CN103901698A - 一种在铁电晶体材料极化过程中压制反转畴域侧向生长的电极结构制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在铁电晶体材料极化过程中压制反转畴域侧向生长的电极结构制作方法，用于制备优良的铁电晶体材料（包括LiNbO3、掺MgOLiNbO3、LiTaO3、KTiOPO4等）周期性畴反转光栅。该发明是基于一系列的电极结构制作处理方法，包括在铁电晶体材料+z面上制作出梳状光栅电极、-z面上制作金属电极、制作+z面除电极外其他区域的选择性质子交换层以及覆盖在该交换层上的绝缘介质层，通过本发明可以获得在极化过程中有效地压制反转畴域侧向生长的方法，解决了利用外加脉冲电压方法制作超短周期的周期性极化晶体材料（PPXX）时所遇到的畴域合并的难题，实现了对大厚度（大于1mm）短周期（小于6μm）铁电晶体材料的周期性极化，最后结果表明利用该方法所制作的周期性畴反转光栅的垂直性优越。
Description
技术领域
本发明涉及到在大厚度短周期铁电晶体材料中进行畴反转光栅制作技术领域，提出了一种可以在铁电晶体材料极化过程中压制反转畴域侧向生长的电极结构制作方法。
背景技术
准相位匹配（QPM）技术是非线性光学中的一种重要的相位匹配技术。它具有很多的技术优势，其制作的周期性反转铁电晶体材料是光频率转换、光参量转换领域的重要材料，特别是具备铁电畴反转光栅的准相位匹配倍频晶体器件被认为是获得高强度蓝光的重要方法。
因为在高温下，特别是接近居里温度时，铁电晶体材料的反转畴会重新倒转，导致其反转光栅的制作优良性，所以畴反转光栅的制作方法逐渐向常温下制作方式发展。在常温下块状准相位匹配晶体制作有电子束直接写入法和外加电场控制法。用这些方法制作出大厚度短周期的周期性反转铁电晶体是目前国内外在此领域的技术难题。
在铁电非线性光学晶体中施加脉冲电压进行准相位匹配畴反转光栅的制作是目前常用的一种制作方法。在目前的这些准相位匹配周期性畴反转铁电晶体中，PPLN是一种常用的高品质材料，其非线性系数大，可在较短的光程下得到较大的非线性频率转换。利用外加脉冲电压制作PPLN等光学超晶格介质，特别是大厚度短周期的畴反转光栅，常常由于制作晶体材料本身的均匀性、极化电极结构以及电压施加装置的限制等等因素，所产生的畴反转光栅容易发生反转畴域合并，这无疑影响了周期性铁电晶体材料的品质。质子交换是将铁电晶体材料浸在一个高温的质子交换源中。晶体中的一部分离子（如Li离子）交换质子产生一薄PE层，形成类似HxLi1-xNbO3的物质（x：交换比率），从而减弱了介电常数。因此我们通过一种提出在正z面进行选择性质子交换以压制反转畴域侧向生长的方法解决此类完美占空比周期性反转晶体材料的制作困难问题。
发明内容
为了完成大厚度短周期反转畴制作中容易发生畴域合并等问题，以实现在铁电晶体材料中制作畴反转光栅的目的，本专利提供一种极化电极结构制作方法。该方法主要是对铁电晶体材料表面的介电常数进行减弱，以降低反转畴侧向生长的速度，从而达到压制反转畴侧向生长的目的。
为解决上述技术问题，本专利提供了一种在铁电晶体材料极化过程中压制反转畴域侧向生长的电极结构制作方法。其步骤如下：
1)首先在对铁电晶体材料的+z面上通过镀膜、光刻和腐蚀的工艺方法或者光刻、镀膜和剥离的工艺方法制作出一种铁电晶体材料极化所需的电极结构；
2)然后压制反转畴域侧向生长的方法是通过在铁电晶体材料的+z面上，采用质子交换的制作方法来实现一层选择性质子交换层，它改变了晶体的介电常数，所以可以有效地遏制反转畴侧向生长的速度，从而有效地避免铁电晶体极化过程中畴域侧向生长所导致的过快闭合；
3)接着再通过在+z面空白处覆盖上绝缘介质层，该步骤的制作方法是通过化学沉积（或喷涂）、光刻和腐蚀的工艺方法实现，一方面也可有效地降低介电常数，另一方面保护晶体表面的洁净度，防止尖端放电所导致的极化反转畴生长的不均匀；
4)最后再在-z面上镀上所需的电极材料金属，然后将其放至极化装置中进行铁电晶体材料的极化。
进一步地，本技术方案所述的质子交换方法是将已制作完电极结构的铁电晶体材料放入富含质子的质子源中，在200℃左右进行质子交换，以降低+z面中Li离子的个数，达到降低介电常数的作用，从而有效地压制了反转畴侧向生长速度。
进一步地，本技术方案所述的覆盖在质子交换层上的绝缘介质层，包括覆盖适当折射率的SiO2、全氟三丁胺或者硅脂油。覆盖的厚度为200-1000nm。
进一步地，本技术方案所述的富含质子的质子源包括了苯甲酸和焦磷酸等 。
进一步地，本技术方案所述的铁电晶体材料，其所采用的铁电晶体材料为纯铌酸锂LiNbO3、掺MgO铌酸锂MgO-LiNbO3、钽酸锂LiTaO3、磷酸氧钛钾KTiOPO4 (KTP)、Nd3+ 扩散铌酸锂Nd3+:LiNbO3、Er3+ 扩散铌酸锂Er3+:LiNbO3、砷酸钛氧铷RbTiOAsO4（RTA）、铌酸锶钡Sr0.6Ba0.4Nb2O6 S（SBN）、氟化钡镁BaMgF4或硝酸钾KNO3。
进一步地，本技术方案所述的一种在铁电晶体材料极化所需的电极结构，其特征包括了主干电极部分和梳状光栅电极部分，具体形状如图2所示。主干电极部分电极宽度为1~4mm，梳状光栅电极部分电极宽度为0.001~0.002mm，晶体极化周期根据实际需要进行设置。
进一步地，本技术方案所述的铁电晶体+z和-z面上的金属极化电极结构，其特征在于：所描述的极化电极结构所采用的电极材料包括Al电极、Cr电极、Au电极以及其他合金材料的电极，电极的厚度约为20~80nm。
进一步地，本技术方案中所述的铁电晶体+z面上的金属极化电极结构，其特征在于：所描述的极化电极结构在铁电畴方向呈周期性变化或准周期性变化。
本专利解决其技术问题所采取的技术方案是在正面（+z面）对电极结构外的铁电晶体材料进行选择性质子交换，晶体中的一部分离子（如Li离子）交换质子产生一薄PE层，形成类似HxLi1-xNbO3 的物质（x：交换比率），从而减弱了介电常数，这样使得反转畴在侧边上的生长得到有效的压制，参考文献见Kiminori Mizuuchi and KazuhisaYamamoto,Appl. Phys. Lett. 66(22),29 May 1995；并对在正面（+z面）除电极结构外的铁电晶体材料覆盖上SiO2等绝缘性掩膜层，以解决在反转过程中由于微小放电造成不必要的随机畴反转。根据上述方案可以有效地控制极化过程中反转畴侧向的过快生长。
本专利的有益结果是，采用铁电材料极化电极结构制作方法，用于铁电晶体材料的畴反转光栅制作，可以有效地控制极化过程中反转畴侧向的过快生长，从而更容易得到完美占空比的周期性极化晶体。
附图说明
图1 是本发明所述的在铁电晶体材料极化过程中压制反转畴域侧向生长的电极结构制作方法的具体步骤图；
图2是本发明所提出的电极结构平视图；
图3是本发明所提出的电极结构俯视图；
图4是本发明所采用的电压施加方式图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
实施例：
本实例中，通过此种极化获得周期为5.3μm，厚度为1mm的周期性极化铌酸锂晶体，应用于488nm蓝光输出。具体实施步骤如下：
在铁电晶体材料极化过程中压制反转畴域侧向生长的电极结构制作方法，该方法主要是对铁电晶体材料表面的介电常数进行减弱，以降低反转畴侧向生长的速度，从而达到压制反转畴侧向生长的目的。其制作的步骤如下：
首先在铁电晶体材料1的+z面2上通过镀膜、光刻和腐蚀的工艺方法或者光刻、镀膜和剥离的工艺方法制作出一种铁电晶体材料极化所需的电极结构4（如图2所示），在-z面6也镀上相同条件的金属膜；
然后，将晶体表面清洗干净，然后放入富含质子的质子源中，质子源温度为200℃，放置时间约为150分钟，可以得到选择性质子交换层3；取出后，将其清洗干净；
接着，在+z面2上覆盖上一层SiO2或其他相似绝缘掩膜层5，厚度为200-1000nm。经过处理，露出主干电极部分，以便用于外加脉冲电压的施加；其中+z面2的电极41作为正电极，电极42接地，-z面6上的金属膜7作为负电极；
最后将其用于铁电晶体的极化装置中进行极化，如图4所示，图中9为放大器，8为反转畴生长模型，10为接地线。
所描述的质子交换方法是将已制作完电极结构的铁电晶体材料1放入富含质子的质子源中，在200℃左右进行质子交换，以降低+z面2中Li离子的个数，达到降低介电常数的作用，从而有效地压制了反转畴侧向生长速度。
质子交换过程的制作时间，一般根据铁电晶体材料的不同，时间在20到250分钟之间。
覆盖在质子交换层上的绝缘介质层5，为覆盖适当折射率的SiO2、全氟三丁胺或者硅脂油，覆盖的厚度为200-1000nm。
铁电晶体材料，其所采用的铁电晶体材料1为纯铌酸锂LiNbO3、掺MgO铌酸锂MgO-LiNbO3、钽酸锂LiTaO3、磷酸氧钛钾KTiOPO4 (KTP)、Nd3+ 扩散铌酸锂Nd3+:LiNbO3、Er3+ 扩散铌酸锂Er3+:LiNbO3、砷酸钛氧铷RbTiOAsO4（RTA）、铌酸锶钡Sr0.6Ba0.4Nb2O6 S（SBN）、氟化钡镁BaMgF4或者硝酸钾KNO3。
富含质子的质子源包括了苯甲酸和焦磷酸。
一种在铁电晶体材料极化所需的电极结构4包括了主干电极部分和梳状光栅电极部分，主干电极部分电极宽度为1~4mm，梳状光栅电极部分电极宽度为0.001~0.002mm，晶体极化周期根据实际需要进行设置。
铁电晶体+z面2和-z面6上的金属极化电极结构所采用的电极材料为Al电极、Cr电极或者Au电极，电极的厚度约为20~80nm。
铁电晶体+z面2上的金属极化电极结构4在铁电畴方向呈周期性变化或准周期性变化。
本实例中的电极是根据在铁电晶体中的畴生长规律以及实验所需而定。
以上以用于488nm蓝光输出的周期性极化晶体的电极结构制作方法为例说明了本发明的基本思想，显然本发明还可以用于其它周期性极化晶体的制作。所以本实例并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.在铁电晶体材料极化过程中压制反转畴域侧向生长的电极结构制作方法，该方法主要是对铁电晶体材料表面的介电常数进行减弱，以降低反转畴侧向生长的速度，从而达到压制反转畴侧向生长的目的其制作的步骤如下：
1)首先在对铁电晶体材料的+z面上通过镀膜、光刻和腐蚀的工艺方法或者光刻、镀膜和剥离的工艺方法制作出一种铁电晶体材料极化所需的电极结构；
2)然后压制反转畴域侧向生长的方法是通过在铁电晶体材料的+z面上，采用质子交换的制作方法来实现一层选择性质子交换层，它改变了晶体的介电常数；
3)接着再通过在+z面空白处覆盖上绝缘介质层，该步骤的制作方法是通过化学沉积（或喷涂）、光刻和腐蚀的工艺方法实现；
4)最后再在-z面上镀上所需的电极材料金属，然后将其放至极化装置中进行铁电晶体材料的极化。
2.根据权利1所述的在铁电晶体材料极化过程中压制反转畴域侧向生长的电极结构制作方法，其特征包括所描述的质子交换方法是将已制作完电极结构的铁电晶体材料放入富含质子的质子源中，在200℃左右进行质子交换，以降低+z面中Li离子的个数，达到降低介电常数的作用，从而有效地压制了反转畴侧向生长速度。
3.根据权利1和权利2所述的质子交换过程的制作时间，一般根据铁电晶体材料的不同，时间在20到250分钟之间。
4.根据权利1所述的覆盖在质子交换层上的绝缘介质层，包括覆盖适当折射率的SiO2、全氟三丁胺或者硅脂油，覆盖的厚度为200-1000nm。
5.根据权利1所述的铁电晶体材料，其所采用的铁电晶体材料为纯铌酸锂LiNbO3、掺MgO铌酸锂MgO-LiNbO3、钽酸锂LiTaO3、磷酸氧钛钾KTiOPO4 (KTP)、Nd3+ 扩散铌酸锂Nd3+:LiNbO3、Er3+ 扩散铌酸锂Er3+:LiNbO3、砷酸钛氧铷RbTiOAsO4（RTA）、铌酸锶钡Sr0.6Ba0.4Nb2O6 S（SBN）、氟化钡镁BaMgF4或者硝酸钾KNO3。
6.根据权利2所述的富含质子的质子源包括了苯甲酸和焦磷酸。
7.根据权利1所述的一种在铁电晶体材料极化所需的电极结构，其特征在于，包括了主干电极部分和梳状光栅电极部分，主干电极部分电极宽度为1~4mm，梳状光栅电极部分电极宽度为0.001~0.002mm，晶体极化周期根据实际需要进行设置。
8.根据权利5所述的铁电晶体+z和-z面上的金属极化电极结构，其特征在于：所描述的极化电极结构所采用的电极材料包括Al电极、Cr电极、Au电极以及其他合金材料的电极，电极的厚度约为20~80nm。
9.根据权利5所述的铁电晶体+z面上的金属极化电极结构，其特征在于：所描述的极化电极结构在铁电畴方向呈周期性变化或准周期性变化。
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