DE4029852A1 - Electrically polarised domain prodn. in substrate - by laser beam heating ferroelectric substrate in electric field - Google Patents

Electrically polarised domain prodn. in substrate - by laser beam heating ferroelectric substrate in electric field

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Abstract

Prodn. of domains, which are electrically polarised in various directions, in a substrate, esp. for optical (frequency multiplication, involves local laser beam (2) heating of a ferroelectric substrate (1) to above its Cura temp. (Tc) in an electric field (E) aligned in one or other direction (r1,r2) to produce the individual polarised domains. Pref. the substrate (1) consists of BaTiO4, PbTiO4 or pref. LiNbO3. USE/ADVANTAGE - The domains are useful for quasi-phase matching second harmonic generation (QPM-SHG) in semiconductor laser applications. The resulting waveguide structure has improved structure quality esp. the requisite mfd. fineness and precision, and employs a substrate formed homogeneously of ferromagnetic optically non-linear material.

Description

Verfahren zur Herstellung von in verschiedenen Richtungen elektrisch gepolten Domänen in einem Substrat, insbesondere für die optische Frequenzvervielfachung.Process for making in different directions electrically poled domains in a substrate, in particular for optical frequency multiplication.

Die Erfindung betrifft nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1 ein Verfahren zur Herstellung von in verschiedenen Richtungen elektrisch gepolten Domänen in einem Substrat, insbesondere für die optische Frequenzvervielfachung.The invention relates to the preamble of the patent Proverb 1 a process for the production of in various Directions of electrically polarized domains in a substrate, especially for optical frequency multiplication.

Die optische Frequenzverdoppelung findet bei Halbleiterlasern Anwendung und ist in der Literatur mit SHG (second-harmonic generation) bezeichnet. Da die Leistung von Halbleiterlasern mit 0,01 bis 1 Watt klein ist, muß die SHG-Effizienz konse­ quent maximiert werden. Maßgebliche Faktoren hierbei sind:Optical frequency doubling takes place in semiconductor lasers Application and is in the literature with SHG (second harmonic generation). Because the performance of semiconductor lasers is small with 0.01 to 1 watt, the SHG efficiency must be cons quent maximized. Relevant factors are:

  • a) Es kommen nur Materialien mit hohen nichtlinearen Koeffi­ zienten in Frage. Feldvektoren und Ausbreitungsrichtungen der am Prozeß beteiligten Lichtwellen sind so zu wählen, daß die größten Elemente des SHG-Koeffizienten-Tensors zum Tragen kommen.a) Only materials with high nonlinear coefficients come in question. Field vectors and directions of propagation the light waves involved in the process are to be selected that the largest elements of the SHG coefficient tensor for Come wear.
  • b) Durch die Technik des "Phase-Matching", im folgenden mit PM bezeichnet (siehe z. B. F. Zernike: Applied Nonlinear Optics, Wiley 1977), wird beispielsweise optimale Energie­ einspeisung in die Oberwelle erreicht. PM wird z. B. dadurch erreicht, daß die unvermeidliche Brechzahldispersion zwi­ schen Grund- und Oberwelle gerade durch die Doppelbrechung (optische Anisotropie) kompensiert wird.b) By the technique of "phase matching", hereinafter with PM (see e.g. F. Zernike: Applied Nonlinear Optics, Wiley 1977), for example, is optimal energy feed into the harmonic reached. PM is z. B. thereby achieved that the inevitable refractive index dispersion between fundamental wave and harmonic wave due to birefringence (optical anisotropy) is compensated.

Die optimalen Richtungen nach Kriterium a) und Kriterium b) fallen in der Regel nicht zusammen. Die notwendigen Kompro­ misse gehen auf Kosten der SHG-Effizienz.The optimal directions according to criterion a) and criterion b) do not usually coincide. The necessary compro miss out on SHG efficiency.

  • c) Wenn Grund- und Oberwellen in einem Wellenleiter aus optisch nichtlinearem Material geführt sind, wird ver­ mieden, daß die fokussierte Lichtwelle durch Beugung divergiert. Vielmehr bleibt die hohe wirksame Feldstärke des fokussierten Lichtes über eine große Wechselwirkungs­ länge erhalten. Für einen vorgegebenen Fokusquerschnitt erhöht sich im Idealfall die Leistung des frequenzver­ doppelten Lichts quadratisch mit der wirksamen Länge des Wellenleiters bezogen auf die Länge des Freistahl-Fokus. Die speziellen Möglichkeiten und Probleme der Wellenleiter SHG (PM mit Modendispersion, Modenfeldüberlagerung) werden z. B. in Stegemann: Nonlinear Integrated Optics, J. Appl. Phys. 58 (1982), S. R57-R78 ausführlich behandelt.c) If fundamental and harmonic waves in a waveguide are guided optically non-linear material is ver avoided that the focused light wave by diffraction diverges. Rather, the high effective field strength remains of the focused light through a large interaction received length. For a given focus cross section Ideally, the performance of the freq double light square with the effective length of the Waveguide based on the length of the free steel focus. The special possibilities and problems of waveguides SHG (PM with mode dispersion, mode field overlay) e.g. B. in Stegemann: Nonlinear Integrated Optics, J. Appl. Phys. 58 (1982), pp. R57-R78.

Die nichtlinearen Koeffizienten guter gebräuchlicher SHG- Materialien sind beispielsweise,
LiNbO3, d31 : 6 pm/V,
LiNbO3, d33 : 50 pm/V,
KNbO3, d32 : 15 pm/V,
MNA(organisches Material) d11 : 160 pm/V.The nonlinear coefficients of good common SHG materials are, for example,
LiNbO 3 , d 31 : 6 pm / V,
LiNbO 3 , d 33 : 50 pm / V,
KNbO 3 , d 32 : 15 pm / V,
MNA (organic material) d 11 : 160 pm / V.

Normales PM mit Doppelbrechung ist bei LiNbO3 nur für den relativ kleinen Koeffizienten d31 möglich, die kürzestes dabei erreichbare Wellenlänge beträgt etwa 500 nm, während der Transmissionsbereich des Materials bis etwa 400 nm reicht.Normal PM with birefringence is only possible with LiNbO 3 for the relatively small coefficient d 31 , the shortest wavelength that can be achieved is approximately 500 nm, while the transmission range of the material extends to approximately 400 nm.

Es wurde bereits in den 60iger Jahren vorgeschlagen, anstelle des normalen PM eine Quasi-Phase-Matching-Technik (QPM) ein­ zusetzen (siehe beispielsweise F. Zernike: Applied Nonlinear Optics, Wiley 1977; Bloembergen: Phys. Rev. 127 (1962) S. 1918; US-Patent 33 84 433). Zum Verständnis dieses SHG-Ver­ fahrens brachte man die das nichtlineare Material durchlau­ fende Grundwelle einer Frequenz ü , die phasenstarr an die Grundwelle gekoppelte harmonische Ladungsverschiebungs-Welle (HLW-Komponente mit der Frequenz 2ω) sowie die von der La­ dungsverschiebungswelle angeregte freilaufende Oberwelle der Frequenz 2ω. Bei normaler Dispersion läuft die Oberwelle etwas langsamer als die Grundwelle und die HLW. It was suggested as early as the 1960s, instead of the normal PM a quasi phase matching technique (QPM) add (see for example F. Zernike: Applied Nonlinear Optics, Wiley 1977; Bloembergen: Phys. Rev. 127 (1962) p. 1918; U.S. Patent 3,384,433). To understand this SHG-Ver driving, the non-linear material was brought through fundamental wave of a frequency ü which is phase locked to the Fundamental wave coupled harmonic charge shift wave (CPR component with the frequency 2ω) as well as that of the La movement shift excited free-running harmonic of the Frequency 2ω. With normal dispersion, the harmonic runs slightly slower than the fundamental wave and CPR.  

Bei normalem PM werden die Ausbreitungsgeschwindigkeiten und damit die Brechzahlen für Grund- und Oberwelle exakt gleich­ gemacht. Beim QPM läßt man zunächst durch die unterschiedli­ chen Geschwindigkeiten eine Phasendifferenz zwischen der HLW- und der Oberwelle entstehen. Nach Durchlaufen einer bestimmten Länge 1 c erreicht die Phasendifferenz den Wert Π. Diese Pha­ senverschiebung verhindert, daß weitere Energie von der HLW in die Oberwelle eingespeist wird. Der Kunstgriff besteht nun darin, gerade am Ort 1 c die HLW umzupolen. Das entspricht einer Rückstellung der Phase um die störende Differenz Π, wo­ durch der Anfangszustand wieder hergestellt ist. Die HLW im anschließenden Längenintervall trägt somit wieder phasenrich­ tig zum Aufbau der Oberwelle bei. Für eine Vielzahl von Län­ genintervallen gesehen, resultiert eine kontinuierlich an­ wachsende Oberwelle. Die lokale Phasendifferenz bleibt immer zwischen 0 und Π. Wegen der endlichen Phasendifferenz, deren Mittelwert bei Π/2 ist das abgestrahlte harmonische Feld um den Faktor 2/Π=0,64 kleiner als im Fall von normalem PM mit exakt verschwindender Phasendifferenz. Im allgemeinen wird diese Effizienzverminderung beim QPM mehr als ausgeglichen durch den Wegfall der bei normalem PM bestehenden Einschrän­ kung hinsichtlich Richtung und Frequenz der beteiligten Wel­ len.With normal PM, the propagation speeds and thus the refractive indices for fundamental and harmonic waves are made exactly the same. With the QPM, a phase difference between the CPR and the harmonic can be caused by the different speeds. After passing through a certain length 1 c , the phase difference reaches the value Π. This phase shift prevents further energy from the CPR from being fed into the harmonic wave. The trick is to reverse the CPR at location 1 c . This corresponds to a reset of the phase by the disturbing difference wo, where the initial state is restored. The CPR in the subsequent length interval thus again contributes to the build-up of the harmonic phase. Seen over a variety of length intervals, the harmonic wave grows continuously. The local phase difference always remains between 0 and Π. Because of the finite phase difference, whose mean value at Π / 2, the emitted harmonic field is smaller by a factor of 2 / Π = 0.64 than in the case of normal PM with an exactly vanishing phase difference. In general, this reduction in efficiency in QPM is more than compensated for by the elimination of the restriction in the case of normal PM with regard to the direction and frequency of the waves involved.

In der Praxis wurde QPM an LiNbO3-Bulk-Kristallen demon­ striert, die in Form von periodischen, antiparallel gepolten ferroelektrischen Domänen strukturiert waren (siehe beispiels­ weise D. Feng et al: Appl. Phys. Lett. 37 (1980) S. 607; A. Feist, P. Koidl: Appl. Phys. Lett. 47 (1985) S. 1125 und Xue et al: Chinese Physics, Vol. 4 (1984) S. 555). Die Domä­ nendicke h war hier etwa 4 µm. Es konnte hierbei der größere nicht lineare Koeffizient d33 über mehrere hundert Domänen mit einer Gesamtlänge von etwa 1 mm genutzt und die SHG-Effizienz 17fach gegenüber einem unstruktierten Kristall gleicher Länge mit d31-PM verbessert werden. In practice, QPM was demonstrated on LiNbO 3 bulk crystals which were structured in the form of periodic, anti-parallel polarized ferroelectric domains (see, for example, D. Feng et al: Appl. Phys. Lett. 37 (1980) p. 607 ; A. Feist, P. Koidl: Appl. Phys. Lett. 47 (1985) p. 1125 and Xue et al: Chinese Physics, Vol. 4 (1984) p. 555). The domain thickness h was about 4 µm here. The larger non-linear coefficient d 33 could be used over several hundred domains with a total length of about 1 mm and the SHG efficiency could be improved 17-fold compared to an unstructured crystal of the same length with d 31 -PM.

In ähnlichen SHG-Versuchen mit QPM-LiNbO3 soll in Stanford (USA) auch der bei 420 nm liegende blaue Spektralbereich zugänglich gemacht worden sein (siehe Magel et al: Tagungs­ vortrag THQ3, CLEO, 1989, Baltimore).Similar SHG experiments with QPM-LiNbO 3 are said to have made the 420 nm blue spectral range accessible in Stanford (USA) (see Magel et al: conference lecture THQ3, CLEO, 1989, Baltimore).

Von Somekh und Yariv gibt es Vorschläge für Wellenleiter-SHG mit QPM durch künstliche periodische Strukturen, z. B. wellen­ förmige Deformationen der Wellenleiteroberfläche (siehe Somekh: Appl. Phys. Lett. 21 (1972) S. 140) oder periodische Modulation der nichtlinearen Koeffizienten des Wellenleiter­ materials zwischen 0 und einem Maximalwert (siehe Somekh: Opt. Comm. 6 (1972) S. 301). In dieser letztgenannten Litera­ turstelle wird ein Realisierungsvorschlag für Schichtwellen­ leiter gemacht.Somekh and Yariv have proposed waveguide SHG with QPM through artificial periodic structures, e.g. B. waves shaped deformations of the waveguide surface (see Somekh: Appl. Phys. Lett. 21 (1972) p. 140) or periodic Modulation of the non-linear coefficients of the waveguide materials between 0 and a maximum value (see Somekh: Opt. Comm. 6 (1972) p. 301). In this latter litera door station becomes a realization proposal for layered waves made ladder.

Es wurden auch auf der Oberfläche von LiNbO3-Wafern Domänen erzeugt (siehe Lim et al: Tagungsvortrag THQ4, CLEO, 1989, Baltimore). Anschließend wurde durch Protonenaustausch ein planarer Wellenleiter auf diesem Wafer erzeugt und daran QPM-SHG für 1064 nm demonstriert.Domains were also created on the surface of LiNbO 3 wafers (see Lim et al: conference lecture THQ4, CLEO, 1989, Baltimore). A planar waveguide was then produced on this wafer by proton exchange and QPM-SHG for 1064 nm was demonstrated there.

Den Vorteilen der QPM-Technik stehen die Schwierigkeiten bei der Herstellung der periodisch alternierend elektrisch ge­ polten Domänen gegenüber. Diese Schwierigkeiten bestehen im wesentlichen darin, daß die Herstellung dieser periodisch alternierend gepolten Domänen mit der notwendigen Präzision von etwa 1 µm in der Praxis nur teilweise gelungen ist.The advantages of QPM technology are supported by the difficulties the manufacture of the periodically alternating electrical ge opposite poland domains. These difficulties exist in essential in that the manufacture of this periodically alternately poled domains with the necessary precision of about 1 µm was only partially successful in practice.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs ge­ nannten Art anzugeben, bei dem die für QPM-SHG geeignete optische Wellenleiteranordnung mit besserer Strukturqualität, insbesondere mit der nötigen Feinheit und Präzision herstell­ bar ist.The object of the invention is to provide a method of ge specified type in which the suitable for QPM-SHG optical waveguide arrangement with better structure quality, especially with the necessary fineness and precision is cash.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. This task is carried out in the characterizing part of the Features specified claim 1 solved.  

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß die zur Erzeugung kurzwelligen (blauen) Lichts bei 1 bis 3 µm liegenden Strukturbreiten 1 c über der gesamten SHG-Struktur mit einer typischen Dimension von 1 bis 4 µm auf Bruchteile von 1c d. h. etwa auf 0,5 µm eingehalten werden können.An advantage of the method according to the invention is that the structure widths for generating short-wave (blue) light at 1 to 3 μm are 1 c over the entire SHG structure with a typical dimension of 1 to 4 μm to fractions of 1 c, ie approximately to 0 , 5 µm can be maintained.

Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß anstelle laminierter Substrate (siehe D. Feng et al: Appl. Phys. Lett. 37 (1980) S. 607) ein Substrat verwendet wird, das homogen aus dem ferromagnetischen optisch nichtlinearen Material besteht.An essential feature of the method according to the invention consists in that instead of laminated substrates (see D. Feng et al: Appl. Phys. Lett. 37 (1980) p. 607) a substrate is used that is homogeneous from the ferromagnetic optical non-linear material.

So kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Substrat aus reinem LiNbO3, reinem BaTiO4 oder reinem PbTiO4 bestehen (Anspruch 2). Vorzugsweise besteht das Substrat aus LiNbO3 (Anspruch 3).In the method according to the invention, the substrate can consist of pure LiNbO 3 , pure BaTiO 4 or pure PbTiO 4 (claim 2). The substrate preferably consists of LiNbO 3 (claim 3).

Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens gehen aus weiteren Unteransprüchen hervor.Further preferred and advantageous embodiments of the inventions The method according to the invention result from further subclaims forth.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Figur beispielhaft näher erläutert.The invention is described in the following description the figure explained by way of example.

Die Figur zeigt im Querschnitt ein auf einem Schiebetisch be­ festigtes beidseitig mit Elektroden versehenes Substrat mit durch fokussierte Laserstrahlung erzeugten, entgegengesetzt gepolten Domänen.The figure shows in cross section a be on a sliding table solidified substrate provided with electrodes on both sides generated by focused laser radiation, opposite polar domains.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt der Gedanke zugrunde, ein kleines Volumen des Substrats in der Größenordnung von wenigen µm3 durch einen starken Laserimpuls über die Curie- Temperatur Tc des Substrats zu erhitzen. Bei Verwendung von LiNbO3 als beispielhaftes Substratmaterial muß die Impuls­ energie dabei sehr genau kontrolliert werden, da die Schmelz­ temperatur dieses Materials nur etwa 50°C über der Curie- Temperatur Tc liegt. Die Wellenlänge des Lasers sollte dabei im UV-Bereich, etwa bei 300 nm liegen, da LiNbO3 in diesem Bereich bereits starke Absorption zeigt. Es ist möglich, daß sich mit bestimmten Impulsparametern die spontane Polarisation in der über die Curie-Temperatur Tc erhitzten Zone entgegen­ gesetzt wie in den kälteren Bereichen einstellt.The inventive method is based on the idea of heating a small volume of the substrate in the order of a few μm 3 by means of a strong laser pulse above the Curie temperature T c of the substrate. When using LiNbO 3 as an exemplary substrate material, the pulse energy must be controlled very precisely, since the melting temperature of this material is only about 50 ° C above the Curie temperature T c . The wavelength of the laser should be in the UV range, around 300 nm, since LiNbO 3 already shows strong absorption in this range. It is possible that, with certain pulse parameters, the spontaneous polarization in the zone heated above the Curie temperature T c is opposite to that in the colder areas.

Das Substrat wird vorzugsweise auf einem x-y-Verschiebetisch gehaltert, so daß jeder Punkt der Substratoberfläche mit dem Laserfokus abgetastet werden kann. Damit können dann beliebige Domänenstrukturen an der Oberfläche des Kristalls erzeugt werden. Die örtliche Auflösung der Domänengeometrie wird durch die thermische Diffusionslänge im Substratmaterial bestimmt. Eine gezielte Polung des Substratmaterials wird normalerweise durch das Anlegen eines elektrischen Feldes an das über die Curie-Temperatur Tc erhitzte Substrat bewirkt. Dazu werden auf das Substrat Elektroden aufgebracht, so daß beim Anlegen einer Spannung ein Strom fließt und ein elektrisches Feld erzeugt wird.The substrate is preferably held on an xy shift table so that each point of the substrate surface can be scanned with the laser focus. Any domain structure can then be generated on the surface of the crystal. The local resolution of the domain geometry is determined by the thermal diffusion length in the substrate material. A targeted polarity of the substrate material is normally brought about by applying an electric field to the substrate heated above the Curie temperature T c . For this purpose electrodes are applied to the substrate so that a current flows when an voltage is applied and an electric field is generated.

Bei dem in der Figur dargestellten Substrat 1 ist die Ober­ fläche 10 mit einer Elektrode 41 und die entgegengesetzte Substratoberfläche 15 mit einer Gegenelektrode 42 versehen. Das derart kontaktierte Substrat 1 ist auf einem x-y-Ver­ schiebetisch 3 befestigt, der beispielsweise in Richtung des Doppelpfeiles R und senkrecht zur Zeichenebene verschiebbar ist.In the substrate 1 shown in the figure, the upper surface 10 is provided with an electrode 41 and the opposite substrate surface 15 with a counter electrode 42 . The substrate 1 contacted in this way is attached to an xy-Ver sliding table 3 , which can be moved, for example, in the direction of the double arrow R and perpendicular to the plane of the drawing.

Die fokussierte Laserstrahlung 2 wird auf die Substratober­ fläche 10 oder knapp darunter fokussiert, wobei sich ein kleines Volumen des Substrats 1 unter der Oberfläche 10 über die Curie-Temperatur Tc erhitzt. Durch Anlegen einer Spannung U zwischen den Elektroden 41 und 42 kann im Substrat 1 ein elektrisches Feld E erzeugt werden, welches das über die Curie-Temperatur Tc erhitzte Volumen im Substrat 1 in der Richtung r1 polt. Nach Abkühlung des Substrats 1 unter die Curie-Temperatur Tc ist dieses Volumen permanent in der Rich­ tung r1 gepolt. Dieses Verfahren wird an einem nächsten zu polenden Punkt mit umgepolter Spannung, die ein umgepoltes elektrisches Feld -E im Substrat 1 erzeugt, wiederholt. Es entsteht ein kleines Volumen im Substrat 1, das in der ent­ gegengesetzten Richtung r2 permanent gepolt ist. Bei einem nächsten Punkt wird die Umpolung der Spannung und des Feldes wieder rückgängig gemacht und es entsteht wieder ein kleines Volumen, das permanent in der Richtung r1 gepolt ist. Durch Fortführen des Verfahrens mit in der einen und der entgegen­ gesetzten Richtung ausgerichtetem elektrischem Feld kann eine lückenlose Reihe von periodisch alternierend gepolten Domänen 11 und 12 erzeugt werden, die durch die permanent in der Richtung r1 bzw. r2 gepolten kleinen Volumina des Substrats 1 definiert sind.The focused laser radiation 2 is focused on the substrate surface 10 or just below it, with a small volume of the substrate 1 being heated below the surface 10 above the Curie temperature T c . By applying a voltage U between the electrodes 41 and 42 , an electrical field E can be generated in the substrate 1 , which poles the volume in the substrate 1 heated via the Curie temperature T c in the direction r 1 . After cooling the substrate 1 below the Curie temperature T c , this volume is permanently polarized in the direction r 1 . This process is repeated at a next point to be polarized with the polarity reversed, which generates a polarized electric field -E in the substrate 1 . There is a small volume in the substrate 1 , which is permanently polarized in the opposite direction ent 2 . At a next point, the polarity reversal of the voltage and the field is reversed again and a small volume is created again, which is permanently polarized in the direction r 1 . By continuing the method with an electric field aligned in one direction and in the opposite direction, a gapless series of periodically alternatingly polarized domains 11 and 12 can be generated, which are caused by the small volumes of the substrate 1 permanently polarized in the direction r 1 and r 2, respectively are defined.

Die Domänen 11 und 12 können auch so erzeugt werden, daß die Elektrode 41 auf der Oberfläche 10 des Substrats 1 aus gut absorbierendem, hochschmelzendem Material, beispielsweise aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt, besteht. Das Substrat 1 wird homogen bis knapp unter die Curie-Temperatur Tc erhitzt. Bei Verwendung von LiNbO3 kann das Substrat 1 beispielsweise auf etwa 1000° erhitzt werden, wobei beim Anlegen einer Span­ nung U ein Strom durch das Substrat 1 fließen kann. Der Vor­ teil dieser homogenen Erhitzung des Substrats 1 liegt darin, daß nunmehr mit einem Dauerstrich-Laser relativ geringer Leistung die Curie-Temperatur Tc erreicht oder überschritten werden kann. Die Leistung der Laserstrahlung ist dabei so einzustellen, daß die als Absorptionsschicht wirkende Elek­ trode 41 lokal so stark erhitzt wird, daß auch ein kleiner Bereich in der Größenordnung eines µm3 des darunterliegenden Substrats über die Curie-Temperatur Tc erhitzt wird. Durch die zwischen den Elektroden 41 und 42 anliegende Spannung U bzw. den Strom, der durch die zusätzlich lokal erhitzte Zone fließt, wird eine Polung oder Umpolung dieser Zone bewirkt. Wiederum kann durch Abrastern der Substratoberfläche und/oder durch entsprechende Strukturierung der als Absorptionsschicht wirkenden Elektrode 41 eine beliebige Domänenstruktur erzeugt werden.The domains 11 and 12 can also be produced in such a way that the electrode 41 on the surface 10 of the substrate 1 consists of a highly absorbent, high-melting material, for example a metal with a high melting point. The substrate 1 is heated homogeneously to just below the Curie temperature T c . When using LiNbO 3 , the substrate 1 can, for example, be heated to approximately 1000 °, a current being able to flow through the substrate 1 when a voltage U is applied. The part before this homogeneous heating of the substrate 1 is that the Curie temperature T c can now be reached or exceeded with a relatively low power continuous wave laser. The power of the laser radiation is to be set so that the electrode 41 acting as an absorption layer is locally heated to such an extent that even a small area of the order of one μm 3 of the underlying substrate is heated via the Curie temperature T c . The voltage U present between the electrodes 41 and 42, or the current flowing through the additionally locally heated zone, causes a polarity or polarity reversal of this zone. Again, any domain structure can be generated by scanning the substrate surface and / or by appropriately structuring the electrode 41 acting as an absorption layer.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von in verschiedenen Richtungen (r1, r2) elektrisch gepolten Domänen (11, 12) in einem Sub­ strat, insbesondere für die optische Frequenzvervielfachung, dadurch gekennzeichnet, daß an der Oberfläche (10) des Substrats (1) einzelne gepolte Domänen (11, 12) durch lokales Erhitzen des aus ferroelektrischem Material bestehenden Substrats (1) über die Curie-Temperatur (Tc) dieses Materials in einem in einer Richtung (r1 oder r2) oder einer anderen Richtung (r2 bzw. r1) ausgerichteten elek­ trischen Feld (E) mittels einer Laserstrahlung (2) erzeugt werden.1. A method for producing in different directions (r 1 , r 2 ) electrically poled domains ( 11 , 12 ) in a sub strat, in particular for optical frequency multiplication, characterized in that on the surface ( 10 ) of the substrate ( 1 ) individual polar domains ( 11 , 12 ) by locally heating the substrate ( 1 ) made of ferroelectric material above the Curie temperature (T c ) of this material in one direction (r 1 or r 2 ) or in another direction (r 2 or r 1 ) aligned electric field (E) are generated by means of laser radiation ( 2 ). 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Material des Substrats (1) aus der aus den Stoffen (LiNbO3, BaTiO4 und PbTiO4) bestehenden Gruppe ausgewählt ist.2. The method according to claim 1, characterized in that the material of the substrate ( 1 ) is selected from the group consisting of the substances (LiNbO 3 , BaTiO 4 and PbTiO 4 ). 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Substrat (1) aus LiNbO3 besteht.3. The method according to claim 2, characterized in that the substrate ( 1 ) consists of LiNbO 3 . 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbe­ sondere nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine im UV-Bereich liegende Laser­ strahlung (2) verwendet wird.4. The method according to any one of the preceding claims, in particular special claim 3, characterized in that a laser radiation lying in the UV range ( 2 ) is used. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Laserstrahlung (2) mit einer Wellenlänge von etwa 300 nm verwendet wird.5. The method according to claim 4, characterized in that a laser radiation ( 2 ) is used with a wavelength of about 300 nm. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) auf einem Schiebetisch (3) gehaltert wird, mit dem jeder gewünschte Punkt der Oberfläche (10) des Substrats (1) mit der Laserstrahlung (2) abtastbar ist. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the substrate ( 1 ) is held on a sliding table ( 3 ) with which each desired point of the surface ( 10 ) of the substrate ( 1 ) with the laser radiation ( 2 ) can be scanned is. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zum Anlegen der elektrischen Felder (E, -E) an das Substrat (1) Elektroden (41, 42) zum Anlegen einer Spannung (U, -U) an dem Substrat (1) angebracht werden.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that for applying the electric fields (E, -E) to the substrate ( 1 ) electrodes ( 41 , 42 ) for applying a voltage (U, -U) to the substrate ( 1 ) be attached. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das auf einander gegenüberliegenden Seiten mit Elektroden (41, 42) zum Anlegen einer elektrischen Spannung (U, -U) versehene Substrat (1) homogen auf eine er­ höhte Temperatur unterhalb der Curie-Temperatur (Tc) erhitzt wird.8. The method according to claim 7, characterized in that the on opposite sides with electrodes ( 41 , 42 ) for applying an electrical voltage (U, -U) provided substrate ( 1 ) homogeneously to an elevated temperature below the Curie Temperature (T c ) is heated. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Domänen (11, 12) durch lokales Erhitzen des homogen erhitzten Substrats (1) mittels einer Dauerstrich-Laserstrahlung über die Curie-Temperatur (Tc) erzeugt werden.9. The method according to claim 8, characterized in that the domains ( 11 , 12 ) are generated by local heating of the homogeneously heated substrate ( 1 ) by means of a continuous wave laser radiation above the Curie temperature (T c ). 10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Oberfläche (10) des Sub­ strats (1), an der die Domänen (11, 12) erzeugt werden, mit einem oberhalb der erhöhten Temperatur des homogen erhitzten Substrats (1) schmelzenden, die Laserstrahlung (2) absorbie­ renden Material beschichtet wird.10. The method according to claim 8 or 9, characterized in that the surface ( 10 ) of the substrate ( 1 ), on which the domains ( 11 , 12 ) are generated, with a above the elevated temperature of the homogeneously heated substrate ( 1st ) melting, the laser radiation ( 2 ) absorbing material is coated.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE4212372A1 (en) * 1992-04-13 1993-10-14 Sohler Wolfgang Optical waveguide with ferroelectric micro-domain inversion - uses periodic micro-domain inversion zones in cut surface of crystal perpendicular to given optical axis
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WO2019081376A1 (en) * 2017-10-24 2019-05-02 Westfälische Wilhelms-Universität Münster Production of ferroelectric domains

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