CN1379127A - 掺镁化学比铌酸锂周期极化微结构晶体的制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种制备掺镁化学比铌酸锂周期极化微结构晶体的工艺,属于非线性光学晶体材料技术领域。由于通常条件下生长出来的同成分本征铌酸锂晶体存在耐光损伤性能低、晶体组分波动大、均匀性和一致性差等缺点,不符合集成光学的要求,特别是制备周期极化全光微结构晶体时需要外加极高的电场,这带来许多困难,限制了晶体的使用。为此,本发明提供了一种解决这些技术问题的制备掺镁化学比铌酸锂周期极化微结构晶体的工艺,其技术方案是利用掺镁铌酸锂粉料,采用Czochralski晶体生长法制备铌酸锂晶体,再用汽相平衡扩散输运技术提高晶体组分的均匀性,在室温下低压极化,使晶体具有周期性的结构,该晶体可以广泛应用于倍频、差频、和频和光参量振荡等变频技术中。
Description
技术领域
本发明是一种制备掺镁化学比铌酸锂周期极化微结构晶体的一种工艺，属于非线性光学晶体材料技术领域。
背景技术
众所周知，在非线性光学技术领域，铌酸锂晶体是综合性能指标最佳的非线性光学晶体，铌酸锂晶体使用的很普遍，铌酸锂全光微结构晶体是目前实现准相位匹配技术的首选材料[1-2]。应当说，集成光学对铌酸锂基片的要求并不亚于集成电路之对硅片的要求。它具有大的非线性系数，宽的通光范围，制备工艺简单，成本低廉等一系列特点。实现激光倍频或激光参量过程的非线性晶体，除了必须满足相位匹配条件之外，还必须在这个匹配方向上尽可能具有较大的非线性光学系数。但由于通常条件下生长出来的本征铌酸锂晶体存在光折变引起的耐光损伤性能低、晶体组分波动大和均匀性差等特点，不符合优质光学器件的要求，特别是制备全光微结构所需的外加电场极高，而这将带来许多副作用：样品易击穿、晶体厚度小、周期极化微结构不均匀和不完整等。所有这些均限制了铌酸锂晶体周期极化微结构的实用化。如何既能降低铌酸锂晶体的光折变提高其耐光损伤性能，又能增大铌酸锂晶体周期极化微结构厚度，已成为当今各国科技工作者研究的热点[3-4]。
最近，我们的研究证实，化学比铌酸锂晶体([Li]/[Nb]≈1)与同成分铌酸锂晶体([Li]/[Nb]＝48.5∶51.5)相比，不仅具有更大的电光系数，而且能极大地降低晶体极化反转电场。低的极化电场不仅有利于增大晶体极化厚度、提高准相位匹配光波变换的转换效率，而且易于制作出极化结构均匀完美、精细优质的准相位匹配全光器件。
如上所述，化学比铌酸锂晶体具有优异的电光性能和低的极化电场，但其抗光损伤能力较低。最近Furukawa等人利用掺镁生长法生长出掺镁近化学比铌酸锂晶体，并对其进行了研究，研究表明在化学比铌酸锂晶体中只需掺入0.78mol％的镁，晶体无光损伤现象出现。从他们的报道来看，晶体中[Li]/[Nb]比很不均匀，且存在大量的生长条纹，晶体的不均匀性会直接影响器件的性能，大量的生长条纹的存在直接影响材料的强度和杂质的扩散及沉淀，且生长条纹的存在常常给材料的性能带来这样或那样的问题和影响。
因此，这种晶体(掺镁生长法生长出掺镁近化学比铌酸锂晶体)还不够理想。
发明内容
本发明目的在于提供一种比较理想的铌酸锂晶体—掺镁化学比铌酸锂周期极化微结构晶体的制备工艺，通过该工艺制备的铌酸锂晶体比上述本征铌酸锂晶体、化学比铌酸锂晶体和掺镁近化学比铌酸锂晶体性能都更加优越。本发明的技术方案是：用掺镁铌酸锂粉料装入白金坩埚内，用Czochralski提拉法制备铌酸锂晶体，经汽相平衡扩散工艺得到掺镁化学比铌酸锂晶体，再经高压极化得到掺镁化学比铌酸锂周期极化微结构晶体。
本发明掺镁化学比铌酸锂晶体具有组分高度均匀、强的耐光损伤强度、大的非线性系数和低的矫顽场，周期极化电场强度仅为1.2KV/mm，是极化本征铌酸锂晶体所需极化电场的1/20，即极化电场降低了一个多数量级；强的耐光损伤能力，即用波长为～500nm的高功率氩粒子激光器照射几乎无光损伤现象；用此晶体制作周期极化微结构晶体进行倍频光测试，可得到高达40％的倍频转换效率；用此晶体制作集成光学光波导，其波导模式和偏振性十分稳定。
具体的实施方式
本发明具体的实施步骤：(1)称取计量组成金属元素的Li2CO3、Nb2O5及MgO，在150℃下恒温2小时将粉料烘干，然后在混料机上充分混合24小时，在850℃恒温2小时，使充分分解，在1100℃煅烧2小时成掺镁铌酸锂粉料。(2)将该粉料压实，放入白金坩埚内，用中频炉加热，Czochralski提拉法沿c轴方向，按拉脖、放肩、等径、收尾等过程生长掺镁铌酸锂晶体，拉速1～3mm，转速15～30rpm，气液温差20℃，熔体内温度梯度1.5℃/mm，熔体上方温度梯度为1℃/mm。(3)生长后的晶体在1200℃单畴化、退火，经定向、切割、抛磨等工序，可得掺镁铌酸锂晶体。(4)将掺镁铌酸锂晶体沿Z向切割成厚度为1～3mm的晶片，然后再对晶片抛磨。(5)称取计量组成的Li2CO3和Nb2O5，在150℃下恒温2小时将粉料烘干，然后在粉料机上充分混合24小时，将粉料压实后，放置到白金坩埚内，在1050℃煅烧2小时成富锂铌酸锂源坩埚。(6)将晶片垂直悬挂在源坩埚上方，用白金盖将坩埚密闭，放入到中频炉加热进行汽相平衡扩散输运，升温梯度为10℃/min，在1100℃恒温120～360个小时，然后自然冷却到室温。(7)对汽相平衡扩散输运后的晶片进行抛磨光学加工，可得掺镁化学比铌酸锂晶体。(8)对一定厚度的Z切掺镁化学比铌酸锂晶片进行清洗，利用成熟的半导体工艺在晶片的+Z表面上进行光刻，刻蚀出按所设计掩膜版结构的扇形金属Al栅格电极，然后在电极上均匀涂抹一层抗蚀胶。(9)在室温下，将晶片的+Z和-Z面分别与液体电极相连，接到高压脉冲电源，对晶片施加一定脉冲幅度、宽度和个数的方形电脉冲进行极化。(10)将极化后的晶片浸入到有机溶液中去掉抗蚀胶和金属Al掩膜，然后对晶片进行清洗，最后对通光端面进行光学加工(可镀增透膜)，得到掺镁化学比铌酸锂全光微结构晶体。实施例
(1)称取计量组成[Li2CO3]/[Nb2O5]＝0.94及2mol％MgO，在150℃下恒温2小时将粉料烘干，然后在混料机上充分混合24小时，在850℃恒温2小时，使充分分解，在1100℃煅烧2小时成掺镁铌酸锂粉料。(2)将该粉料压实，放入白金坩埚内，用中频炉加热，Czochralski提拉法沿c轴方向按拉脖、放肩、等径、收尾等过程生长掺镁铌酸锂晶体，拉速3mm，转速27rpm，气液温差20℃，熔体内温度梯度1.5℃/mm，熔体上方温度梯度为1℃/mm。(3)生长后的晶体在1200℃单畴化、退火，经定向、切割、抛磨等工序，可得掺镁铌酸锂晶体。(4)将掺镁铌酸锂晶体沿Z向切割成厚度为2mm的晶片，然后再对晶片抛磨。(5)称取摩尔比[Li2CO3]/[Nb2O5]＝68/32，在150℃下恒温2小时将粉料烘干，然后在粉料机上充分混合24小时，将粉料压实后，放置到白金坩埚内，在1050℃煅烧2小时成富锂铌酸锂源坩埚。(6)将晶片垂直悬挂在源坩埚上方，用白金盖将坩埚密闭，放入到中频炉加热进行汽相平衡扩散输运，升温梯度为10℃/min，在1100℃恒温240个小时，然后自然冷却到室温。(7)对汽相平衡扩散输运后的晶片进行抛磨光学加工，可得厚为2mm的掺镁化学比铌酸锂晶体。(8)对一厚为2mm、长为15mm、宽为12mm的Z切掺镁化学比铌酸锂晶片进行清洗，利用成熟的半导体工艺在晶片的+Z表面上进行光刻，刻蚀出按所设计周期为5.2～6.8μm的扇形金属Al栅格电极，然后在电极上均匀涂抹厚为2nm的抗蚀胶。(9)在室温下，将晶片的+Z和-Z面分别与NaCl液体电极相连，接到高压脉冲电源，对晶片施加幅度为3KV、脉宽为30ms的10个方形电脉冲进行极化。(10)将极化后的晶片浸入到丙酮溶液中去掉抗蚀胶和金属Al掩膜，然后对晶片进行清洗，最后对通光端面进行光学加工(可镀增透膜)，入光面与出光面夹角为1°。得到厚为2mm的掺镁化学比铌酸锂全光微结构晶体。
参考文献：[1]M.H.Chou，Opt.Lett.24(16)(1999)1157[2]K.W.Aniolek，Opt.lett.25(8)(2000)557.[3]V.Gopalan，Appl.Phys.Lett.72(16)(1998)1981.[4]Grisard，Electron.Lett.36(12)(2000)1043.
Claims (8)
1.一种掺镁化学比铌酸锂周期极化微结构晶体的制备工艺，是利用Czochralski提拉法、切片等技术制备晶体，其特征在于采用Czochralski提拉法生长晶体时掺镁，之后进行汽相平衡扩散输运工艺，最后使用高压极化电场对晶体进行周期性极化。
2.按照权利要求1所说的掺镁化学比铌酸锂周期极化微结构晶体的制备工艺，其特征在于掺镁是称取计量组成金属元素的Li2CO3、Nb2O5及MgO，在150℃下恒温2小时将粉料烘干，然后在混料机上充分混合24小时，在850℃恒温2小时，使充分分解，在1100℃煅烧2小时得到掺镁铌酸锂粉料。
3.按照权利要求1所说的掺镁化学比铌酸锂周期极化微结构晶体的制备工艺，其特征在于汽相平衡扩散输运工艺是(1)称取计量组成的Li2CO3和Nb2O5，在150℃下恒温2小时将粉料烘干，然后在粉料机上充分混合24小时，将粉料压实后，放置到白金坩埚内，在1050℃煅烧2小时成富锂铌酸锂源坩埚。(2)将晶片垂直悬挂在源坩埚上方，用白金盖将坩埚密闭，放入到中频炉加热进行汽相平衡扩散输运，升温梯度为10℃/min，在1100℃恒温120～360个小时，然后自然冷却到室温。
4.按照权利要求1所说的掺镁化学比铌酸锂周期极化微结构晶体的制备工艺，其特征在于使用外加极化电场进行极化是在室温下，将晶片的+Z和-Z面分别与液体电极相连，接到高压脉冲电源，对晶片施加一定脉冲幅度、宽度和个数的方形电脉冲进行极化。
5.按照权利要求1所说的制备掺镁化学比铌酸锂周期极化微结构晶体的制备工艺，其特征在于使用的高压极化电场的脉冲电压是2.5～3KV。
6.按照权利要求1所说的掺镁化学比铌酸锂周期极化微结构晶体的制备工艺，其特征在于使用外加极化电场进行极化是在室温下进行。
7.按照权利要求1所说的掺镁化学比铌酸锂周期极化微结构晶体的制备工艺，其特征在于外加极化电场的电极是液体电极NaCl。
8.按照权利要求1所说的掺镁化学比铌酸锂周期极化微结构晶体的制备工艺，其特征在于晶片极化前进行光刻，刻蚀出按所设计掩膜版结构的扇形金属Al栅格电极，然后在电极上均匀涂抹一层抗蚀胶，最后对晶片进行极化，可得到具有渐变周期的扇形掺镁化学比铌酸锂周期极化微结构晶体。
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