CN116005268B - 一种周期极化ktp晶体制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种周期极化KTP晶体制备方法，涉及非线性光学晶体制备技术领域，取KTP晶体测试片，在KTP晶体测试片双面制备电极，在KTP晶体测试片的双面电极上施加脉冲高压，测量实时电流和实时电阻率，在需要极化的KTP晶体正面制备周期性电极，计算出需要极化的面积，在KTP晶体正式片的双面电极上施加极化电压；在每个极化脉冲结束后，判断极化是否完成，通过判断实时的电荷量转移量，对离子电流和极化电流进行分离，获得实时的极化反转进度，从而判断极化是否完成。采用本发明的周期极化KTP晶体制备方法，可以准确地控制极化过程，获得高品质的PPKTP晶体。
Description
技术领域
本申请涉及非线性光学晶体制备技术领域，尤其涉及一种周期极化KTP晶体制备方法。
背景技术
近年来，量子信息科学与技术发展突飞猛进，已经成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域。纠缠光子源是量子信息处理的载体，也是实现量子计算、量子通信、量子传感等量子技术的基础资源。目前产生近红外-中红外纠缠光源的主要方法是自发参量下转换（SPDC）。周期极化KTP（PPKTP）是常用的自发参量下转换过程的晶体，其矫顽场电压仅仅是
晶体的1/10，并且它的晶体结构是准一维的，具有各向异性的特征，因此特别适合在几毫米厚的晶体中制作细小周期的反转光栅。KTP晶体和它的同族晶体，如
晶体具有相似的结构和特性，它们都可以被用于周期极化反转的研究。
目前制备周期极化KTP最普遍的方法，就是用高压电场对铁电晶体进行周期性极化来制备准相位匹配器件的方法。电场极化制备周期极化KTP的技术是采用半导体制作工艺中的光刻技术在晶体的抛光表面将电极制作成周期性图案，通过这种具有周期性图案的电极，用高压电场迫使晶体中的自发极化方向发生反转，形成周期性交替变化的铁电畴，实现非线性系数的调制，从而满足相位匹配条件。因此，这种技术具有重复性好、工艺简单等优点。
在KTP晶体结构中，K离子位于P-O四面体和Ti-O八面体的空隙中，在电场作用下容易发生迁移，即有着很高的离子导电性，其在高压作用下会产生非常高的电流。而晶体的极化反转来源于Ti离子偏离八面体的偏转，产生的极化电流非常微弱。并且由于离子电流远高于极化电流，使得极化过程不易观察，从而导致容易发生极化不充分或者过极化的现象。
现有方案包括：1、将晶体放置在零下70℃进行极化，降低晶体导电率；2、在晶体表面进行离子扩散，降低表面电导率。但是此两种方法操作比较复杂，而且会对晶体造成损伤。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种周期极化KTP晶体制备方法，包括如下步骤：
S1、取KTP晶体测试片，在KTP晶体测试片双面制备面积为
的电极；
S2、在KTP晶体测试片的双面电极上施加最高电压为
的脉冲高压，测量实时电流
，得到实时电阻率
；
S3、在需要极化的KTP晶体正式片的正面制备周期性电极，在KTP晶体正式片的负面制备均匀的电极；
S4、计算需要极化的面积
；
S5、在KTP晶体正式片的双面电极上施加最高电压为
的极化电压；
S6、在每个极化脉冲结束后，判断极化是否完成，若极化未完成，返回步骤S5，继续施加极化高压进行极化，直至极化完成。
进一步地，步骤S6中，在每个极化脉冲结束后，判断极化结束满足的条件：极化产生的总电荷量不小于离子导电产生的电荷迁移量与铁电畴反转造成的极化电荷之和。
进一步地，步骤S6中，在每个极化脉冲结束后，判断极化是否满足以下条件：
其中，
为KTP晶体的自发极化强度，实时极化电流为
，施加的极化电压为
，施加极化电压总时间为T，晶体的实时电阻率为
；若满足式（5），则结束极化。
进一步地，极化产生的总电荷量
为：
由于离子导电产生的电荷迁移量
为：
剩余的电荷迁移是由于铁电畴反转造成的极化电荷
：
根据铁电畴极化理论，
其中，其中
为KTP晶体的自发极化强度。
进一步地，晶体的实时电阻率
为：
。
进一步地，脉冲高压的最高电压
低于晶体矫顽场，
为5mm*5mm或者10mm*10mm。
进一步地，施加的极化电压和脉冲高压的脉冲波形相同，均为三角波、方波或正弦波。
进一步地，极化电压的最高电压
高于晶体矫顽场，极化电压的最高电压
是脉冲高压的最高电压
的1.1至1.25倍。
相比于现有技术，本发明具有如下有益技术效果：
通过取样并多次测量得到目标晶体的实时电阻率
；通过判断实时的电荷量转移量，对离子电流和极化电流进行分离，获得实时的极化反转进度，从而判断极化是否完成。可以准确地控制极化过程，获得高品质的周期极化KTP晶体。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的周期极化KTP晶体制备方法流程图；
图2为本发明制备的高品质周期极化KTP晶体。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述系统中的各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的信号传输方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。
周期极化KTP晶体的主要制备方法是采用高电压使得晶体局部发生铁电畴的周期性调制以匹配相位失配，获得高的非线性频率转换。但是高电压作用下KTP晶体会产生极大的离子电流。实验证明：离子电流的大小跟电压强度、脉冲时间等相关，且具有一定的规律性。因此本发明通过一种周期极化KTP晶体制备方法，来将离子电流与极化电流分离，实现高质量制备的周期极化KTP晶体。
如图1所示为周期极化KTP晶体制备方法流程图，其具体步骤如下：
1）取小块KTP晶体测试片，在KTP晶体测试片双面制备面积为
的电极，优选地，
为5mm*5mm或者10mm*10mm。
2）为了得到电阻率的随电压变化的规律，在KTP晶体测试片的正负两面施加最高电压为
的脉冲高压，
低于晶体矫顽场，测量实时电流为
，晶体的实时电阻率函数
为：
。
3）在需要极化的KTP晶体正式片正面制备周期性电极，在KTP晶体正式片的负面制备均匀的电极。
4）根据需求计算出需要极化的面积
。在具体实施例中，如所需制备的晶体尺寸为长度为L，宽度为W，则总面积是L*W，需要极化的面积
为L*W/2。
5）在KTP晶体正式片的正负两面施加最高电压为
的极化高压，实时极化电流为
，极化电压的最高电压
高于晶体矫顽场，
是
的1.1至1.25倍，施加极化电压的总时间为T。
为了保证晶体电阻率的一致性，脉冲高压和极化电压的脉冲波形是一样的，即都为三角波、方波、正弦波或者其他设定波形。
6）在每个极化脉冲结束后，计算出极化产生的总电荷量
为：
其中由于离子导电产生的电荷迁移量
为：
剩余的电荷迁移则是由于铁电畴反转造成的极化电荷
：
根据铁电畴极化理论，
其中
为KTP晶体的自发极化强度。
在每个极化脉冲结束后，判断极化结束满足的条件：极化产生的总电荷量不小于离子导电产生的电荷迁移量与铁电畴反转造成的极化电荷之和。
由此，代入公式（3），判断是否满足以下条件：
若满足式（5）则结束极化，若不满足式（5），则继续施加步骤（5）中的极化电压进行极化。随着极化时间T不断增加，直到上式（5）成立，则判断KTP晶体极化完成，结束极化。
本发明通过取样并多次测量得到目标晶体的实时电阻率，通过判断实时的电荷量转移量，对离子电流和极化电流进行分离，获得实时的极化反转进度，从而判断极化是否完成。采用本方法后，可以准确地控制极化过程，获得高品质的PPKTP晶体，如图2所示。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disk，SSD))等。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种周期极化KTP晶体制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、取KTP晶体测试片，在KTP晶体测试片双面制备面积为S1的电极；
S2、在KTP晶体测试片的双面电极上施加最高电压为V1的脉冲高压，测量实时电流I1，得到实时电阻率Ω，脉冲高压的最高电压V1低于晶体矫顽场；
S3、在需要极化的KTP晶体正式片的正面制备周期性电极，在KTP晶体正式片的负面制备均匀的电极；
S4、计算需要极化的面积S2；
S5、在KTP晶体正式片的双面电极上施加最高电压为V2的极化电压；极化电压的最高电压V2高于晶体矫顽场，极化电压的最高电压V2是脉冲高压的最高电压V1的1.1至1.25倍；
S6、在每个极化脉冲结束后，判断极化是否满足以下条件：
其中，Ps为KTP晶体的自发极化强度，实时极化电流为I2，施加的极化电压为V2，施加极化电压总时间为T，晶体的实时电阻率为欧米伽；若满足式（5），则结束极化；
若极化未完成，返回步骤S5，继续施加极化高压进行极化，直至极化完成。
2.根据权利要求1所述的周期极化KTP晶体制备方法，其特征在于，步骤S6中，在每个极化脉冲结束后，判断极化结束满足的条件：极化产生的总电荷量不小于离子导电产生的电荷迁移量与铁电畴反转造成的极化电荷之和。
3.根据权利要求2所述的周期极化KTP晶体制备方法，其特征在于，极化产生的总电荷量Qtotal为：
由于离子导电产生的电荷迁移量Qion为：
剩余的电荷迁移是由于铁电畴反转造成的极化电荷Qpol：
根据铁电畴极化理论，
其中，Ps为KTP晶体的自发极化强度。
4.根据权利要求2所述的周期极化KTP晶体制备方法，其特征在于，晶体的实时电阻率Ω为：
。
5.根据权利要求4所述的周期极化KTP晶体制备方法，其特征在于，S1为
。
6.根据权利要求2所述的周期极化KTP晶体制备方法，其特征在于，施加的极化电压和脉冲高压的脉冲波形相同，均为三角波、方波或正弦波。
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