CN117970723A - Ktp晶体的并联点触式周期电极图案、周期极化装置及方法 - Google Patents

Ktp晶体的并联点触式周期电极图案、周期极化装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了KTP晶体的并联点触式周期电极图案、周期极化装置及方法，该KTP晶体的并联点触式周期电极图案包括第一电极和第二电极，第一电极和第二电极分别设于KTP晶体相对面上；第一电极包括若干个间隔并排设置的框型电极；第二电极为金属电极；框型电极包括第一带半圆电极部、第二带半圆电极部和条状电极部，第一带半圆电极部通过包括多个等宽空隙间隔的条状电极的条状电极部与第二带半圆电极部电连接；基于KTP晶体的并联点触式周期电极图案的周期极化装置，通过外加脉冲电压对KTP晶体进行高压脉冲极化，并设置极化参数，判断KTP晶体畴反转程度，再通过外加低压直流电的方式继续对KTP晶体进行极化，实现对KTP晶体反转畴的有效调控，提高晶片转换效率。

Description

KTP晶体的并联点触式周期电极图案、周期极化装置及方法
技术领域
本发明涉及非线性光学晶体器件技术领域，更具体的说是涉及KTP晶体的并联点触式周期电极图案、周期极化装置及方法。
背景技术
周期极化晶体是指通过人为地对铁电晶体内部的电畴进行周期性反转，形成具有交替方向且均匀间隔的铁电畴结构，从而实现对其非线性系数的周期调制，达到补偿由于折射率色散产生的相位失配的目的，使其最大非线性光学系数利用率最大化，最终获得接近完全相位匹配的频率转换效率。周期极化晶体可以基于准相位匹配技术通过倍频、和频、差频、参量转换及参量振荡等过程实现晶体透光范围的高效波长转换，因此可被广泛应用于激光和量子信息技术等领域。
基于光刻的周期性电极图案，通过给KTP晶体自发极化方向施加超过晶体矫顽场的高压脉冲进行其内部铁电畴的周期性反转，是目前常用的制备PPKTP晶体的方法。
一般畴反转过程主要分为五个阶段，分别为反转畴形核、纵向生长、相邻畴合并、横向扩展、形成稳定的电畴结构，在周期极化过程中横向扩展阶段往往决定周期畴结构的质量，而影响横向扩展阶段的主要因素就是电场的大小选择与分布均匀性。
目前有两种PPKTP器件制备方案，第一种是在-100℃下提高晶体电阻率进行极化，第二种为通过Rb+-K+交换，形成周期性的表面电阻率差异在常温下进行极化；这两种方案中KTP的矫顽场均超过了常规KTP晶体的矫顽场2kV/mm，其中前者约为12kV/mm，后者约为3.4kV/mm，因此需要加载与矫顽场相近甚至更高的电场，且以上两种方案在使用超过矫顽场的高压脉冲完成畴反转前三个阶段后，继续使用相同高压脉冲进行最后两个阶段(即横向扩展和形成稳定的电畴结构)的周期极化，过高的电压导致畴反转的后两个阶段控制难度大增，导致第一种方案获得的PPKTP器件的+Z面和-Z面的周期畴形貌具有明显的差异，-Z面的畴宽度小于+Z面，且-Z面畴壁呈现明显的弯折现象(即畴壁平直度极低)；而第二种方案无法稳定获得PPKTP器件。
另外，目前常用于周期极化KTP晶体制备的电极图案为单线触发的整个覆盖晶体表面的光栅电极图案，这一定程度上会造成电极边缘与中心区域的电场分布不均匀；针对这一问题，现有方案是采用KCl溶液覆盖整个光栅电极进行电场加载的方式，但需要有密封性优秀的夹具，且过程较繁琐，同时对光栅电极之间的绝缘层的完整性要求很高，否则会在设计的非反转区域引起畴反转，影响周期极化结果。
因此，如何完成KTP晶体反转畴的纵向贯穿生长以及横向的均匀扩展，同时获得+Z面和-Z面无明显差异的周期畴形貌，最终实现高质量PPKTP晶体的制备是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种KTP晶体的并联点触式周期电极图案、周期极化装置及方法以解决背景技术中提到的部分技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
KTP晶体的并联点触式周期电极图案，包括第一电极和第二电极，第一电极和第二电极分别设于KTP晶体基片的-Z面和+Z面上；
第一电极包括若干个间隔并排设置的框型电极；
第二电极为金属电极；
框型电极包括第一带半圆电极部、第二带半圆电极部和条状电极部，条状电极部置于第一带半圆电极部和第二带半圆电极部之间，第一带半圆电极部通过条状电极部与第二带半圆电极部电连接；
第一带半圆电极部和第二带半圆电极部均由半径为r的半圆和长宽分别为2r、r的长方形组成；
条状电极部包括多个条状电极，相邻条状电极间为等宽空隙。
优选的，并排设置的相邻框型电极的间隔与相邻条状电极间的等宽空隙相等。
优选的，第一电极的各个框型电极的边缘与KTP晶体的边缘为等宽均匀空隙。
优选的，第一电极的空隙部分均填充光刻胶。
优选的，条状电极部的各条状电极均与KTP晶体的Y向平行。
优选的，条状电极部的单个条状电极的宽度与相邻条状电极间的等宽空隙宽度之比为1:5～1:1，并且单个条状电极的宽度为1～200μm；
第一带半圆电极部和第二带半圆电极部的半圆半径r为0.5mm～1mm；
第一电极和第二电极的厚度为50～500nm；
KTP晶体的基片厚度为0.5mm～1mm；
第一电极的各个框型电极的边缘与KTP晶体的边缘的等宽均匀空隙的宽度为0.5～2mm；
填充光刻胶的厚度为0.5-5μm。
KTP晶体的周期极化装置，基于所述的KTP晶体的并联点触式周期电极图案，包括信号发生器、高压放大器、设有并联点触式周期电极图案的KTP晶体和示波器；
信号发生器的一端通过高压放大器分别与KTP晶体的第一电极的间隔并排设置的框型电极和电阻R2连接，KTP晶体的第二电极与电阻R1串联后与信号发生器的另一端连接，电阻R2与电阻R3串联后与信号发生器的另一端连接；
信号发生器发出任意波形脉冲，经过高压放大器放大脉冲信号并输出高压，通过与间隔并排设置的框型电极一一对应且并联连接的探针施加在设有并联点触式周期电极图案的KTP晶体上，示波器通过电压差分探头分别连接电阻R1和电阻R3的两端，分别监测电阻R1和电阻R3的电压波形，实现对极化过程中KTP晶体上加载电压与流经电流的监测。
KTP晶体的周期极化方法，基于所述的KTP晶体的周期极化装置，包括：
信号发生器发出任意波形脉冲，经过高压放大器放大脉冲信号并输出高压，通过与间隔并排设置的框型电极一一对应且并联连接的探针施加在设有并联点触式周期电极图案的KTP晶体上；
设置输出高压脉冲参数，即极化参数，极化参数包括脉冲电压、脉冲宽度、弛豫时间、脉冲数量；
根据设置脉冲宽度、压电常数和KTP晶体流经电流，计算压电常数为2时所需极化的面积、极化所需的电荷量、极化所需要的时间和所需加载的高压脉冲数量，并完成高压脉冲电压加载
测试KTP晶体的实际压电常数值，设置直流电压值，加载直流电压于KTP晶体第一电极和第二电极对KTP晶体进行极化，在每次加载直流电压完成后，判断KTP晶体是否完成周期极化，若还未完成周期极化，则重复此步骤直至完成KTP晶体的周期极化。
优选的，在每次加载直流电压完成后，判断是否完成周期极化的条件为：
-0.2≤d″33≤0.2
其中，d″33为每次直流电压加载完成后测得的实际压电常数d33值；若满足条件，则结束直流电压加载。
优选的，当压电常数d33＝2时，极化所需的面积为：
其中，d′33为KTP晶体测得的初始d33值，S0为d33＝0时极化所需的面积；
KTP晶体极化所需的电荷量为：
Q＝Ps·S
其中，Ps为KTP晶体的自发极化强度，S为d33＝2时极化所需的面积；
极化电路输入电荷量为：
Q＝∫Idt
其中，I为测得的通过R1的实时电流大小，即通过KTP晶体的实时电流大小，t为电流加载在KTP晶体上的时间；
根据加载高压脉冲电压时示波器监测的R1的电压波形，计算KTP晶体经过高压脉冲极化使d33＝2时所需要的时间t；
根据选定的脉冲宽度和时间t，计算所需加载的脉冲数量。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种KTP晶体的并联点触式周期电极图案、周期极化装置及方法，通过设计并联点触式周期电极图案可以提高晶体反转畴的成核率以及电场分布的均匀性，并在KTP晶体畴反转最后两个阶段辅以低电场极化，使铁电畴在反转过程中的横向扩展受到抑制并自终止，显著减小甚至消除了+Z面和-Z面周期畴形貌的差异化，提高了畴壁的平直度，提高了KTP晶体+z面和-z面的周期反转畴质量，使得双Z面的反转畴宽度接近理论值，从而实现对KTP晶体反转畴的有效调控，提高晶片的光学转换效率，具有较好的应用前景；并且本发明操作简单，极化方法易于实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的KTP晶体的并联点触式周期电极图案结构示意图；
图2附图为本发明提供的并联点触式周期电极结构的俯视图；
图3附图为本发明提供的框型电极结构示意图；
图4附图为本发明提供的KTP晶体的周期极化装置示意图；
图5附图为本发明实施例提供的制备的周期反转畴结构的+Z面光学显微照片示意图；
图6附图为本发明实施例提供的制备的周期反转畴结构的-Z面光学显微照片示意图；
其中，201-第一电极，202-KTP晶体，203-第二电极，301-第一电极的边缘与KTP晶体的边缘区域，302-框型电极，303-相邻框型电极的间隔，401-第一带半圆电极部和第二带半圆电极部的半圆部分，402-第一带半圆电极部和第二带半圆电极部的长方形部分，403-条状电极，404-相邻条状电极间的等宽空隙。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了KTP晶体的并联点触式周期电极图案，如图1-图3所示，包括第一电极和第二电极，第一电极201和第二电极203分别设于KTP晶体202的-Z面和+Z面上，第一电极201和第二电极203均匀分布在KTP晶体202的相对表面上；
第一电极201包括若干个间隔并排设置的框型电极302；
第二电极203为金属电极；
框型电极302包括第一带半圆电极部、第二带半圆电极部和条状电极部，条状电极部置于第一带半圆电极部和第二带半圆电极部之间，第一带半圆电极部通过条状电极部与第二带半圆电极部电连接；
第一带半圆电极部和第二带半圆电极部均由半径为r的半圆401和长宽分别为2r、r的长方形402组成；
条状电极部包括多个条状电极403，相邻条状电极403间为等宽空隙404。
为了进一步实施上述技术方案，并排设置的相邻框型电极302的间隔303与相邻条状电极403间的等宽空隙404相等。
为了进一步实施上述技术方案，第一电极201的各个框型电极302的边缘与KTP晶体202的边缘为等宽均匀空隙301，为第一电极边缘与晶体边缘的缓冲区域，避免极化过程中出现爬电现象。
为了进一步实施上述技术方案，第一电极的空隙部分均填充光刻胶，包括相邻条状电极403间的等宽空隙，相邻框型电极302的间隔，以及第一电极201的各个框型电极302的边缘与KTP晶体202的边缘的等宽均匀空隙。
为了进一步实施上述技术方案，条状电极部的各条状电极403均与KTP晶体202的Y向平行。
为了进一步实施上述技术方案，条状电极部的单个条状电极403的宽度与相邻条状电极403间的等宽空隙404宽度之比为1:5～1:1，并且单个条状电极403的宽度为1～200μm；
第一带半圆电极部和第二带半圆电极部的半圆401半径r为0.5mm～1mm；
第一电极201和第二电极203的厚度为50～500nm；
KTP晶体202的基片厚度为0.5mm～1mm；
第一电极201的各个框型电极302的边缘与KTP晶体202的边缘的等宽均匀空隙301的宽度为0.5～2mm；
填充光刻胶的厚度为0.5-5μm。
KTP晶体的周期极化装置，如图4，基于KTP晶体的并联点触式周期电极图案，包括信号发生器、高压放大器、设有并联点触式周期电极图案的KTP晶体和示波器；
信号发生器的一端通过高压放大器分别与KTP晶体的第一电极201的间隔并排设置的框型电极302和电阻R2连接，KTP晶体的第二电极203与电阻R1串联后与信号发生器的另一端连接，电阻R2与电阻R3串联后与信号发生器的另一端连接；
信号发生器发出任意波形脉冲，经过高压放大器放大脉冲信号并输出高压，通过与间隔并排设置的框型电极302一一对应且并联连接的探针施加在设有并联点触式周期电极图案的KTP晶体上，示波器通过电压差分探头分别连接电阻R1和电阻R3的两端，分别监测电阻R1和电阻R3的电压波形，实现对极化过程中KTP晶体上加载电压与流经电流的监测。
在本实施例中，脉冲电压或者直流电压利用点接触的方式，通过第一带半圆电极部和第二带半圆电极部的半圆部分401和长方形部分402均匀地作用于每一个条状电极403，使得在KTP晶体202中形成均匀的纵向电场，并实现均匀的畴反转。
KTP晶体的周期极化方法，基于KTP晶体的周期极化装置，包括：
信号发生器发出任意波形脉冲，经过高压放大器放大脉冲信号并输出高压，通过与间隔并排设置的框型电极302一一对应且并联连接的探针施加在设有并联点触式周期电极图案的KTP晶体上；
设置输出高压脉冲参数，即极化参数，极化参数包括脉冲电压、脉冲宽度、弛豫时间、脉冲数量；
根据设置脉冲宽度、压电常数和KTP晶体流经电流，计算压电常数为2时所需极化的面积、极化所需的电荷量、极化所需要的时间和所需加载的高压脉冲数量，并完成高压脉冲电压加载
测试KTP晶体的实际压电常数值，设置直流电压值，加载直流电压于KTP晶体第一电极和第二电极对KTP晶体进行极化，在每次加载直流电压完成后，判断KTP晶体是否完成周期极化，若还未完成周期极化，则重复此步骤直至完成KTP晶体的周期极化。
为了进一步实施上述技术方案，在每次加载直流电压完成后，判断是否完成周期极化的条件为：
-0.2≤d″33≤0.2
其中，d″33为每次直流电压加载完成后测得的实际压电常数d33值；若满足条件，则结束直流电压加载。
为了进一步实施上述技术方案，当压电常数d33＝2时，极化所需的面积为：
其中，d′33为KTP晶体测得的初始d33值，S0为d33＝0时极化所需的面积；
KTP晶体极化所需的电荷量为：
Q＝Ps·S
其中，Ps为KTP晶体的自发极化强度，S为d33＝2时极化所需的面积；
极化电路输入电荷量为：
Q＝∫Idt
其中，I为测得的通过R1的实时电流大小，即通过KTP晶体的实时电流大小，t为电流加载在KTP晶体上的时间；
根据加载高压脉冲电压时示波器监测的R1的电压波形，计算KTP晶体经过高压脉冲极化使d33＝2时所需要的时间t；
根据选定的脉冲宽度和时间t，计算所需加载的脉冲数量。
为了进一步实施上述技术方案，脉冲电压峰值为≥KTP晶体矫顽场；
弛豫时间为0.1～100ms；
脉冲宽度为0.01～100ms；
直流电压的电压值为50V～300V。
在另一实施例中，KTP晶体202具有1mm的厚度，且其长宽尺寸可根据需求切割成任意大小；第一电极边缘区域301的宽度为1mm，每个框型电极的间距为23μm；第一电极的框型电极带半圆电极部的半圆部分401的半径为1mm，第一带半圆电极部和第二带半圆电极部的长方形部分402的长宽分别为2mm和1mm，框型电极的条状电极部的各条状电极403和等宽间隙404的宽度均为23μm，且等宽间隙404由光刻胶填充，光刻胶厚度为1μm；第二电极203具有与第一电极201相同的材质，选用金属铝作为电极材料，并通过半导体光刻技术均匀覆盖于KTP晶体202的相对表面上，且第一电极和第二电极厚度均为100nm。
通过图4所示的KTP晶体的周期极化装置控制在第一电极201和第二电极203之间电极线组的极化条件，极化条件主要包括脉冲电压、脉冲宽度、弛豫时间、脉冲个数，实现介于第一电极201和第二电极203之间的KTP晶体材料202的极化反转，从而在KTP晶体材料202内部形成周期性的畴结构。
其中，极化条件具体为：脉冲电压为2.01kV，脉冲宽度为1.6ms，弛豫时间为20ms，脉冲数目为≥1。
根据设置脉冲宽度、压电常数和KTP晶体流经电流，计算压电常数为2时所需极化的面积、极化所需的电荷量、极化所需要的时间和所需加载的高压脉冲数量，并完成高压脉冲电压加载。
测试KTP晶体的实际压电常数值，设置直流电压值为100V，加载直流电压于KTP晶体第一电极201和第二电极203对KTP晶体进行极化，在每次加载直流电压完成后，判断KTP晶体是否完成周期极化，若还未完成周期极化，则重复此步骤直至完成KTP晶体的周期极化，制备的周期反转畴结构的+Z面和-Z面，如图5和图6所示。
本发明通过对KTP晶体畴反转最后两个阶段畴壁扩展的调控，提高KTP晶体反转畴的质量，使得反转畴的占空比接近50％，提高了光学转换效率，达到了对KTP晶体更有效利用的目的。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.KTP晶体的并联点触式周期电极图案，其特征在于，包括第一电极和第二电极，第一电极和第二电极分别设于KTP晶体基片的-Z面和+Z面上；
第一电极包括若干个间隔并排设置的框型电极；
第二电极为金属电极；
框型电极包括第一带半圆电极部、第二带半圆电极部和条状电极部，条状电极部置于第一带半圆电极部和第二带半圆电极部之间，第一带半圆电极部通过条状电极部与第二带半圆电极部电连接；
第一带半圆电极部和第二带半圆电极部均由半径为r的半圆和长宽分别为2r、r的长方形组成；
条状电极部包括多个条状电极，相邻条状电极间为等宽空隙。
2.根据权利要求1所述的KTP晶体的并联点触式周期电极图案，其特征在于，并排设置的相邻框型电极的间隔与相邻条状电极间的等宽空隙相等。
3.根据权利要求1所述的KTP晶体的并联点触式周期电极图案，其特征在于，第一电极的各个框型电极的边缘与KTP晶体的边缘为等宽均匀空隙。
4.根据权利要求1所述的KTP晶体的并联点触式周期电极图案，其特征在于，第一电极的空隙部分均填充光刻胶。
5.根据权利要求1所述的KTP晶体的并联点触式周期电极图案，其特征在于，条状电极部的各条状电极均与KTP晶体的Y向平行。
6.根据权利要求3和4所述的KTP晶体的并联点触式周期电极图案，其特征在于，条状电极部的单个条状电极的宽度与相邻条状电极间的等宽空隙宽度之比为1:5～1:1，并且单个条状电极的宽度为1～200μm；
第一带半圆电极部和第二带半圆电极部的半圆半径r为0.5mm～1mm；
第一电极和第二电极的厚度为50～500nm；
KTP晶体的基片厚度为0.5mm～1mm；
第一电极的各个框型电极的边缘与KTP晶体的边缘的等宽均匀空隙的宽度为0.5～2mm；
填充光刻胶的厚度为0.5-5μm。
7.KTP晶体的周期极化装置，其特征在于，基于权利要求1-6任意一项所述的KTP晶体的并联点触式周期电极图案，包括信号发生器、高压放大器、设有并联点触式周期电极图案的KTP晶体和示波器；
信号发生器的一端通过高压放大器分别与KTP晶体的第一电极的间隔并排设置的框型电极和电阻R2连接，KTP晶体的第二电极与电阻R1串联后与信号发生器的另一端连接，电阻R2与电阻R3串联后与信号发生器的另一端连接；
信号发生器发出任意波形脉冲，经过高压放大器放大脉冲信号并输出高压，通过与间隔并排设置的框型电极一一对应且并联连接的探针施加在设有并联点触式周期电极图案的KTP晶体上，示波器通过电压差分探头分别连接电阻R1和电阻R3的两端，分别监测电阻R1和电阻R3的电压波形，实现对极化过程中KTP晶体上加载电压与流经电流的监测。
8.KTP晶体的周期极化方法，其特征在于，基于权利要求7所述的KTP晶体的周期极化装置，包括：
信号发生器发出任意波形脉冲，经过高压放大器放大脉冲信号并输出高压，通过与间隔并排设置的框型电极一一对应且并联连接的探针施加在设有并联点触式周期电极图案的KTP晶体上；
设置输出高压脉冲参数，即极化参数，极化参数包括脉冲电压、脉冲宽度、弛豫时间、脉冲数量；
根据设置脉冲宽度、压电常数和KTP晶体流经电流，计算压电常数为2时所需极化的面积、极化所需的电荷量、极化所需要的时间和所需加载的高压脉冲数量，并完成高压脉冲电压加载
测试KTP晶体的实际压电常数值，设置直流电压值，加载直流电压于KTP晶体第一电极和第二电极对KTP晶体进行极化，在每次加载直流电压完成后，判断KTP晶体是否完成周期极化，若还未完成周期极化，则重复此步骤直至完成KTP晶体的周期极化。
9.根据权利要求8所述的的KTP晶体的周期极化方法，其特征在于，在每次加载直流电压完成后，判断是否完成周期极化的条件为：
-0.2≤d″33≤0.2
其中，d′′33为每次直流电压加载完成后测得的实际压电常数d33值；若满足条件，则结束直流电压加载。
10.根据权利要求8所述的KTP晶体的周期极化方法，其特征在于，
当压电常数d33＝2时，极化所需的面积为：
其中，d′33为KTP晶体测得的初始d33值，S0为d33＝0时极化所需的面积；
KTP晶体极化所需的电荷量为：
Q＝Ps·S
其中，Ps为KTP晶体的自发极化强度，S为d33＝2时极化所需的面积；
极化电路输入电荷量为：
Q＝fIdt
其中，I为测得的通过R1的实时电流大小，即通过KTP晶体的实时电流大小，t为电流加载在KTP晶体上的时间；
根据加载高压脉冲电压时示波器监测的R1的电压波形，计算KTP晶体经过高压脉冲极化使d33＝2时所需要的时间t；
根据选定的脉冲宽度和时间t，计算所需加载的脉冲数量。
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