CN1124305A - 室温制备具有周期电畴的lt、掺杂ln晶体及应用 - Google Patents

Abstract

本发明的技术解决方案是：采用厚0.2～0.5mmC切LT或掺杂LN单畴晶片，±C面均精磨，抛光，用光刻技术在+C面制作周期A＝3～20μm金属格栅作为电极，-C面对应区域镀平电极。高压矩形电脉冲正向施加于两电极间，其强度E＝20kv～30kv/mm。施加的时间即脉冲宽度在10ms～1s之间。

Description

室温制备具有周期电畴的LT、 掺杂LN晶体及应用

本发明涉及用高压电脉冲在室温下处理单畴LT(LiTaO₃)、掺杂LN(LiNbO₃)晶体，制备微米尺度周期铁电畴结构材料的方法以及这种材料在激光频率转换方面的应用。

现有人工设计的具有特定周期电畴的LN晶体材料可在提拉法生长过程中，引入周期性微控制成畴的取向而制得；或将单畴C切LN，LT晶体放入焦磷酸中进行选择性质子交换、随后快速退火(PE＋OHT)，在晶片表层形成周期性电畴反转。上述工艺或是成本高成品率低，或是只能对晶体表面进行处理，只适于做波导器件。最近，有报道用高电压短周期、多脉冲处理单畴LN晶片制作周期电畴LN的工作，(参见M、Yamade etc.Appl.phys.Lett.Vol.62(5)p436；W.K.Burns etc.IEEE photonics Technology Letters，VOL.b.No.2，Feb.(1994)，P252.)因为纯LN在外电场下其电畴反转机制和条件并不完全同于LT及掺杂LN，且短周期，多脉冲工艺在实际操作中不容易控制，从应用角度考虑，LN光损伤阈值低，用于激光频率转换不如LT及掺杂LN。

本发明的目的是利用高压电脉冲处理单畴LT、掺杂LN晶体，制备微米尺度周期铁电畴结构材料，并用于激光倍频和光参量技术。

本发明的技术解决方案是：采用厚0.2～0.5mmC切LT或掺杂LN单畴晶片，±C面均精磨，抛光，用光刻技术在+C面制作周期Λ＝3～20μm金属格栅作为电极，-C面对应区域镀平电极。高压矩形电脉冲正向施加于两电极间，其强度E＝20kv～30KV/MM。施加的时间即脉冲宽度在10ms～1S之间，随材料、电脉冲的幅值，电极面积大小而异，一般定在电畴完全反向时极化电流持续时间t_s的二分之一为宜。

采用这种技术制作的具有人工设计周期电畴的LT掺杂LN单晶可做为体块材料，或光波导器件材料用于对半导体激光器或其他种类的激光器的输出进行频率转换，从而实现从红外到可见光范围，特别是蓝、绿光波段的激光输出(注：输出频率取决于泵浦光的频率和所设计周期的大小)，用这种材料与激光二极管组合成的新型全固化的短波长激光光源可用于下一代激光视盘，通讯、信息处理等军用、民用项目，在光电子技术领域具有十分广阔的应用前景。

LT与最常用的非浅性光学晶体LN一样，具有较大的二阶非线性系数d₃₃，它的抗光损伤能力比LN好得多，只是由于其双折射小(Δn≈0.005，λ＝0.633μ)不足以补偿频率转换过程中的位相失配，所以单畴LT在这方面没有得到实际应用，在周期极化的LT晶体中，二阶非线性系数被周期性调制。根据准位相匹配原理，这种调制，可用于补偿频率转换过程中的位相失配，因这这种材料具有高效的频率转换功能。掺镁的LN只要具有周期多畴结构，其在实现激光频率转换方面的功能与LT一样，且工艺条件相近。

本发明的优点是：采用单脉冲技术，并且在极化过程中用极化电荷的流动量表征极化完成的程度，从而通过控制脉冲宽度来控制成畴的质与量。用此技术首先实现了LT周期电畴的制作，并且成畴质量好，成品率高，与现有其化工艺相比使用的设备也相对简单得多，用这种技术处理的晶片厚度可达0.5mm，这不仅适于做光波导器件，亦可做为体块材料，广泛用于制作激光倍频、光参量等频率转换器件。

以下结合附图和通过实施例对本发明作进一步说明：

图1为外场施加时间T＝1/2(t_s)时LT剖面(Y面)畴的分布图，1(a)±C面均为平电极，！(b)+C面镀栅格电极。图2为用高压电脉冲方法获得周期电畴材料的装置示意图。图3为按图2所示线路反向极化LT晶体过程中示波器所记录的波形图，其中3(a)显示的是脉冲源输出的电压脉冲波形； 3(b)为一次完全反向极化过程中极化电流的波形；3(c)为样品电极下区域的自发极化已被完全反向后在被完全同样的外脉冲第二次作用下显示的图形。图3(b)、3(c)的尖脉冲来源于样品电容引起的充电电流，图3(b)、3(c)两波形面积之差S正比于极化电荷点量Q，亦正比于晶体材料的自发极化强度P_s和电极所覆盖面积A的乘积。图4、5为一厚0.51mm，电极面积5mm²的样品在外脉冲场作用下电场强度与极化电流及与极化时间的对应关系和函数曲线。

图6为光波导构型图，图7为LT在室温下的折射率与波长的关系表。

高压脉冲电源输出高压矩形脉冲，通过一保护电阻加于单畴LT样品上，LT样品为C切，+C面镀周期电极，-C面镀平电极样品+t面接脉冲高电位，当样品中的电场E超过LT的矫顽场E_c时，样品自发极化方向被迫反向，在此过程中出现一小的极化电流，在取样电阻R₀上形成电压降，被示波器所记录，示波器上所记录的波形的面积正比于极化电荷的总量，可以此来确定高压脉冲源输出脉冲的幅值与宽度。

本发明方法的关键为：

用高压产生强场迫使极性相同的自发极化反向；

用周期性电极约束反向畴成核区域及生长方向；

用脉冲宽度定义反向畴的宽度及占总体积的面分数。

合理地确定上述三条件即可在LT和掺导LN晶片中制得理想的周期畴结构。

高压脉冲电源输出电压幅值V：实验证实，LT、掺杂LN晶体极化时存在一临界电场E′，外电场E＞E′和E＜E′时晶片的极化形为不同。

对LT，E＞E′＝20KV/mm时，成畴质量好，因此E的取值范围为20KV—28KV/mm。对于掺杂LN，E应在上述范围内取其上限值。样品上实际承受的电压：

V＝E·d    (1)d为样品的厚度，V正比于厚度d，对于一个0.5mm厚的样品，所需电压幅值应为10kv～14kv，不同厚度样品可依上式确定脉冲源输出电压幅值。最大输出电流I₀：样品极化电流与所加电场和极化的面积有关，当所加电场为其上限(E≈28KV/mm)，对于一个极化面积S≤20mm²的样品，极化电流最大不会超过300μA，因此实用上I₀≈300μA即可。脉冲宽度T：T取决于极化电流持续时间ts，因而与电极面积S，外加电场E的大小有关，一般要求能在10ms—1s之间进行调节。示波器2能对单次脉冲进行记录，一般的数字与模拟的可存储示波器即可。与样品串联的保护电阻与取样电阻R₀均需高压电阻，一般保护电阻取值为20MΩ，取样电阻R₀为5KΩ。

1、周期Λ的确定：周期由泵浦激光的波长和材料所需完成的功能确定。倍频： $\mathrm{\Λ}=2m{l}_c=\frac{{\mathrm{m\λ}}_F}{2|n_{3H}-n_{F|}}$ 其中，m：取奇数，n_1H：倍频光折射率，n_F：基频光折射光参量： ${\mathrm{\Λ}}_{\±}=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2{\mathrm{\λ}}_3}{n_3{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2\±n_2{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_3-n_1{\mathrm{\λ}}_2{\mathrm{\λ}}_3}$ (+：差频-：和频)n₁，n₂，n₃和λ₁，λ₂，λ₃，分别为泵浦光，信号光，空闲光的折射率和波长。(LT折射率n的色散关系见图7。)

2、样品的前期处理：

选用光学级的单畴LT及掺镁的LN晶体、按器件需要的几何尺寸切割，一般为片状。参考尺寸为10(x)×8(y)×0.5(z)mm.晶片的厚度d一般为0.2—0.5mm，如果畴的周期Λ＞12μm。厚度允许再增加一些，但电源的输出电压也需作相应调整。样品的±C面须精磨、抛光、并用标准工艺进行清洗。周期性铝(Al)电极镀于+C面，电极的宽度为 。-C面镀平电极，厚度约1000A。电极用导电银胶由导线引出，并经过固化处理。

3、周期电畴结构的制作：

LT晶体的+C面电极接电源的高电位输出端，-C面接取样电阻R₀。R₀另一端接地，样品需浸入在高压绝缘油中，以免在操作时由于空气击穿或样品表面污染引起电流旁路。脉冲的幅值可依E＞E′选取，宽度T可选为：

，其中t_s为完全极化的极化电流持续时间，由于每批样品的绝缘电阻、电极与晶片间的附着程度不一样，参数的精确确定需经实验，下面为二组参考数据：

(1)周期Λ＝10.5μm，周期数N＝600，单电极长3.5mm，宽4μm，净电极面积11mm²，电极复盖面积25mm²，样品厚度d＝0.5mm，脉冲幅值V₀＝11KV，宽度T＝510ms，测得电流值为60μA。该材料用于激光倍频可实现三阶准位相匹配输出410mm的蓝光。

(2)周期Λ为3.8μm，周期数N＝500，厚度d＝0.2mm，亦形成周期电畴材料。可用一阶准位相匹配高效输出420nm左右的蓝光。

(3)Λ＝14～20μm时可用作光参量器件，输出1—2μ的红外光，用于光纤通讯。

4、样品制成后放入磷酸或氢氧化钠溶液中去Al电极，将通光面抛光，镀增透膜；泵浦光从一端面输入，倍频光可由另一端输出。掺Mg：LN的工艺参数类同上条件，但E取13～14KV。如要制作波导频率转换器件，可先将晶片+C面用抛光的方法减薄5μm左右，然后用波导的制作工艺制作波导，周期畴结构光波导的构型可在倍频及光参量技术中的应用。这种波导亦可与激光二极管实现端面的直接耦合制成一体化的蓝、绿光激光器。

如需观察用本工艺制成样品的畴的形态，可用二份硝酸(HNO₃)和一份氢氟酸(HF₂)配成腐蚀液，将样品放入其中在100℃左右温度下腐蚀25分钟左右，或在室温下腐蚀24小时，然后在金相显微镜下观察。

Claims (5)

1、一种室温制备具有周期电畴的LT、掺杂LN晶体的方法，其特征是采用厚0.2～0.5mmC切LT或掺杂LN单畴晶片，±C面均精磨，抛光，用光刻技术在+C面制作周期Λ＝3～20μm金属格栅作为电极，一C面对应区域镀于电极。高压矩形电脉冲正向施加于两电极间，其强度E＝20kv～30KV/MM。施加的时间即脉冲宽度在10ms～1S之间，随材料、电脉冲的幅值，电极面积大小而异，一般定在电畴完全反向时极化电流持续时间t。的二分之一为宜。

2、由权利要求1所述的方法，其特征是高压脉冲通过一保护电阻加在单畴样品上，另串一取样电阻(R0)，并有示波器记录取样电阻上的电压降，所记录的波形的面积正比于极化电荷的总量，可以此来确定高压脉冲源输出脉冲的幅值与宽度。

3、由权利要求1、2所述的方法，其特征是周期Λ为3.8μm，周期数N＝500，厚度d＝0.2mm，亦形成周期电畴材料。可用一阶准位相匹配高效输出420nm左右的蓝光。

4、由权利要求1、2所述的方法，其特征是周期Λ＝10.5μm，周期数N＝600，单电极长3.5mm，宽4μm，净电极面积11mm²，电极复盖面积25mm²，样品厚度d＝0.5mm，脉冲幅值V₀＝11KV，宽度T＝510ms，测得电流值为60μA。该材料用于激光倍频可实现三阶准位相匹配输出410mm的蓝光。

5、由权利要求1、2所述的方法。其特征是：如要制作波导频率转换器件，可先将晶片+C面用抛光的方法减薄5μm左右，然后用波导的制作工艺制作波导，周期畴结构光波导的构型可在倍频及光参量技术中的应用。这种波导亦可与激光二极管实现端面的直接耦合制成一体化的蓝、绿光激光器。

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