polarizations of the fundamental and  second harmonic light are parallel to the polarization of the crystal. The crystal gratings have  been created so that we can make use of the highest deff .  

 

2.2.4. Electric field poling of the crystals  

Before poling the crystals, the whole crystal has the same spontaneous polarization. The side  perpendicular  to  the  minus  side  of  the  polarization  vector  is  called  C‐.  When  poling  the  crystals, a thin layer of photoresist (an insulator that is sensitive to light) is put on top of the  C‐ side. Then one puts a photo mask (metal with the shape of the desired grating, patterned  on  a  glass  plate)  on  top  of  the  C‐  side  and  exposes  it  to  light.  In  the  exposed  parts  of  the  photoresist,  many  of  the  bonds  between  molecules  will  be  broken.  The  crystal  is  put  in  a  developing solution (chemical etching), which will remove the rest of the exposed parts of  the photoresist. After this, one puts on a thin layer of aluminum on the whole patterned side  of the crystal.  

 

To do the poling, the C‐ and C+ sides of the crystal are put in contact with a conductive fluid. 

Then  an  electric  field,  higher  than  the  coercive  field,  is  applied.  This  will  make  the  areas  without  any  photoresist  switch  polarization,  while  the  polarization  will  stay  the  same  for  areas covered with the insulator.  

 

Domains tend to nucleate at the edges of the electrode. They start growing downwards from  the   to the C+ side, and then broaden. Because of the fringing fields at the edges of the  electrode,  the  domain  nucleation  does  not  precisely  follow  the  boundaries  set  by  the  electrode:  

     

             

Figure 9 ‐ Fringing fields causing over‐poling. The electrode is marked in black. 

 

   

(13)

This is an important factor for the quality of the resulting grating that explains why the  domains do not follow the boundaries, as seen in the figure below:   

             

                 

Figure 10  ‐ Growth of inverted domains in KTP: (a) Nucleation. (b) Domain propagation. (c) Domain broadening. (d)  Merging of inverted domains. The inverted domains are marked in grey, the photoresist in black and the metal in orange. 

 

Two  typical  problems  encountered  during  periodic  poling  described  above  are  over‐poled  domains and under‐poled domains. We will refer to over‐poled domains when we talk about  inverted  domains  that  have  broadened  too  much,  or  even  merged  together.  Areas  with  over‐poled  domains  have  a  duty  cycle  0.5. We  will  refer  to  under‐poled  domains  for  inverted domains that have a smaller width than the coherence length and thus a duty cycle 

0.5.  

 

This  varying  response  to  external  electric  field  can  be  caused  by  internal  defects  in  the  crystal or the ionic conductivity in the material. The conductivity can be lowered by doping  KTP  with  Rb.  Doping  does  not  provoke  significant  changes  in  the  optical  properties.  If  the  magnitude of the electric field is too high or too low, the domains might get over‐poled or  under‐poled. 

 

To visualize the domain structure, selective etching is used. The crystal is put in a liquid that  only attacks and breaks down a certain orientation of the polarization, for example only the  C‐. This creates a relief pattern on the crystal that can be observed in an optical microscope.  

 

(14)

3. Experimental set‐up

 

The  purpose  of  this  study  is  to  characterize  KTP  and  RKTP  crystals  with  respect  to  how  efficient they are at generating second harmonic waves. 

 

The following two figures show the experimental set‐up:  

   

   

Figure 11 – Experimental setupv

                               

     

 

A  tunable  laser  (Spectra‐Physics,  Model  3900S)  generates  a  beam  of  the  fundamental  frequency,  ,  which  is  directed  through  the  half  wave  plate  that,  together  with  the  polarizer, adjusts the power of the light. A lens with 50 mm focal length focuses the beam  before  the  light  enters  the  crystal,  where  the  diameter  of  the  laser‐beam  is  30  µm.  After  passing  through  the  crystal,  the  beam  passes  through  a  frequency  filter  that  only  lets  the  second  harmonic  frequency,  ,  through.  Thus  the  power‐meter  after  the  filter  only  registers  the  second  harmonic  power.  We  used  a  low‐power  meter  from  Coherent  to  register  the  second  harmonic  power.  The  fundamental  power  is  registered  after  the  lens, 

Figure 12 – Our experimental setup 

(15)

 

The  fundamental  wavelength  is  tuned  manually,  adjusted  either  by  using  a  spectrometer  (Ando, “Optical Spectrum Analyzer”, model AQ‐6315A), or by finding which wavelength gives  the  highest  second  harmonic  power.  The  crystal  is  also  aligned  manually,  by  finding  the  highest second harmonic power and by eliminating reflections.  

 

The  second  harmonic  power  at  different  points  over  the  optical  surfaces  of  the  crystal  is  then measured, in order to create a map of the normalized conversion efficiency along the  optical surface. The starting point was an edge of the grating, and measurement steps were  200 µm.  

   

   

Figure 13 – Direction of light propagation and Measurement points for the efficiency map of the optical surfaces. This  figure is not in the right scale. 

The  measurements  of  the  second  harmonic  power  were  used  to  create  plots  mapping  the  normalized efficiency at different points of the optical surface. These were correlated with  the  quality  of  the  grating  observed  by  microscope  at  the  patterned  and  non‐patterned  surfaces. The quality of the grating inside the crystal cannot be directly observed.  

 

When observing the grating we used an optical microscope from Nikon (Eclipse LV100). We  observed  both  the  grating  and  the  optical  surfaces  of  the  crystals.  We  used  objectives  ranging from 5x to 100x magnification.  

 

 

(16)

4. Measurements

 

We have measured seven crystals in total. The four crystals that we have used to illustrate  our  results  are  listed  in  table  1.  Two  of  them  are  high  performing  crystals  for  both  orders  m=1 and m=3, while the remaining two are poor quality crystals. Together they illustrate the  most important features influencing the conversion efficiency. Generally, a crystal achieving  a normalized efficiency over 1 %  is considered as usable.   

 

Table 1 – Information about measured crystals. 

 

Crystal name   

C

KTP/ RKTP  KTP RKTP  RKTP

 

RKTP   

Domain period  3.18µm  3.18µm  9.01µm  9.01µm  

Order  1st  1st  3rd 3rd 

Duty cycle  patterned surface 

0.4  (middle)   

0.32 (near  edges)   

0.3. 

 

0.5 (right side figure 9)  

0.4 (left side figure 9) 

0.4 (not uniform)   

Duty cycle   non‐patterned  surface 

No duty  cycle   

0.4 (between  0.3 and 0.6) 

0.5 (right side figure 9)  

0.4 (left side figure 9) 

0.4 

Highest    0.8 %     1.2 %     1.4 %     0.6 %    

   

   

 

normalized

(17)

5. Results

 

Many factors influence the conversion efficiency of a crystal. In this text we will account for  the most important of these factors.  

 

5.1. Crystal properties influencing conversion efficiency  

5.1.1. Lattice structure

Relation between domain structure and material choice  

When  looking  at  domain  structure,  it  has  been  observed  that  RKTP  achieve  gratings  with  better quality than KTP, meaning that the gratings are more even and homogenous. This can  be  due  to  the  fact  that  the  lower  conductivity  of  RKTP  simplifies  perfection  in  the  poling  process. Generally, RKTP shows superior effects. This effect is shown in our measurements  by  the  fact  that  the  efficiencies  obtained  were  higher  for  RKTP  than  for  KTP.  Our  most  efficient  crystals  were  C  (maximum  conversion  efficiency:  1.4 % )  and  B  (maximum  conversion efficiency 1.2 % ).  

 

5.1.2. Duty cycle  

The  high  sensitivity  of  the  conversion  efficiency  for  3rd  order  gratings  to  variations  in  duty  cycle has been observed in two of our crystals.  

 

Crystal C has the highest conversion efficiency of all the crystals measured. The grating on  this crystal is homogenous, even and almost without defects throughout the whole crystal. 

However,  we  get  big  differences  in  the  conversion  efficiency  for  different  regions.  This  is  caused by the variation in duty cycle between different regions of the crystal.  

 

Figure 14 – Plot of conversion efficiency. Upper side of the plot corresponds to the patterned side of the crystal.   

 

In the grating corresponding to the region in the plot marked with black, the average duty  cycle is very close to 0.5. With few exceptions, the duty cycle on both the patterned and on  the non‐patterned side in this region varies between [0.48, 0.52]. Compared to other crystals  we have measured, this variation is very small. The region marked with pink has an average 

(18)

duty cycle of 0.43. On the patterned side the duty cycle varies between [0.42, 0.45]. On the  non‐patterned  side  the  variation  is  between  [0.41,  0.43].  In  this  example  the  difference  in  duty  cycle  between  these  two  regions, ∆ 0.07,  caused  a  difference  in  the  normalized  conversion efficiency of ∆ 0.8 %

     

           

Figure 15 ‐ Pictures of the non‐patterned side. First photo characteristic for region marked with black in the plot, with a  duty cycle close to 0.5. Second photo characteristic for the region marked with pink, with an average duty cycle of 0.43. 

 

As  already  mentioned,  the  conversion  efficiency  for  a  3rd  order  grating  is  very  sensitive  to  variations  in  duty  cycle.  Figure  7  (page  9)  shows  that  the  absolute  value  of  the  nonlinear  coefficient for a 3rd order grating is 0.22 for a duty cycle of 0.5, and 0.15 for a duty cycle of  0.43.  This  gives  us  much  higher  conversion  efficiency  for  a  duty  cycle of  0.5  than  for  0.43. 

However, if crystal C had been used as a 1st order crystal with a different wavelength of the  laser, it would have obtained high conversion efficiency throughout the whole crystal. As can  be  seen  in  figure  7,  the  nonlinear  coefficient  for  1st  order  is  0.64  at  duty  cycle  of  0.5,  and  0.61 at a duty cycle of 0.43. The difference in conversion efficiency in different regions would  thus be small and the whole crystal would have very high conversion efficiency. 

 

Another illustration of the sensitivity to duty cycle variation was observed in crystal D. In this  case, the variation from the average duty cycle is very local. The efficiency plot in figure 16  shows that a small variation is the duty cycle has perceptible effects. The area marked with a  cross in figure 16 has a lower efficiency than its neighborhood. A measurement of the duty  cycle  above  this  area  showed  us  that  the  surface  is  more  under‐poled  there  compared  to  other areas. There, the duty cycle is around 0.36, whereas outside of this area, the average  of the whole surface is 0.4, although a bit irregular and at times over‐poled.  

 

Figure 16 – normalized efficiency plot for crystal D    

This very local under‐poled area also reveals one of the causes for under‐poling: this area is 

20µm 20µm 

(19)

the scratch is also more under‐poled than its neighborhood (D=0.29), as was the case for the  patterned  side.  We  can  see  below  the  change  in  domain  width,  in  an  area  close  to  the  scratch:  

 

Figure 17 ‐ Duty cycle variation near a scratch   

5.1.3. Homogeneity of grating  

Differences  in  homogeneity  of  the  grating  are  highly  perceptible  when  it  comes  to  conversion  efficiency.  This  is  true  for  inhomogeneity  both  in  the  direction  of  light  propagation and in the polar direction from one surface to the other.  

 

Measurements indicate that it is better to have a duty cycle that is very regular, even if the  duty cycle diverges a bit from the ideal value, than having a good duty cycle on average with  big  variations.  A  typical  case  is  crystal  B,  our  second  best  crystal  with  an  efficiency  of  1.2 % , although its average duty cycle is as low as 0.3. This can be explained by the fact  that the grating is homogeneous. This crystal was used as a 1st order crystal, and as already  explained, 1st order gratings are not very sensitive to variation in duty cycle. 

 

Another cause for low conversion efficiency is illustrated by crystal D. In parts of this crystal  the  inverted  domains  never  reached  deep  into  this  crystal.  The  grating  only  exists  on  the  patterned  surface  of  the  crystal.  It  never  reached  a  depth  accessible  to  light  beams,  as  illustrated in figure 18.    

   

     

Figure 18 – Thinning domains. The domains do not reach deep into the crystal. 

 

 

(20)

5.1.4. Defects in the grating

Holes and effective length of the grating  

Efficiency increases with the number of grating periods that light goes through. But at the  edges  of  the  grating,  the  poling  process  often  leaves  large  areas  without  any  inverted  domains. This locally changes the effective length of the grating, which can explain why the  conversion efficiency plots usually show a gradual efficiency decrease near the edges.  

 

The conversion efficiency plot for D shows a typical example of this: 

 

Figure 19 – Holes near the edge of the grating shorten the effective length of the grating, and decrease the efficiency.   

 

The  top  area  of  this  graph  corresponds  to  the  patterned  surface.  On  this  side,  in  the  area  corresponding to the left hand side of the plot, the effective length of the grating (the length  without the holes) is roughly 1000 µm. This is much smaller than the grating length, which is  supposed  to  be  around  9.1  mm.  The  non‐patterned  surface  had  a  lot  of  domains  merged  together  on  the  sides.  The  area  corresponding  to  the  right  side  of  the  plot,  however,  suffered a lot less holes. This could explain the higher efficiency in that area.  

5.3. Damage on the optical surfaces  

Damages  on  the  optical  surface  and  quality  of  the  grating  are  two  separate  problems,  without  any  influence  on  each  other.  However,  damages  are  influencing  the  crystals  performance. When analyzing data, it is important not to confuse regions of low conversion  efficiency due to cracks on the optical surface with regions of low conversion efficiency due  to a non‐homogenous grating. 

 

Damages make the laser‐light scatter, preventing a significant proportion of the light beam  from entering the crystal at the right angle. This lowers the measured values of the second  harmonic  power,  and  thus  the  conversion  efficiency,  in  the  regions  corresponding  to  the  damaged optical surfaces. Re‐polishing the crystal can eliminate the defects. 

 

   

(21)

An example of how damages on the optical surface affect the measured conversion  efficiency is shown below.  

 

   

The lower part of Figure 20 shows  the non‐patterned side of the crystal. The area marked  with  red  on  the  bottom  of  the  plot  has  considerably  lower  conversion  efficiency  than  the  area marked with green next to it. One of the optical surfaces of this crystal has a big crack  along half the length of the optical surface, close to the non‐patterned side, corresponding  to  the  area  marked  with  red  in  the  plot.  There  is  also  a  small  area  on  the  patterned  side,  marked  with  pink,  which  has  dramatically  lowered  conversion  efficiency.  This  area  corresponds  to  a  crack  in  the  optical  surface  close  to  the  patterned  side.  This  is  shown  in  figure 21. 

   

           

Figure 21 ‐ Pictures showing the damaged parts on the optical surface. The color marks show the correspondence  between efficiency conversion plot and damage on optical surface. The small dark line corresponds to 100 um. 

When  comparing  the  conversion  efficiency  plot  and  the  photos  of  the  optical  surface,  it  is  obvious  that  the  low  conversion  efficiencies  of certain  areas  of  the  plot  are caused  by  the  cracks on the optical surface. Hence, the areas with low conversion efficiency in the plot do  not tell us anything about the quality of the grating and the domain structure in the crystal.   

   

Figure 20 ‐ Conversion efficiency plot. The upper side corresponds to the patterned surface of the crystal 

(22)

5.4. Temperature Dependence  

The temperature dependence was measured on crystal B. The fundamental wavelength was  795.6 nm. It was chosen to give the maximum efficiency, 1.2 µW, at 29 . It was then held  fixed, while the temperature variation was controlled by a device relying on thermoelectric  Peltier effect. The fundamental power entering the crystal was 345 mW.  

   

                   

Figure 22 ‐ Normalized efficiency plotted against temperature. 

 

We  can  see  that  the  curve  is  narrow  (∆ 2 )  and  the  temperature  bandwidth  is  well  defined, which is a sign of a good quality crystal.  

 

5.5. Possible errors  

Factors that might have influenced the quality of our measurements could be:  

‐  The  crystals  have  been  aligned  manually,  which  can  cause  some  indetermination  in  our  measurements.  

‐  The  presence  of  extra  light  in  order  to  be  able  to  work  can  cause  noise  in  the    measurements, although we used a dim light.  

‐  The  power  of  the  laser  was  not  very  stable  and  can  have  changed  while  we  were  taking  measurements.   

‐ The power detector was fluctuating, making it hard to achieve results with high precision. 

The last digit in our measurements is highly unreliable.  

 

5.6. Limitations of the method

‐ Our characterization method does not enable us to analyze the inside of the crystal, thus  we  can  only  account  for  the  grating  at  the  surfaces  of  the  crystal.  This  is  not  always  a  problem, since it is often possible to infer what problems have happened during the poling 

(23)

 

6. Conclusion

 

Several factors have an impact on the conversion efficiency of the KTP and RKTP crystals. It is  crucial for obtaining high conversion efficiency that the domain grating is homogenous and  has  got  a  duty  cycle  that  does  not  vary  much.  It  is  also  important,  especially  for  3rd  order  gratings,  that  the  duty  cycle  does  not  differ  much  from  0.5.  Areas  without  any  inverted  domains in the grating due to under‐poling, and merged domains due to over‐pooling also  lower the efficiency. Big areas with no inverted domains at all are most often found at the  edge  of  the  grating,  lowering  the  conversion  efficiency  in  these  regions.  Defects  on  the  optical surfaces can influence the measurements. However this is not a grating defect, and  can be solved by re‐polishing the crystals.  

   

 

(24)

7. Litterature

Shunhua Wang, “Fabrication and characterization of periodically‐poled KTP and Rb‐doped  KTP for applications in the visible and UV”, Laser Physics Division, Department of Physics,  Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden, 2005  

Carlota  Canalias,  “Domain  engineering  in  KTiOPO4”,  Laser  Physics  and  Quantum  Optics,  Dept. of Physics, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden, 2005  

 

Rahul Singh, “Source of Correlated Photons pairs using 2D Periodically Poled KTP Crystal”,   Dept. of Quantum and Electro Optics, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden,  2008  

   

       

i Figure from: Shunhua Wang, “Fabrication and characterization of periodically‐poled KTP  and Rb‐doped KTP for applications in the visible and UV”, Laser Physics Division, Department  of Physics, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden, 2005. 

 

ii Figure from: Fredrik Laurell, Optical material 11, 235 (1999)   

iii Figure from: Shunhua Wang, “Fabrication and characterization of periodically‐poled KTP  and Rb‐doped KTP for applications in the visible and UV”, Laser Physics Division, Department  of Physics, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden, 2005. 

 

iv Z. W. Hu, P. A. Thomas, and P. Q. Huang Phys. Rev. B. 56, 8559 (1997). 

 

v Figure from: Shunhua Wang, “Fabrication and characterization of periodically‐poled KTP  and Rb‐doped KTP for applications in the visible and UV”, Laser Physics Division, Department  of Physics, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden, 2005.  

 

References

Related documents

• Utbildningsnivåerna i Sveriges FA-regioner varierar kraftigt. I Stockholm har 46 procent av de sysselsatta eftergymnasial utbildning, medan samma andel i Dorotea endast

I dag uppgår denna del av befolkningen till knappt 4 200 personer och år 2030 beräknas det finnas drygt 4 800 personer i Gällivare kommun som är 65 år eller äldre i

Det har inte varit möjligt att skapa en tydlig överblick över hur FoI-verksamheten på Energimyndigheten bidrar till målet, det vill säga hur målen påverkar resursprioriteringar

DIN representerar Tyskland i ISO och CEN, och har en permanent plats i ISO:s råd. Det ger dem en bra position för att påverka strategiska frågor inom den internationella

information content, disclosure tone and likelihood of opportunistic managerial discretion impact equity investors reaction to goodwill impairment announcements?” In order to

The optical transmission properties of MPCs have been investigated, obtaining 5 photonic band gaps (PBGs) which are found to be dependent on the sphere size,

Industrial Emissions Directive, supplemented by horizontal legislation (e.g., Framework Directives on Waste and Water, Emissions Trading System, etc) and guidance on operating

We presented a versatile experimental setup capable of detecting, characterizing and activating nanostructured magnetoplasmonic crystals. This wavelength-tunable diffractometer can