CN111775354A - 一种钽铌酸钾单晶基片元件的加工制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种可定制高精度钽铌酸钾（KTa1‑xNbxO3；0≤x≤1，简称KTN）单晶基片元件的加工制作方法，属于人工晶体及玻璃材料的加工制备领域，方法主要包括针对KTN系列晶体的定向、切割、组方、研磨、抛光及卸盘。本发明为KTN单晶基片元件制作提供完备方案，可为KTN晶体用作光波导、光开关、偏转器等电光调制元件，以及衬底基片材料提供样品基础。

Description

一种钽铌酸钾单晶基片元件的加工制作方法
技术领域
本发明涉及一种电光调制用人工晶体材料的加工制备方法，属于激光元器件领域。
背景技术
电光晶体材料是全固态激光的基础材料之一，可实现激光传播特性的调制，电光调制具有效率高、 稳定性好、响应快及无惯性等优势。电光晶体是一类具有重要应用的功能晶体，发明高效电光晶体的发展，对于全固态激光技术的发展和应用具有重要意义。
钽铌酸钾（KTa1-xNbxO3, KTN）晶体是钽酸钾（KTaO3, KT）和铌酸钾（KNbO3, KN）两种晶体的固溶体混晶，具有优异的电光性能和光折变性能，KTN晶体在光束偏转器、Q开关、高速光快门、全息存储、光强度调制器、光位相调制器等领域都有着广泛的应用前景；同时，KTN还作为一种优秀的薄膜材料，衬底材料有着广泛的应用。
激光调制用光开关、光快门、偏转器等器件对调制核心元件的晶向偏差、晶格完整性、表面平整度等要求极高。为了获得高质量激光调制元件，要求KTN晶片无晶向偏差、表面晶格完整且表面平滑无损伤。即使极小的角度偏差或晶面缺陷，都将破坏激光的调制效率和性能，甚至导致结晶构造的变化，影响元件的调制精度和稳定性。KTN晶体属典型的硬脆材料，高铌含量的KTN晶体还有解理性和各向异性等机械力学性能。
KTN晶体是一种典型的二次电光晶体材料，一般认为，阶次越高的非线性调制，其非线性系数越小，因此长久以来电光调制研究的重点一直局限于线性电光材料和器件。常用的有铌酸锂（LN）、钽酸锂（LT）、磷酸钛氧铷（RTP）和硅酸镓镧（LGS）等，相应的调制元器件都是针对这些线性电光晶体的。另外，由于KTN晶体的无限固熔体特性，生长高质量大尺寸的单晶非常困难，这使其研究和应用一直受到很大限制。近年来，随着晶体制备技术的不断进步，人们成功获得了符合实用要求的英寸级、高质量KTN单晶，这使KTN的研究和应用越来越受到重视。研究显示，KTN晶体在激光调制方面甚至表现出比线性电光晶体更为优异的性能。不论是对比传统的声光、机械调制等，还是现有的线性电光调制，基于KTN晶体Kerr效应的电光调制在透光波段、调制效率和响应时间等诸多方面都明显优于前者。因此，基于KTN晶体二次电光效应的电光调制在降低驱动电压、减小器件尺寸方面更具优势，更能满足未来激光器宽波段、小型化、集成化发展的需要。
KTN晶体电光调制器件目前从实验室研究转向产业化应用，其元件加工制备对晶体器件的性能至关重要，而现有激光调制元件的加工制备技术大都是针对线性电光晶体材料的，同时一种电光晶体材料的实际应用与该晶体特有的物理化学性能密切相关，因此本发明针对二次电光效应特点和KTN晶体结晶学特性发展了专门的KTN电光调制元件加工制备技术，该技术不仅可以大大推进KTN电光调制器的应用推广，还对二次电光调制技术具有广泛借鉴意义。
发明内容
本发明针对二次电光效应特点和KTN晶体结晶学特性，旨在提供一种应用于不同组分配比和不同晶相的KTN系列晶体二次电光调制器件的基片元件的加工制作方法，为发明高效KTN二次电光调制器提供元件制备方案。
本发明的技术方案如下：一种钽铌酸钾单晶基片元件的加工制作方法，所述KTN晶体为Nb组分为0<x<1，晶相为立方（m3m）、四方(4mm)或正交(mm2)，掺杂离子为Cu、Fe、Sn、Ti、Li、Na、Mn单掺或混合多掺的KTa1-xNbxO3或M:KTa1-xNbxO3晶体。
所述方法步骤主要包括针对KTN晶体的定向、切割、组方、研磨、抛光及卸盘，具体如下：
（1）定向：根据KTN晶体结晶和生长学特性，其定向包括单晶结晶面定向和内部生长解离条纹定向，通过切割和研磨修整实现结晶面与几何面在一定误差内重合。标记出生长解理条纹与几何面的方向关系。
（2）切割：以晶体的定向面为基准，根据KTN晶体多样化的通光方向应用需求，采用金刚石切割工具切割出具有设计晶向和尺寸的晶片，切割尺寸误差小于10μm，晶向误差小于0.5°。
（3）组方：选取与所加工KTN晶体硬度和弹性模量相近的玻璃或晶体作为夹具材料，根据晶体加工面的几何尺寸设计夹具形状与尺寸，并通过切割整形制作夹具。根据应用需求和晶片的居里温度值，选择石蜡或502粘合剂将晶体与夹具组合成加工方块。
（4）研磨：在20-25℃、湿度为30-70%环境下，根据KTN晶体的硬度特性，使用磨料对方块进行整形，并进行粗磨，细磨和精磨，精磨之后样品粗糙度RMS在150μm以内，厚度均匀性≤2μm。所述的整形，粗磨，细磨和精磨磨料均可使用金刚砂、碳化硼或氧化铝；
（5）抛光：在温度为22±2℃，湿度为30-70%环境下，根据KTN晶体的机械化学性能，使用磨料粒度小于1μm的水基抛光液和抛光垫对精磨之后的晶体进行粗抛和精抛，精抛之后表面可实现无损伤，面型优于λ/8，均方根粗糙度（RMS）小于1nm，上下表面平行度在5″以内；所述水基抛光液的磨料可为：金刚石或氧化铈或二氧化硅；所述抛光垫可以为：聚氨酯抛光垫、无纺布抛光垫、绒布抛光垫、沥青抛光垫。
（6）涂覆保护膜及卸盘：对精抛之后的加工表面在超净工作台内使用无尘布依次进行丙酮、酒精清洗之后，自流平或旋涂一层虫胶漆片酒精溶液作为保护漆，其虫胶漆片浓度为5wt%-20wt%，放置30min，晾干，再使用烤灯加热至60-70℃熔融石蜡卸夹具。对于使用502粘合剂的加工方块，则在清洗之后放在丙酮溶液中浸泡5-12h，待502粘合剂溶解后卸下夹具。
本发明所述方法步骤（1）中结晶面定向使用X射线定向仪完成，所述误差≤5′。内部生长解理条纹定向使用放大镜或显微镜在通光面逆光观察，KTN生长条纹为平行线状条纹，一般方向一致，其方向受晶体结晶面方向影响，但二者无固定角度关系。因此根据不同成分KTN单晶的生长特性和应用目的，只有对单晶胚料进行结晶面定向和解理条纹定向，才能充分规避和利用生长解理条纹的特有性能，实现KTN晶体多样化应用。
本发明所述方法步骤（2）中，所述切割工具可为：金刚石内圆或划片或线切割机，依据不同成分KTN晶体特有的硬度及脆性性能，选择刀片或切割线的线速度为1000-1500cm/s，切割进刀速度为4-8mm/min。对于Nb组分含量x＜0.5时的纯KTa1-xNbxO3晶体，优选刀片或切割线的线速度为1500cm/s，进刀速度为5mm/min，随着成分变化或掺杂不同离子造成晶体硬度变化，可适量调节切割参数。
本发明所述方法步骤（3）中，根据KTN晶体材料莫氏硬度在6-7，当晶面加工面型需求低于λ/12时，考虑到加工制作成本，优选K9玻璃作为夹具材料。对于加工面型要求在λ/12以上时，优选KTN晶体材料作为夹具材料，进一步优选与所加工样品为同一成分的KTN晶体作为夹具材料。所述加工方块的加工面形状与晶片加工面形状相似，不一致时，优选方形。所述加工方块尺寸满足：晶片加工面面积:夹具加工面面积=1:50-1:2，优选1:15-1:5。所述粘合剂选择依据为所加工KTN晶体的居里温度点和所需加工面型精度需求，因为KTN晶体居里温度随钽铌比例变化可出现零下几十度至零上几百度的变化范围，而KTN晶体在居里温度上下会发生立方向和四方向的转变，受晶体内部不可避免的各种微结构缺陷的影响，相变必然会影响晶体加工面的面型精度。因此，本发明中对于面型加工需求低于λ/12时，使用便捷省时的黄胶作为粘合剂，当面型加工需求在λ/12以上时，采用502作为粘合剂。
本发明所述方法步骤（4）和（5）可手工实现，也可以机器实现。由于KTN系列晶体的成分与性能可调节，可以实现其性能及用途的多样性。针对KTN晶体的用途、加工形状和尺寸多样性，本发明所述加工方法步骤可根据加工需求即可选择易灵活设计的手工操作方法，也可选择尺寸一致，高效加工的机器加工方法。
本发明所述方法步骤（4）中，根据KTN晶体材料与不同研磨材料的磨削机理，优选金刚砂进行快速整形和粗磨。优选氧化铝磨料进行细磨和精磨，以减小磨料在晶体加工表面留下的损伤和划痕，有利于后续快速，高质量抛光。
本发明所述方法步骤（5）中，根据KTN晶体的硬度，粗抛优选聚氨酯抛光垫，精抛优选沥青抛光垫，可以快速，高质量实现抛光效果。
本发明所述方法步骤（5）中粗抛优选自配的高效分散的酸性水基W0.8氧化铈抛光液，成分包括：0.5wt%-5wt% W0.8氧化铈微粉、55wt%-70wt%去离子水、0.2wt%-15wt%KMnO4、3wt%-10wt%乙二醇、0.1wt%-1wt%硝酸钾、0-1wt%硝酸、0-1wt%氢氧化钾、0.1wt%-2wt%聚丙烯酸（PAA）。精抛优选上述W0.8氧化铈抛光液和胶体二氧化硅（平均粒径为80nm，浓度为25wt%）悬浮液混合液，二者体积比例优选1:1），以上所述抛光液PH值为5-10，优选5-7。所述自配的高效分散的酸性水基W0.8氧化铈抛光液是针对KTN系列晶体的硬度、塑性，及化学稳定性而配制的，其具有分散性好、可以快速实现KTN系列晶体的化学机械抛光，且抛光质量较好。精抛中，结合沥青抛光盘的特点，本发明使用W0.8氧化铈抛光液和胶体二氧化硅（平均粒径为80nm，浓度为25wt%）悬浮液混合液，可以合理调节加工晶面与抛光盘之前的摩擦形式，有利于实现小颗粒硬质二氧化硅和颗粒相对较大的W0.8氧化铈的协同抛光作用，可以提高KTN晶体的抛光去除率和表面抛光质量。
本发明所述加工后的KTN晶片为晶向误差为±5′以内的（100）、（110）、（111）晶向晶片，所述形状可为圆柱体、长方体、三方柱、六方柱以及不规则形状。
本发明所述KTN单晶基片元件制备方法具有以下优势：针对KTN系列晶体结晶相与晶体组分、环境温度密切相关的特性，根据室温下不同组分、不同离子掺杂KTN晶体的结晶学特征进行精确定向加工；采用相应的定向、切割、研磨、抛光工艺过程及对应的夹具材料、研磨剂、抛光液的配合使用，可保障KTN基片元件晶向准确、表面光洁，达到激光调制器件制作要求，且加工效率高，成本低；本发明所制作的KTN单晶基片元件不仅可满足传统线性电光调制器件制作需要，还可为二次电光调制器件设计制作提供参考和借鉴。
附图说明
图1为本发明实施例1所述不同晶向，不同形状KTN单晶基片加工示意图；
图2为本发明实施例2所述不同晶向，不同形状KTN单晶基片加工示意图；
图3为本发明实施例3所述不同晶向，不同形状KTN单晶基片加工示意图；
图4为本发明实施例4所述不同晶向，不同形状KTN单晶基片加工示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用发明做进一步说明：
实施例1：一种高精度立方KTN单晶基片元件的加工，所述KTN晶体组分为KTa0.5Nb0.5O3，晶相为立方（m3m）。对其进行（100）、（010）、（001）三面定向精抛加工，加工目标尺寸为5mm×5mm×5mm正方体，加工步骤如下：
（1）定向：使用丹东新东方DX-2型X射线定向仪完成KTN晶胚定向，通过放大镜和光学显微镜确定晶体生长解理条纹，修整出胚料两个物理面为（100）结晶面，此两个定向物理面分别平行和垂直于晶体解理条纹，结晶面定向误差≤5′。
（2）切割：以步骤（1）中的两个定向面为基准，采用金刚石内圆切割机切割出长宽高为5.5mm×5.5mm×5.5mm的正方体晶体样块，切割尺寸误差小于10μm，切割面晶向分别为（100）、（010）、（001），晶向误差小于0.5°。
（3）组方：选用K9玻璃作为夹具材料，使用内圆切割机切割制作4块6mm×11mm×5.1mm夹具块，并对夹具块各面垂直度进行整形。选用石蜡将晶体样块与夹具组合成加工方块，方块外形尺寸约为17mm×17mm×5.1mm。
（4）研磨：在20-25℃、湿度为30-70%环境下，使用金刚砂对方块进行整形和倒角处理，得到各面平整，相邻面相互垂直，且倒角处理过的规则加工方块，并分别采用W40、W14、W7的金刚砂对方块的加工面（KTN晶体裸露的面）进行粗磨，细磨和精磨，每一加工面的粗磨去除厚度为100μm，细磨去除80μm，精磨去除50μm，精磨之后表面粗糙度RMS在150μm以内，厚度均匀性≤2μm。
（5）抛光：在温度为22±2℃，湿度为30-70%环境下，使用W0.8氧化铈微粉配置的酸性（PH=5）抛光液和聚氨酯抛光垫对精磨之后的样品进行粗抛，每面去除厚度约为10μm，基本去除加工面的砂眼和深划痕，上下表面平行度为20″。然后，以W0.8氧化铈抛光液与胶体二氧化硅悬浮液混合液作为抛光液，沥青作为抛光盘材料对方块进行精抛光，每面去除厚度在10μm以内，精抛之后表面无损伤，面型为λ/8，均方根粗糙度RMS=0.89nm，上下表面平行度＜5″。
（6）卸盘及其它四个面的加工：对（5）中精抛之后的加工表面在超净工作台内依次进行丙酮、酒精清洗之后，均匀旋涂一层虫胶漆片保护漆，放置30min，晾干，使用烤灯加热卸夹具。再对剩余四个未抛光面进行两轮步骤（3）-（6），得到六面抛光KTN晶块，其各面晶向分别为（100）、（010）、（001），晶向误差小于5′，表面无损伤，均方根粗糙度RMS＜1nm，上下表面平行度＜5″。所加工KTN样块形状及晶向示意图如图1所示。
实施例1中步骤（4）研磨与步骤（5）抛光过程均为手工操作，快速精确地实现加工目标。
实施例2：一种高精度四方Cu离子掺杂KTN单晶基片元件的加工，所述KTN晶体组分为Cu:KTa0.5Nb0.5O3，晶相为四方(4mm)。对其进行（100）晶面定向精抛加工，目标形状为直径5mm×高5mm的圆柱状样品，加工步骤与实施例1所述不同之处在于：步骤（2）切割出长宽高为5.5mm×5.5mm×5.5mm的晶体样块之后，采用滚圆磨削机将垂直于（100）面的四个侧面磨削成圆柱面，得到尺寸为直径5mm×高5.5mm的圆柱状晶体块。并采用材料和尺寸与实施例1一致的方形夹具进行加工操作，最后得到如图2所示圆柱状Cu:KTa0.5Nb0.5O3晶片元件。其上下圆面为（100）精抛面，表面无损伤，晶向误差小于5′，均方根粗糙度RMS＜1nm，上下表面平行度＜5″。
实施例3：一种高精度立方KTN单晶基片元件的加工，所述KTN晶体组分为KTa0.5Nb0.5O3，晶相为立方（m3m）。对其进行（100）、（010）、（001）、（110）晶面定向精抛加工，目标形状为5mm×5mm×5mm的等腰直角三方柱状样品，加工步骤如下：
（1）定向：使用丹东新东方DX-2型X射线定向仪完成KTN晶胚定向，通过放大镜和光学显微镜确定晶体生长解理条纹，修整出胚料两个物理面为（100）结晶面，此两个定向物理面分别平行和垂直与晶体解理条纹，结晶面定向误差≤5′。
（2）切割：以步骤（1）中的两个定向面为基准，采用金刚石内圆切割机切割出长宽高为5.5mm×5.5mm×5.5mm的晶体样块，切割尺寸误差小于10μm，切割面晶向分别为（100）、（010）、（001），晶向误差小于0.5°。随之，沿着（100）面的对角线方向切割出（110）面，并研磨修整（110）面误差在10′以内，获得两块定向修整的三方柱样块。
（3）组方：选用K9玻璃作为夹具材料，使用内圆切割机切割制作4块6mm×11mm×5.1mm夹具块，并对夹具块各面垂直度进行整形。选用石蜡将两块晶体样块与夹具组合成加工方块，方块外形尺寸约为17mm×17mm×5.1mm。当加工（110）晶面时，采用单面加工形式，夹具采用两块7mm×17mm×5.1mm和两块7mm×14mm×5.1mm 的K9玻璃块，所组成加工方块尺寸为21mm×24mm×5.1mm。
（4）研磨：在20-25℃、湿度为30-70%环境下，使用金刚砂对方块进行整形和倒角处理，得到各面平整，相邻面相互垂直，且倒角处理过得规则加工方块，并分别采用W40、W14、W7的金刚砂对方块的加工面（KTN晶体裸露的面）进行粗磨，细磨和精磨，每一加工面的粗磨去除厚度为100μm，细磨去除80μm，精磨去除50μm，精磨之后表面粗糙度RMS在150μm以内，厚度均匀性≤2μm。
（5）抛光：在温度为22±2℃，湿度为30-70%环境下，使用W0.8氧化铈微粉配置的酸性（PH=5）抛光液和聚氨酯抛光垫对精磨之后的样品进行粗抛，每面去除厚度约为10μm，基本去除加工面的砂眼和深划痕，上下表面平行度为20″（对于（110）面无此项指标，仅用样块厚度均匀性监控）。之后，以W0.8氧化铈抛光液与胶体二氧化硅悬浮液混合液作为抛光液，沥青作为抛光盘材料对方块进行精抛光，每面去除厚度在10μm以内，精抛之后表面无损伤，面型为λ/8，均方根粗糙度RMS=0.89nm，上下表面平行度＜5″。
（6）卸盘及其它三个面的加工：对（5）中精抛之后的加工表面在超净工作台内依次进行丙酮、酒精清洗之后，均匀旋涂一层虫胶漆片保护漆，放置30min，晾干，使用烤灯加热卸夹具。再对剩余三个未抛光面进行两轮步骤（3）-（6），得到五面全抛光KTN晶块，其各面晶向分别为（100）、（010）、（001）、（110），晶向误差小于5′，表面无损伤，均方根粗糙度RMS＜1nm，上下表面平行度＜5″。所加工KTN样块形状及晶向示意图如图3所示。
实施例3中步骤（4）研磨与步骤（5）抛光过程均采用科晶UNIPOL-802双工位自动研磨抛光机进行机器研磨和抛光，采用特制的模具组件高效地实现了加工目标。
实施例4：一种高精度立方KTN单晶基片元件的加工，所述KTN晶体组分为KTa0.5Nb0.5O3，晶相为立方（m3m）。对其进行（100）晶面定向精抛加工，目标形状为宽5mm×高5mm的正六方柱状样品，加工步骤与实施例1所述不同之处在于：步骤（2）首先使用内圆切割机切出长宽高为4.85mm×5.5mm×5.5mm的晶体样块，其中（100）定向面为一个4.85mm×5.5mm面，再使用划片切割机垂直于（100）定向面切割出正六方柱晶体样块，其六边形面为（100）定向面。并采用材料和尺寸与实施例1一致的方形夹具进行加工操作，最后得到如图4所示六方柱状KTa0.5Nb0.5O3晶片元件。其六方面为（100）精抛面，表面无损伤，晶向误差小于5′，均方根粗糙度RMS＜1nm，上下表面平行度＜5″。

Claims (5)

1.一种钽铌酸钾单晶基片元件的加工制作方法，所述KTN晶体为Nb组分为0<x<1，晶相为立方、四方或正交，掺杂离子为Cu、Fe、Sn、Ti、Li、Na、Mn单掺或混合多掺的KTa1-xNbxO3或M:KTa1-xNbxO3晶体，其特征在于：所述方法步骤主要包括：
（1）定向：根据KTN晶体结晶和生长学特性，其定向包括单晶结晶面定向和内部生长解离条纹定向；
（2）切割：以晶体的定向面为基准，采用金刚石切割工具切割出具有设计晶向和尺寸的晶片，切割尺寸误差小于10μm，晶向误差小于0.5；
（3）组方：选取与所加工KTN晶体硬度和弹性模量相近的玻璃或晶体作为夹具材料，根据晶体加工面的几何尺寸设计夹具形状与尺寸，并通过切割整形制作夹具；根据应用需求和晶片的居里温度值，选择石蜡或502粘合剂将晶体与夹具组合成加工方块；
（4）研磨：在20-25℃、湿度为30-70%环境下，根据KTN晶体的硬度特性，使用磨料对方块进行整形，并进行粗磨，细磨和精磨，精磨之后样品粗糙度RMS在150μm以内，厚度均匀性≤2μm；所述的整形，粗磨，细磨和精磨磨料均可使用金刚砂、碳化硼或氧化铝；
（5）抛光：在温度为22±2℃，湿度为30-70%环境下，根据KTN晶体的机械化学性能，使用磨料粒度小于1μm的水基抛光液和抛光垫对精磨之后的晶体进行粗抛和精抛，精抛之后表面可实现无损伤，面型优于λ/8，均方根粗糙度（RMS）小于1nm，上下表面平行度在5″以内；所述水基抛光液的磨料可为：金刚石或氧化铈或二氧化硅；所述抛光垫可以为：聚氨酯抛光垫、无纺布抛光垫、绒布抛光垫、沥青抛光垫；
（6）涂覆保护膜及卸盘：对精抛之后的加工表面在超净工作台内使用无尘布依次进行丙酮、酒精清洗之后，自流平或旋涂一层虫胶漆片酒精溶液作为保护漆，其虫胶漆片浓度为5wt%-20wt%，放置30min，晾干，再使用烤灯加热至60-70℃熔融石蜡卸盘。
2.根据权利要求1所述的单晶基片的加工制作方法，其特征在于：步骤2中所述切割工具为金刚石内圆或划片或线切割机，所述的切割线的线速度为1000-1500cm/s，切割进刀速度为4-8mm/min。
3.根据权利要求2所述的单晶基片的加工制作方法，其特征在于：所述步骤（3）夹具材料为KTN晶体材料；所述晶片加工面积:夹具加工面面积=1:50-1:2；所述步骤（5）中，粗抛采用聚氨酯抛光垫，精抛采用沥青抛光垫。
4.根据权利要求3述的单晶基片的加工制作方法，其特征在于：所述的晶片加工面积:夹具加工面积=1:15-1:5。
5.根据权利要求4的单晶基片的加工制作方法，其特征在于：所述步骤（5）中粗抛优选自配的高效分散的酸性水基W0.8氧化铈抛光液，成分包括：0.5wt%-5wt% W0.8氧化铈微粉、55wt%-70wt%去离子水、0.2wt%-15wt% KMnO4、3wt%-10wt%乙二醇、0.1wt%-1wt%硝酸钾、0-1wt%硝酸、0-1wt%氢氧化钾、0.1wt%-2wt%聚丙烯酸（PAA）。
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