GaN晶体非线性光学性质的取向依赖性研究

摘要

本文报道了GaN晶体在三种不同取向（极性c平面、非极性m平面和半极性(2021)平面）上的基本非线性光学性质，包括双光子吸收系数 (b)、三光子吸收系数 (c) 和 Kerr 非线性折射率 (nkerr)。我们采用飞秒 Ti:S 激光器和 Z 扫描技术，在 724 nm 至 840 nm 波长范围内进行了测量。结果显示，三种取向的样品在双光子吸收系数方面表现出相似的值，在 724 nm 处为 0.90 cm/GW，在 730 nm 处为 0.65 cm/GW。对于 Kerr 非线性折射率，我们观察到自聚焦特性，这与先前在可见光和近紫外光谱区域观察到自散焦特性的报道不同。在 724 nm 处，所有三个样品的 nkerr 均为 2.5 x 10^-14 cm^2/W。此外，我们还测定了三光子吸收系数，结果与之前的报道一致。这项研究为 III 族氮化物半导体的基本非线性光学性质提供了重要信息，这些信息对于集成光子学和量子光子学等广泛应用至关重要。

引言

III 族氮化物半导体由于其在固态照明、太阳能电池、高速可见光通信和亚带间跃迁光电器件等领域的广泛应用而备受关注。最近，基于 III 族氮化物的波导由于其宽带隙、低材料色散和有源集成能力而开辟了新的机遇，使其在非线性光学应用中极具吸引力，例如二次谐波产生、频率梳产生和参量下转换。然而，关于 III 族氮化物材料的基本非线性性质，如双光子吸收系数 (b)、Kerr 折射率 (nkerr) 和三光子吸收系数 (c) 的报道却很少。

实验方法

我们采用典型的 Z 扫描技术，使用飞秒 Ti:S 激光器在 724 nm 至 840 nm 的波长范围内对三种不同取向的 GaN 晶体进行了测量。

结果与讨论

我们的研究结果表明，三种取向的 GaN 晶体在双光子吸收系数、Kerr 非线性折射率和三光子吸收系数方面没有显著差异。这表明 GaN 材料的非线性光学性质与其晶体取向没有强烈的依赖关系。

结论

本研究提供了关于不同取向 GaN 晶体基本非线性光学性质的全面表征。这些结果对于设计和优化基于 GaN 的非线性光学器件，例如高品质因子谐振结构（例如环形谐振器和盘形谐振器）具有重要意义。

关键词

GaN，非线性光学，双光子吸收，Kerr 非线性折射率，三光子吸收，Z 扫描