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Laboratory for Ultrafast Nonlinear Optics

Research

QPM

Quasi-Phase Matching(QPM))

List of Researchers

Ju Won Choi, Seong-Jin Son

국문요약

준위상정합은 결정의 자발분극을 주기적으로 반전시켜 결정 내에서 분산에 의해 발생하는 입력파와 상호작용하는 파와의 위상속도 차이를 보상해주는 방식이다. 준위상정합은 다른 위상정합 방식과는 다르게 비선형 결정의 길이를 길게 할 수 있고 투명영역 내에서는 파장에 제한이 없으며 가장 큰 비선형계수를 사용할 수 있어서 높은 파장변환효율을 얻는데 효과적이다. 이러한 준위상정합 방법을 이용하기 위해서는 결정의 자발분극 방향을 주기적으로 반전시켜 사용되며, 그 중 대표적으로 쓰이는 소자가 PPLN (Periodically Poled Lithium Niobate) 이다. 하지만 생성파의 파장이 짧은 경우에는 물질의 분산 때문에 분극반전 주기가 짧아져야 하기 때문에 그에 따른 주기적인 분극반전을 가진 소자의 제작은 쉽지 않다. 본 연구에서는 0.5 mm 두께의 congruent LiNbO3 결정을 상온전기장 poling법으로 분극반전시켜 12.9 ㎛ 주기의 Periodically poled LiNbO3 (PPLN)을 제작하였다. 이때 실시간 domain 관찰 시스템을 이용하여 poling된 면적을 관찰하면서 고전압을 가하였다. 보다 균일한 주기를 갖는 소자 제작을 위해 새로운 시도로 negative multiple pulse poling 방법을 적용하였다.

실시간 관찰 시스템은 photoresist patterning 된 sample의 +z 면에 고전압이 걸릴 때 자발분극의 방향이 서로 180도가 되는 경계에서 입사 빔의 굴절률 차에 의해 contrast가 생겨 그 경계를 볼 수 있는 원리를 가진다. 우리 시스템에서는 백색광으로 sample을 비춰 7배줌 현미경에 연결된 실시간 관찰 프로그램을 통해 domain 반전을 관측했다.

Negative multiple pulse poling 방식은 negative incubation 전압, poling전압 , 안정화 전압 총 3단계로 구성되어 있는 pulse form을 이용한다. 특히 negative incubation 전압은 photoresist 밑으로 반전된 domain이 형성되는 것을 막는 역할을 하므로 domain merging을 방지한다. 따라서 이러한 pulse form의 poling 시간을 짧게 하여 반복적으로 가하면서 전체적으로 sample이 poling된 영역을 관찰한다. 계산된 poling 시간과 비교하면서 실시간 관찰 시스템을 통해 poling이 전 영역에 이를 경우 process가 완성되었다.

이렇게 poling된 sample의 +z 와 -z 면 모두 주기적으로 반전된 domain들이 형성된 것을 etching 후 현미경을 통해 관찰할 수 있다. 결론적으로 실시간 domain 관찰 시스템을 통해서 새롭게 시도한 negative multiple pulse poling 방법을 결합했을 때 주기적인 domain 구조를 가진 PPLN을 제작할 수 있었다. 앞으로는 이 시스템을 이용하여 좀 더 짧은 주기를 가진 PPLN의 제작이나 강유전체의 분극반전 dynamics를 연구하는데 도움을 줄 것으로 기대한다.

Introduction to nonlinear optics

When the electric field passes through a nonlinear material, the electrons including atoms is disturbed. At the moment, electron clouds are relatively shifted to nuclei and forms immediate electric dipoles in a nonlinear material. Induced electric dipoles generate polarization waves which radiate new electric fields. If input electric field strength is small, newly generated electric fields are the same as the input electric field. This phenomenon is called linear optics. However, if the input electric field strength is large, electrons in a nonlinear material oscillate anharmonically. The anharmonic oscillation generates polarization waves which include different frequencies. Therefore, the induced polarization expands in the form of convergent power series about the input electric field as shown by

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Susceptibility is the measure of the electrons' response to input electric field, so the large value of susceptibility means easy polarization inducement in a nonlinear medium. The quadratic term causes effects like second harmonic generation (SHG), sum frequency generation (SFG) and difference frequency generation (DFG) and the cubic term causes effects such as two photon absorption, Raman process and Kerr effect. This thesis is addressed about SHG using the quadratic term.

What is Quasi-phase matching?

QPM is the phase matching method obtaining relative phase regularly between fundamental wave and harmonic wave. QPM, which makes it possible to obtain efficient conversion by maintaining relative phase between interacting waves, gets its effect by reversing the sign of nonlinear coefficients periodically in a nonlinear material. The structure of periodic reversion of nonlinear coefficient provides additional wavevector with domain period (Λ), so phase mismatching caused by difference of fundamental wavevector and harmonic wavevector is compensated and phase matched by the periodic structure in a nonlinear material.

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PPLN(Periodically poled lithium niobate) - A nonlinear crystal with periodic polarization reversal

Ferroelectric crystal is the insulator which has its own polarization (spontaneous polarization) without external electric field. Most of ferroelectric crystals have piezoelectricity, pyroelectricity and high nonlinear optical effect, so they are utilized for photoelectric engineering. Moreover, relation between spontaneous polarization and external electric field presents through 'hysteresis loop', so spontaneous polarization can be reversed by external electric field.

LiNbO3 is the one of the ferroelectric crystals which includes above properties. Especially, the transparent wavelength ranges from 350 nm to 5200 nm and the largest nonlinear coefficient is 27 pm/V for d33 which is comparatively large than that of other ferroelectric materials.

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Our Research

sub040105_img04 Fabrication of PPLN
Real-time domain visualization system

Electric field and input collimated beam generates phase shift of input beam. As original domain and reversed domain has different polarization, their refractive index changes are opposite values each other. At the boundary between original and reversed domain, different phase shifts generate diffraction pattern. Therefore, we can see its boundary.

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sub040105_img06 Poling quality check by chemical etching

Publication

  • Seong-Jin Son, Do-Kyeong Ko, Nan Ei Yu, “Study of an optical device based on a quasi-phase-matching method for speckle noise reduction for laser display” J. Korean Phys. Soc., Vol. 69, No. 5, pp. 756-761 (September 2016)
  • Ju Won Choi, Jung Hoon Ro, Do-Kyeong Ko, and Nan Ei Yu ,“Poling Quality Enhancement of PPLN Devices Using Negative Multiple Pulse Poling Method” Journal of the Optical Society of Korea Vol. 15, No. 2, pp. 182-186 June (2011).
  • Ju Won Choi, Do-Kyeong Ko, Jung Hoon Ro, and Nan Ei Yu “Sidewise Domain Wall Velocity of MgO Doped Stoichiometric Lithium Niobate by Real-Time Visualization” Ferroelectrics, Vol. 439, pp. 13-19 December (2012).
  • Ju Won Choi, Heejong Kang, Do-Kyeong Ko, Jung Hoon Ro, and Nan Ei Yu “Device Quality Evaluation of Periodically Poled Crystals by Diffraction Analysis at Different Wavelengths” Japanese Journal of Applied Physics 52, 026701, Jan. (2013)
  • Nan Ei Yu, Ju Won Choi, Heejong Kang, Do-Kyeong Ko, Shih-Hao Fu, Jiun-Wei Liou, Andy H. Kung, Hee Joo Choi, Byoung Joo Kim, Myoungsik Cha, and Lung-Han Peng “Speckle noise reduction on a laser projection display via a broadband green light source” Opt. Express, Vol. 22, No. 3, pp. 3547-3556, 10 February (2014).
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