CN109375450A - 一种制备周期极化畴反转晶体的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备周期极化畴反转晶体的装置，包括真空腔，真空腔的底部设置有样品台，样品台上设置有铁电晶体，铁电晶体的底面刻蚀有周期性电极，周期性电极接地，铁电晶体的两侧分别设置有两电极板，两电极板连接位于真空腔外的控制电路，控制电路控制两电极板之间产生高频低压电场，铁电晶体的上方设置有若干电晕线，电晕线连接位于真空腔外的气体源和高压电源。同时也公开了相应的方法。本发明在电晕放电提供外加电场的基础上引入高频低压电场的扰动，以实现铁电晶体‑C面上电荷的均匀分布，从而实现极化电场的均匀分布，极化电场分布均匀程度高，能够实现高良品率的批量生产，并且由于降低了极化电场对电晕线的依赖程度，可以有效降低生产的成本。

Description

一种制备周期极化畴反转晶体的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种制备周期极化畴反转晶体的装置及方法，属于周期极化畴反转晶体的制备领域。

背景技术

晶体铁电畴的周期性极化反转可以简便并且有效的实现准相位匹配，它作为获得高效倍频光输出的重要手段，已被广泛的应用于激光倍频、光参量振荡等非线性光学领域，是高密度光学存储、光通讯以及激光测量等应用中所需光源的核心组成部分。

目前制备周期极化畴反转晶体最常用的方法是外加电场法，通过制作周期性掩膜版将周期性电极转刻到晶体+C面，随后外加电压进行极化，从而实现晶体的周期极化畴反转。在文献（M.Yamada, N. Nada, M. Saitoh, and K. Watanabe, First-order quasi-phase matched LiNbO3 waveguide periodically poled by applying an externalfield for efficient blue second-harmonic generation, Appl. Phys. Lett., vol.62, no. 5, 1993, pp. 435-436）中首次实现了外加电场法制备周期性畴结构的晶体。文中在晶体+C面加周期性电极并接地，晶体-C面加平板铝电极并施加脉冲电压，从而在晶体中产生高压电场，制备出了0.2mm厚的周期极化畴结构的铌酸锂晶体。由于电源与平板电极接触范围小，此种产生高压电场的方式难以形成均匀的电场，电压过高时电极易被击穿，故所形成畴的深度较浅。

在专利（徐长青、张仁世、乔纳森·马克尔，在非线性铁电基板上制作畴反转结构的方法，发明，申请号：200780035798.1）中，徐长青等人采用多个规则排列的电晕炬来提供外加电场，其中，晶体+C面加周期性电极并接地，晶体-C面加电晕炬进行电晕放电，释放的电荷与铁电晶体接地电极间形成极化电场，并通过控制电晕炬的排列使极化电场呈均匀分布。但是此方法所得极化电场的均匀程度仍不足以进行量产。

发明内容

本发明提供了一种制备周期极化畴反转晶体的装置及方法，解决了极化电场分布均匀程度不足以量产的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种制备周期极化畴反转晶体的装置，包括真空腔，真空腔的底部设置有样品台，样品台上设置有铁电晶体，铁电晶体的底面刻蚀有周期性电极，周期性电极接地，铁电晶体的两侧分别设置有两电极板，两电极板连接位于真空腔外的控制电路，控制电路控制两电极板之间产生高频低压电场，铁电晶体的上方设置有若干电晕线，电晕线连接位于真空腔外的气体源和高压电源。

两电极板分别设置在真空腔的两侧内壁上。

电晕线为S型电晕线或螺旋型电晕线。

S型电晕线的两端从真空腔侧壁引出。

螺旋型电晕线向中心处逐步螺旋升高，位于中心的一端从真空腔顶部引出，另一端从从真空腔侧壁引出。

真空腔包括腔体以及与腔体连通的真空泵。

样品台上开设有通道，通道的一端朝向铁电晶体底面，通道的另一端连接真空泵。

还包括控制铁电晶体温度的温控装置。

一种制备周期极化畴反转晶体的方法，包括以下步骤，

安装制备周期极化畴反转晶体的装置；

电晕线通过电晕放电释放电荷；

电荷进入两电极板之间的高频低压电场，在高频低压电场的作用下重新分布并使其呈现均匀化；

均匀分布的电荷与铁电晶体周期性电极间形成均匀分布的极化电场；

铁电晶体在均匀分布的极化电场下发生极化，并按照所刻蚀的周期性电极图案形成周期的极化畴反转结构。

本发明所达到的有益效果：本发明在电晕放电提供外加电场的基础上引入高频低压电场的扰动，以实现铁电晶体-C面上电荷的均匀分布，从而实现极化电场的均匀分布，极化电场分布均匀程度高，能够实现高良品率的批量生产，并且由于降低了极化电场对电晕线的依赖程度，可以有效降低生产的成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为S形电晕线结构的示意图；

图3为螺旋形电晕线结构的示意图；

图4为线形阵列的结构示意图；

图5为矩形阵列的结构示意图；

图6为圆形阵列的结构示意图；

图7为第一种环形阵列的结构示意图；

图8为第二种环形阵列的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种制备周期极化畴反转晶体的装置，包括真空腔1，真空腔1的底部设置有样品台9，样品台9上设置有铁电晶体7，铁电晶体7的底面刻蚀有周期性电极8，周期性电极8接地，铁电晶体7的两侧分别设置有两电极板6，两电极板6连接位于真空腔1外的控制电路4，控制电路4控制两电极板6之间产生高频低压电场，铁电晶体7的上方设置有若干电晕线5，电晕线5连接位于真空腔1外的气体源2和高压电源3。

真空腔1包括腔体以及与腔体连通的真空泵10，真空腔1用以提供电晕放电所需绝缘环境，与腔体连通的真空泵10实现真空度范围为10^-4-1大气压。

样品台9用以放置铁电晶体7，样品台9上开设有通道12，通道12的一端朝向铁电晶体7底面，通道12的另一端连接位于真空腔1外的真空泵10，该真空泵10可实现的真空度范围为10^-6-1大气压，用于加强电绝缘。

上述制备周期极化畴反转晶体的装置还包括控制铁电晶体7温度的温控装置11；温控装置11包括连接样品台9为样品台9加热的加热器、位于铁电晶体7附近的温度传感器以及稳定铁电晶体7温度的反馈电路，或者温控装置11包括位于连接样品台9附件的辐射加热器、位于铁电晶体7附近的温度传感器以及稳定铁电晶体7温度的反馈电路。

铁电晶体7的周期性电极8涂覆绝缘膜，将周期性电极8与真空腔1环境隔绝。

两电极板6分别设置在真空腔1的两侧内壁上，可为矩形极板或者圆形极板，为了便于调节，极板与内壁之间可设置活动支架，通过活动支架调节极板的高度以及两极板之间的间距，高频低压电场频率范围为10-100MHz，电压可控制在20-50V内。

电晕线5采用规则圆柱形状，由内部金属管和外部绝缘层组成，金属管内径范围为1-10mm，外径范围为1-100mm。外部绝缘层包覆金属管形成绝缘管并将外层接地。

电晕线5为S型电晕线或螺旋型电晕线。S型电晕线如图2所示，S型电晕线的两端从真空腔1侧壁引出；螺旋型电晕线如图3所示，螺旋型电晕线向中心处逐步螺旋升高，位于中心的一端从真空腔1顶部引出，另一端从从真空腔1侧壁引出；上述两种电晕线能够更加有效地在铁电晶体7表面实现均匀电荷分布。

电晕线5可以采用一根或者多根，多根电晕线5可构成线形阵列、矩形阵列、圆形阵列或环形阵列。线形阵列如图4所示，多根电晕线5按一定间隔（例如15mm）沿一条直线排列构成线形阵列，线形阵列中每根电晕线5可以与相同高压电源3连接或与不同高压电源3彼此独立地连接。矩形阵列如图5所示，多根电晕线5按一定间隔排列成矩形，并且矩形的中心处设置一电晕线5，每个电晕线5可以与相同高压电源3连接或与不同高压电源3彼此独立地连接，位于中心的电晕线5高度与其他电晕线5不同。圆形阵列如图6所示，多根电晕线5按一定间隔排列在一个圆周上，并且圆的中心处设置一电晕线5，每个电晕线5可以与相同高压电源3连接或与不同高压电源3彼此独立地连接，位于中心的电晕线5高度与其他电晕线5不同。环形阵列如图7和8所示，多根电晕线5排列成多个矩形，这些矩形的中心位于同一个点，或者多根电晕线5排列成多个圆，这些圆的圆心位于同一个点。上述阵列的结构可有效地进行大面积晶体极化。

电晕线5连接高压电源3与气体源2，通过高压电源3提供电压达到极化所需的电场强度，高压电源3可提供电压范围为0.5-100KV；气体源2包括一个储气罐、气流控制器以及气体温度控制器，储气罐中存储的为惰性气体，如氮气，惰性气体的流速控制在0-100L/min内。

上述装置在电晕放电提供外加电场的基础上引入高频低压电场的扰动，以实现铁电晶体7-C面上电荷的均匀分布，从而实现极化电场的均匀分布，极化电场分布均匀程度高，能够实现高良品率的批量生产，并且由于降低了极化电场对电晕线5的依赖程度，可以有效降低生产的成本。

上述装置制备周期极化畴反转晶体的方法，包括以下步骤：

1）安装制备周期极化畴反转晶体的装置；

2）电晕线5通过电晕放电释放电荷；

3）电荷进入两电极板6之间的高频低压电场，在高频低压电场的作用下重新分布并使其呈现均匀化；

4）均匀分布的电荷与铁电晶体7周期性电极8间形成均匀分布的极化电场；

5）铁电晶体7在均匀分布的极化电场下发生极化，并按照所刻蚀的周期性电极8图案形成周期的极化畴反转结构。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种制备周期极化畴反转晶体的装置，其特征在于：包括真空腔，真空腔的底部设置有样品台，样品台上设置有铁电晶体，铁电晶体的底面刻蚀有周期性电极，周期性电极接地，铁电晶体的两侧分别设置有两电极板，两电极板连接位于真空腔外的控制电路，控制电路控制两电极板之间产生高频低压电场，铁电晶体的上方设置有若干电晕线，电晕线连接位于真空腔外的气体源和高压电源。

2.根据权利要求1所述的一种制备周期极化畴反转晶体的装置，其特征在于：两电极板分别设置在真空腔的两侧内壁上。

3.根据权利要求1所述的一种制备周期极化畴反转晶体的装置，其特征在于：电晕线为S型电晕线或螺旋型电晕线。

4.根据权利要求3所述的一种制备周期极化畴反转晶体的装置，其特征在于：S型电晕线的两端从真空腔侧壁引出。

5.根据权利要求3所述的一种制备周期极化畴反转晶体的装置，其特征在于：螺旋型电晕线向中心处逐步螺旋升高，位于中心的一端从真空腔顶部引出，另一端从从真空腔侧壁引出。

6.根据权利要求1所述的一种制备周期极化畴反转晶体的装置，其特征在于：真空腔包括腔体以及与腔体连通的真空泵。

7.根据权利要求1所述的一种制备周期极化畴反转晶体的装置，其特征在于：样品台上开设有通道，通道的一端朝向铁电晶体底面，通道的另一端连接真空泵。

8.根据权利要求1所述的一种制备周期极化畴反转晶体的装置，其特征在于：还包括控制铁电晶体温度的温控装置。

9.一种制备周期极化畴反转晶体的方法，其特征在于：包括以下步骤，

安装制备周期极化畴反转晶体的装置；

电晕线通过电晕放电释放电荷；

电荷进入两电极板之间的高频低压电场，在高频低压电场的作用下重新分布并使其呈现均匀化；

均匀分布的电荷与铁电晶体周期性电极间形成均匀分布的极化电场；

铁电晶体在均匀分布的极化电场下发生极化，并按照所刻蚀的周期性电极图案形成周期的极化畴反转结构。