RU2371746C1 - Method of forming domain structure in single-crystal wafer of non-linear optical ferroelectric material - Google Patents
Method of forming domain structure in single-crystal wafer of non-linear optical ferroelectric material Download PDFInfo
- Publication number
- RU2371746C1 RU2371746C1 RU2008119933/28A RU2008119933A RU2371746C1 RU 2371746 C1 RU2371746 C1 RU 2371746C1 RU 2008119933/28 A RU2008119933/28 A RU 2008119933/28A RU 2008119933 A RU2008119933 A RU 2008119933A RU 2371746 C1 RU2371746 C1 RU 2371746C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- strip electrode
- nonlinear optical
- plate
- domain structure
- formation
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к нелинейной оптике и оптоэлектронике, в частности к области нелинейно-оптического преобразования частоты лазерного излучения, и может быть использовано в оптических системах записи и считывания информации, в волоконно-оптической связи и в лазерных проекционных системах.The invention relates to nonlinear optics and optoelectronics, in particular to the field of nonlinear optical frequency conversion of laser radiation, and can be used in optical systems for recording and reading information, in fiber optic communication and in laser projection systems.
Формирование доменной структуры в нелинейно-оптическом сегнетоэлектрике является одним из способов создания элементов для преобразования частоты лазерного излучения, например, для создания эффективных недорогих источников лазерного излучения в сине-зеленой части оптического спектра [W.P.Risk, T.R.Gosnell, A.V.Nurmicco. Compact blue-green Lasers. - Cambridge: Cambridge University Press, 2003. - 540 с.].The formation of a domain structure in nonlinear optical ferroelectric is one of the ways to create elements for converting the frequency of laser radiation, for example, to create efficient inexpensive sources of laser radiation in the blue-green part of the optical spectrum [W.P. Risk, T.R. Gosnell, A.V. Nurmicco. Compact blue-green Lasers. - Cambridge: Cambridge University Press, 2003. - 540 p.].
Известен способ формирования доменной структуры в кристалле калий-титанил-фосфата для нелинейного преобразования частоты лазерного излучения (патент РФ №2044337 С1, МПК7 С30В 33/02, C30B 33/04, С30В 33/00, H01L 41/00, С30В 29/30) путем формирования доменной структуры, состоящей из сегнетоэлектрических доменов противоположной ориентации с периодом, определяемым разностью волновых векторов излучения основной и преобразованной частоты. На поверхность кристалла наносят пленку из материала, имеющего коэффициент теплового расширения и значение электропроводности, отличные от тех же параметров кристалла, а доменную структуру формируют либо с помощью нагрева до 850°С и охлаждения до комнатной температуры либо только путем охлаждения кристалла калий-титанил-фосфат ниже комнатной температуры. Из-за разницы коэффициентов теплового расширения между диэлектриком и кристаллом в подложке возникают растягивающие и сжимающие механические напряжения, приводящие вследствие пьезоэлектрического эффекта к возникновению знакопеременного электрического поля, имеющего компоненту, направленную противоположно вектору спонтанной поляризации кристалла. Создаваемые по данному способу доменные структуры являются приповерхностными, что не позволяет использовать их для создания источников лазерного излучения высокой мощности из-за оптического повреждения, вызванного высокой плотностью лазерного излучения. Кроме того, данный способ использует тот факт, что высокая проводимость калий-титанил-фосфата (в 103-104 раз больше, чем у ниобата лития), препятствует образованию доменов в области, не покрытой пленкой. Это не позволяет использовать данный способ в материалах с низкой проводимостью, например в ниобате лития или танталате лития.A known method of forming a domain structure in a potassium titanyl phosphate crystal for nonlinear conversion of the frequency of laser radiation (RF patent No. 2044337 C1, MPK7 C30B 33/02, C30B 33/04, C30B 33/00, H01L 41/00, C30B 29/30 ) by forming a domain structure consisting of ferroelectric domains of opposite orientation with a period determined by the difference of the wave vectors of radiation of the fundamental and converted frequency. A film of a material having a thermal expansion coefficient and conductivity value different from the same crystal parameters is applied to the crystal surface, and a domain structure is formed either by heating to 850 ° C and cooling to room temperature or only by cooling a potassium titanyl phosphate crystal below room temperature. Due to the difference in the thermal expansion coefficients between the dielectric and the crystal, tensile and compressive mechanical stresses arise in the substrate, which, due to the piezoelectric effect, lead to the appearance of an alternating electric field having a component opposite to the spontaneous polarization vector of the crystal. The domain structures created by this method are near-surface, which does not allow using them to create high-power laser radiation sources due to optical damage caused by a high density of laser radiation. In addition, this method uses the fact that the high conductivity of potassium titanyl phosphate (10 3 -10 4 times greater than that of lithium niobate), prevents the formation of domains in the area not covered by the film. This does not allow the use of this method in materials with low conductivity, for example, lithium niobate or lithium tantalate.
Известен способ формирования доменных структур в ниобате лития прямой записью сфокусированным электронным пучком (H.Ito, C.Takyu, H.Inaba. Fabrication of periodic domain grating in LiNbO3 by electron beam writing for application of nonlinear optical processes. Electronics Letters, 1991, V.27, P.1221-1222). В данном способе на одну из полярных поверхностей (+z) пластины нелинейно-оптического сегнетоэлектрика ниобата лития наносят сплошную металлическую маску, например Сr. На вторую полярную поверхность воздействуют сфокусированным электронным пучком. При этом в месте воздействия пучка образуется домен противоположного направления поляризации. Таким образом, задавая путь перемещения сфокусированного пучка по поверхности, можно создавать доменную структуру определенной конфигурации. Недостатками способа являются невозможность поляризовать кристаллы толщиной более 0,2-0,5 мм, невозможность получать доменные структуры площадью более 1 см2 и сравнительно большое время, необходимое для создания доменных структур из-за использования последовательной записи.A known method of forming domain structures in lithium niobate by direct recording by a focused electron beam (H. Ito, C. Takyu, H. Inaba. Fabrication of periodic domain grating in LiNbO 3 by electron beam writing for application of nonlinear optical processes. Electronics Letters, 1991, V.27, P.1221-1222). In this method, a solid metal mask, for example Cr, is applied to one of the polar surfaces (+ z) of a plate of a nonlinear optical ferroelectric lithium niobate. The second polar surface is affected by a focused electron beam. In this case, a domain of the opposite direction of polarization is formed at the site of the beam impact. Thus, by setting the path for the focused beam to move along the surface, it is possible to create a domain structure of a certain configuration. The disadvantages of the method are the inability to polarize crystals with a thickness of more than 0.2-0.5 mm, the inability to obtain domain structures with an area of more than 1 cm 2 and the relatively large time required to create domain structures due to the use of sequential recording.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к настоящему способу является способ формирования доменной структуры в нелинейно-оптической пластине сегнетоэлектрика с помощью электрического поля (Патент США 5193023, G02F 1/03; G11C 11/22, опубликованный 09.03.1993) (прототип). Способ включает следующие этапы: на противоположных полярных поверхностях пластины формируют электроды, хотя бы один из которых выполняется по определенному рисунку (конфигурации), полосовой электрод. Затем к электродам прикладывают напряжение, приводящее к формированию доменной структуры в соответствии с конфигурацией полосового электрода. Варианты способа предусматривают приложение постоянного напряжения или импульса напряжения между электродами. Защищен также вариант нанесения одного из электродов по определенному рисунку на дополнительный слой диэлектрического материала, наносимого на соответствующую поверхность пластины.The closest in technical essence and the achieved effect to the present method is a method of forming a domain structure in a nonlinear optical ferroelectric plate using an electric field (U.S. Patent 5193023, G02F 1/03; G11C 11/22, published 09.03.1993) (prototype). The method includes the following steps: electrodes are formed on opposite polar surfaces of the plate, at least one of which is made according to a specific pattern (configuration), a strip electrode. Then a voltage is applied to the electrodes, leading to the formation of a domain structure in accordance with the configuration of the strip electrode. Variants of the method include the application of a constant voltage or voltage pulse between the electrodes. The option of applying one of the electrodes according to a specific pattern to an additional layer of dielectric material deposited on the corresponding surface of the plate is also protected.
Согласно этому способу приложение электрического напряжения между электродами приводит к перевороту направления спонтанной поляризации сегнетоэлектрика и формированию доменов в областях, соответствующих рисунку электрода. Известная технология фотолитографии позволяет создавать произвольный рисунок электрода с высокой точностью и воспроизводимостью.According to this method, the application of electrical voltage between the electrodes leads to a flip of the direction of spontaneous polarization of the ferroelectric and the formation of domains in the regions corresponding to the pattern of the electrode. The well-known photolithography technology allows you to create an arbitrary electrode pattern with high accuracy and reproducibility.
Дополнительное нанесение диэлектрической пленки перед нанесением электрода позволяет избежать повреждения кристалла при прохождении тока в процессе приложения электрического напряжения.Additional application of a dielectric film before applying the electrode avoids damage to the crystal during the passage of current during the application of electrical voltage.
Защищен также вариант, предусматривающий дополнительный нагрев образца до температуры в диапазоне от 150 до 1200°С для уменьшения величины коэрцитивного поля.The option is also protected, providing for additional heating of the sample to a temperature in the range from 150 to 1200 ° C to reduce the coercive field.
Недостатком прототипа является уширение образующихся доменов за пределы отдельных полос электрода, что не позволяет создавать домены с геометрическими параметрами (формой и размерами), точно соответствующими рисунку электрода, а также ограничивает минимальный период структуры (не менее 2 мкм). Кроме того, в ниобате лития, легированном MgO, за счет пространственной неоднородности легирования формирование доменов под полосовым электродом происходит не одновременно, что приводит к разрастанию ранее образовавшихся доменов за пределы отдельных полос электрода, в то время как позднее образовавшиеся еще не достигают краев отдельных полос электрода.The disadvantage of the prototype is the broadening of the resulting domains beyond the individual strips of the electrode, which does not allow you to create domains with geometric parameters (shape and size) that exactly match the pattern of the electrode, and also limits the minimum period of the structure (at least 2 microns). In addition, in lithium niobate doped with MgO, due to the spatial inhomogeneity of doping, the formation of domains under the strip electrode does not occur simultaneously, which leads to the growth of previously formed domains beyond the limits of individual electrode bands, while later formed ones do not yet reach the edges of individual electrode bands .
Таким образом, задачей изобретения является создание прецизионного способа одновременного формирования доменной структуры в монокристаллической пластине нелинейно-оптического сегнетоэлектрика с геометрическими параметрами, соответствующими рисунку полосового электрода.Thus, the object of the invention is to provide a precision method for the simultaneous formation of a domain structure in a single crystal plate of a nonlinear optical ferroelectric with geometric parameters corresponding to the pattern of a strip electrode.
Предлагаемый нами способ формирования доменной структуры в монокристаллической пластине нелинейно-оптического сегнетоэлектрика включает воздействие на нее высокого напряжения, приложенного между металлическими электродами, расположенными на противоположных полярных гранях пластины, причем один из них выполняют в виде полос определенной конфигурации (полосовой электрод) для формирования доменной структуры соответствующей конфигурации. На поверхность пластины с полосовым электродом воздействуют, по меньшей мере, одиночным импульсом лазерного излучения, обеспечивающим неоднородный нагрев поверхностного слоя пластины и образование под полосовым электродом приповерхностных доменов при последующем охлаждении после окончания импульса лазерного излучения, а высокое напряжение прикладывают между электродами одновременно или после воздействия импульса лазерного излучения, в результате чего формируется доменная структура, точно соответствующая рисунку полосового электрода.Our proposed method for the formation of a domain structure in a single-crystal plate of a nonlinear optical ferroelectric involves exposure to a high voltage applied between metal electrodes located on opposite polar faces of the plate, one of which is made in the form of strips of a certain configuration (strip electrode) to form a domain structure appropriate configuration. At least a single laser pulse is applied to the surface of the wafer with a strip electrode, providing nonuniform heating of the surface layer of the wafer and the formation of surface domains under the strip electrode during subsequent cooling after the end of the laser pulse, and a high voltage is applied between the electrodes simultaneously or after the pulse laser radiation, resulting in the formation of a domain structure that exactly matches the pattern of a strip electron troda.
На поверхность монокристаллической пластины нелинейно-оптического сегнетоэлектрика с полосовым электродом можно воздействовать многократно.The surface of a single-crystal plate of a nonlinear optical ferroelectric with a strip electrode can be repeatedly affected.
В качестве нелинейно-оптического сегнетоэлектрика можно использовать ниобат лития или ниобат лития, легированный MgO. В качестве нелинейно-оптического сегнетоэлектрика можно использовать танталат лития или танталат лития, легированный MgO.As a nonlinear optical ferroelectric, lithium niobate or lithium niobate doped with MgO can be used. As a nonlinear optical ferroelectric, lithium tantalate or lithium tantalate doped with MgO can be used.
Параметры импульса лазерного излучения для облучения монокристаллической пластины нелинейно-оптического сегнетоэлектрика выбирают так, чтобы не происходило испарение полосового электрода.The parameters of the laser pulse for irradiating a single crystal plate of a nonlinear optical ferroelectric are selected so that evaporation of the strip electrode does not occur.
Высокое напряжение, прикладываемое между электродами одновременно с воздействием импульса лазерного излучения, может не превышать коэрцитивное значение.The high voltage applied between the electrodes simultaneously with the action of a laser pulse may not exceed the coercive value.
Сущность изобретения поясняется следующим образом. Монокристаллический нелинейно-оптический сегнетоэлектрик, например ниобат лития или танталат лития, является материалом, имеющим в некотором диапазоне температур спонтанную поляризацию, направление которой можно изменять с помощью внешних воздействий, например с помощью приложения электрического поля. Спонтанная поляризация в таких материалах может принимать только определенные направления вдоль одной или более полярных осей. В частности, ниобат лития и танталат лития являются одноосными монокристаллами, таким образом имея только два возможных направления поляризации. Переключение поляризации в таких материалах происходит за счет формирования и роста областей с противоположным направлением поляризации - доменов.The invention is illustrated as follows. A single-crystal nonlinear optical ferroelectric, such as lithium niobate or lithium tantalate, is a material having spontaneous polarization in a certain temperature range, the direction of which can be changed by external influences, for example, by applying an electric field. Spontaneous polarization in such materials can take only certain directions along one or more polar axes. In particular, lithium niobate and lithium tantalate are uniaxial single crystals, thus having only two possible directions of polarization. Switching polarization in such materials occurs due to the formation and growth of regions with the opposite direction of polarization - domains.
Воздействие импульсом лазерного излучения на поверхность пластины с нанесенным полосовым электродом приводит к поглощению энергии излучения полосовым электродом и монокристаллической пластиной оптически-нелинейного сегнетоэлектрика. Так как коэффициент поглощения металлического электрода существенно выше, чем у материала пластины, то происходит более сильный нагрев полосового электрода по сравнению с материалом пластины. Неоднородный нагрев поверхностного слоя пластины, например, может быть обеспечен различием коэффициентов поглощения и подбором такой длительности импульса лазерного излучения, при которой за время импульса не происходит существенного выравнивания температуры вдоль поверхности пластины за счет температуропроводности. Таким образом, достигается более сильный нагрев поверхностного слоя пластины в области под полосовым электродом по сравнению с областями, не покрытыми электродом, что является важной особенностью данного способа. После окончания импульса лазерного излучения температура пластины в областях под полосовым электродом уменьшается за счет изменения температуры в поверхностном слое, что приводит к увеличению спонтанной поляризации и появлению пироэлектрического поля в направлении, противоположном спонтанной поляризации. Возникающее пироэлектрическое поле приводит к формированию приповерхностных доменов.The action of a laser pulse on the surface of a plate coated with a strip electrode leads to the absorption of radiation energy by a strip electrode and a single-crystal plate of an optically nonlinear ferroelectric. Since the absorption coefficient of the metal electrode is significantly higher than that of the plate material, a more intense heating of the strip electrode occurs compared to the plate material. Inhomogeneous heating of the surface layer of the plate, for example, can be provided by a difference in the absorption coefficients and by choosing a pulse duration of laser radiation such that during the pulse there is no significant temperature equalization along the surface of the plate due to thermal diffusivity. Thus, a stronger heating of the surface layer of the plate is achieved in the area under the strip electrode compared to areas not covered by the electrode, which is an important feature of this method. After the end of the laser pulse, the temperature of the plate in the regions below the strip electrode decreases due to a change in temperature in the surface layer, which leads to an increase in spontaneous polarization and the appearance of a pyroelectric field in the direction opposite to spontaneous polarization. The resulting pyroelectric field leads to the formation of surface domains.
Проведенный нами расчет пространственного распределения проекции пироэлектрического поля на полярную ось, возникающего при охлаждении после неоднородного нагрева поверхности пластины с полосовыми электродами в результате воздействия импульса лазерного излучения, показал наличие следующих особенностей:Our calculation of the spatial distribution of the projection of the pyroelectric field on the polar axis that occurs during cooling after inhomogeneous heating of the surface of the plate with strip electrodes as a result of the action of a laser pulse showed the following features:
- под краями полос полосового электрода возникает максимальное значение проекции на полярную ось пироэлектрического поля, способствующего формированию приповерхностных доменов;- under the edges of the strips of the strip electrode, the maximum value of the projection onto the polar axis of the pyroelectric field arises, which contributes to the formation of near-surface domains;
- знак проекции пироэлектрического поля на полярную ось между полосами полосового электрода препятствует переключению поляризации, что приводит к подавлению роста формирующихся приповерхностных доменов за пределы электродов. Формирование приповерхностных доменов в результате воздействия импульса лазерного излучения существенно улучшает пространственную однородность процесса формирования доменной структуры, что позволяет создавать доменную структуру, точно соответствующую рисунку полосового электрода.- the sign of the projection of the pyroelectric field on the polar axis between the strips of the strip electrode prevents polarization switching, which leads to suppression of the growth of the formed surface domains beyond the electrodes. The formation of near-surface domains as a result of exposure to a laser pulse significantly improves the spatial uniformity of the formation of the domain structure, which allows you to create a domain structure that exactly matches the pattern of the strip electrode.
На Фиг.1 показана схема образования приповерхностных доменов под краями полос полосового электрода: 1 - пластина нелинейно-оптического сегнетоэлектрика с нанесенным на одну из поверхностей полосовым электродом 2 и сплошным электродом 3 на другую поверхность. На поверхность, покрытую полосовым электродом 2, воздействуют импульсом лазерного излучения 4, в результате чего под краями полос образуются приповерхностные домены 5.Figure 1 shows a diagram of the formation of near-surface domains under the edges of strips of a strip electrode: 1 - a plate of a nonlinear optical ferroelectric with a
Таким образом, импульсное воздействие лазерным излучением приводит к образованию приповерхностных доменов под краями полос полосового электрода, не выходящих за пределы полос. Одновременное или последующее приложение высокого напряжения между электродами приводит к разрастанию, слиянию и прорастанию сквозь пластину образовавшихся доменов, что приводит к формированию сквозной доменной структуры, соответствующей рисунку полосового электрода. На Фиг.2 показана схема формирования сквозной доменной структуры 7 при приложении высокого напряжения 6 между электродами 2 и 3, нанесенными на поверхности пластины 1.Thus, the pulsed action of laser radiation leads to the formation of surface domains under the edges of the strips of the strip electrode, not extending beyond the bands. The simultaneous or subsequent application of a high voltage between the electrodes leads to the growth, fusion, and germination of the formed domains through the plate, which leads to the formation of a through domain structure corresponding to the pattern of the strip electrode. Figure 2 shows a diagram of the formation of a through
На поверхность монокристаллической пластины нелинейно-оптического сегнетоэлектрика с полосовым электродом при необходимости можно многократно воздействовать импульсами лазерного излучения. Например, для увеличения плотности приповерхностных доменов под полосовым электродом.If necessary, laser pulses can repeatedly act on the surface of a single-crystal plate of a nonlinear optical ferroelectric with a strip electrode if necessary. For example, to increase the density of surface domains under a strip electrode.
В качестве нелинейно-оптического сегнетоэлектрика можно использовать, например, ниобат лития или ниобат лития, легированный MgO. Ниобат лития является одним из наиболее актуальных материалов для применений в нелинейной оптике за счет большого значения нелинейно-оптического коэффициента. Важно то, что ниобат лития оптического качества производится промышленно в виде кристаллов диаметром до 100 мм. Легирование ниобата лития MgO существенно увеличивает порог оптического повреждения, что позволяет, например, применять его для создания мощных лазеров, излучающих в сине-зеленой части спектра.As a nonlinear optical ferroelectric, for example, lithium niobate or lithium niobate doped with MgO can be used. Lithium niobate is one of the most relevant materials for applications in nonlinear optics due to the large value of the nonlinear optical coefficient. It is important that lithium niobate of optical quality is produced industrially in the form of crystals with a diameter of up to 100 mm. Doping of lithium niobate MgO significantly increases the threshold of optical damage, which allows, for example, to be used to create high-power lasers emitting in the blue-green part of the spectrum.
В качестве нелинейно-оптического сегнетоэлектрика можно использовать, например, танталат лития или танталат лития, легированный MgO. Танталат лития также является одним из наиболее актуальных материалов для применений в нелинейной оптике за счет большого значения нелинейно-оптического коэффициента. Важно, что танталат лития оптического качества также производится промышленно в виде кристаллов диаметром до 76 мм. Отличительная особенность танталата лития по сравнению с ниобатом лития заключается в сдвиге края поглощения (длина волны, соответствующая границе области оптического спектра, в которой материал существенно поглощает оптическое излучение) в стороны меньших длин волн, что позволяет получать излучение в области ближнего ультрафиолета. Легирование танталата лития MgO существенно увеличивает порог оптического повреждения, что позволяет, например, применять его для создания мощных лазеров, излучающих в сине-зеленой и ближней ультрафиолетовой частях спектра.As a nonlinear optical ferroelectric, for example, lithium tantalate or lithium tantalate doped with MgO can be used. Lithium tantalate is also one of the most relevant materials for applications in nonlinear optics due to the large value of the nonlinear optical coefficient. It is important that lithium tantalate of optical quality is also produced industrially in the form of crystals with a diameter of up to 76 mm. A distinctive feature of lithium tantalate compared to lithium niobate is the shift of the absorption edge (the wavelength corresponding to the boundary of the region of the optical spectrum in which the material substantially absorbs optical radiation) to shorter wavelengths, which makes it possible to obtain radiation in the near-ultraviolet region. Doping of lithium tantalate MgO significantly increases the threshold of optical damage, which allows, for example, to be used to create high-power lasers emitting in the blue-green and near ultraviolet parts of the spectrum.
Для реализации способа выбирают такие параметры импульса лазерного излучения для облучения монокристаллической пластины нелинейно-оптического сегнетоэлектрика, которые не приводят к испарению материала полосового электрода. Испарение материала полосового электрода не позволяет реализовать одновременное или последующее приложение электрического поля для формирования доменной структуры, состоящей из сквозных доменов. Такими параметрами импульса могут быть, например, длина волны излучения, длительность импульса и плотность энергии излучения.To implement the method, such parameters of the laser pulse are chosen for irradiation of a single crystal plate of a nonlinear optical ferroelectric that do not lead to evaporation of the strip electrode material. The evaporation of the material of the strip electrode does not allow the simultaneous or subsequent application of an electric field to form a domain structure consisting of through domains. Such pulse parameters may be, for example, the wavelength of the radiation, the duration of the pulse and the energy density of the radiation.
Для реализации способа можно выбирать такое высокое напряжение, прикладываемое между электродами одновременно с воздействием импульса лазерного излучения, которое не превышает значения коэрцитивного напряжения материала пластины. В предлагаемом способе прикладываемое высокое напряжение необходимо только для разрастания, слияния и прорастания сквозь пластину приповерхностных доменов, формирующихся в результате воздействия импульсом лазерного за счет пироэлектрического поля, в то время как в прототипе формирование доменной структуры происходит за счет приложения высокого напряжения выше коэрцитивного значения.To implement the method, you can choose such a high voltage applied between the electrodes simultaneously with the action of a laser pulse, which does not exceed the value of the coercive voltage of the plate material. In the proposed method, the applied high voltage is necessary only for the growth, fusion and germination through the plate of the surface domains formed as a result of exposure to a laser pulse due to the pyroelectric field, while in the prototype the formation of the domain structure occurs due to the application of a high voltage above the coercive value.
Изобретение поясняется примером реализации предлагаемого способа.The invention is illustrated by an example implementation of the proposed method.
В качестве монокристаллической пластины нелинейно-оптического сегнетоэлектрика берут плоскопараллельную монокристаллическую пластину ниобата лития, легированного 5% MgO, толщиной 1 мм и диаметром 76 мм, вырезанную перпендикулярно полярной оси и отполированную. На Z+ поверхность пластины известным методом фотолитографии формируют полосовой электрод, состоящий из периодически расположенных полос с периодом 6.95 мкм и шириной 1.5 мкм, толщиной 100 нм. При этом размеры области, на которую наносится полосовой электрод, задают, например, 5×10 мм. Полосы электрода ориентируют вдоль Y кристаллографического направления пластины. В качестве материала электродов используют Сr или Al, который наносят с помощью электронно-лучевого испарения в вакууме непосредственно на поверхность пластины или на подслой Сr для улучшения адгезии.As a single-crystal plate of a nonlinear optical ferroelectric, take a plane-parallel single-crystal plate of lithium niobate doped with 5% MgO, 1 mm thick and 76 mm in diameter, cut perpendicular to the polar axis and polished. On Z + , a strip electrode is formed on the plate surface by the known photolithography method, consisting of periodically arranged strips with a period of 6.95 μm and a width of 1.5 μm, a thickness of 100 nm. In this case, the dimensions of the region on which the strip electrode is applied are set, for example, 5 × 10 mm. The electrode strips are oriented along the Y crystallographic direction of the plate. As the material of the electrodes, Cr or Al is used, which is applied by electron beam evaporation in a vacuum directly to the surface of the plate or to the Cr sublayer to improve adhesion.
Поверхность пластины с полосовым электродом облучают импульсом инфракрасного лазерного излучения, например, с длиной волны 10.6 мкм и длительностью импульса 200 мкс. Плотность энергии лазерного излучения выбирают равной, например, 5 Дж/см2 при диаметре пятна 3 мм. Для используемых импульсов лазерного излучения и материала полосового электрода плотность энергии, при которой наблюдалось испарение электрода, составила 7 Дж/см2. В результате облучения под полосовым электродом формируются приповерхностные домены (Фиг.3). На Фиг 3 видны отдельные приповерхностные домены, образовавшиеся под краями отдельных полос полосового электрода.The surface of a plate with a strip electrode is irradiated with a pulse of infrared laser radiation, for example, with a wavelength of 10.6 μm and a pulse duration of 200 μs. The energy density of the laser radiation is chosen equal to, for example, 5 J / cm 2 with a spot diameter of 3 mm For the used pulses of laser radiation and the material of the strip electrode, the energy density at which the evaporation of the electrode was observed was 7 J / cm 2 . As a result of irradiation, near-surface domains are formed under the strip electrode (Figure 3). In Fig. 3, individual near-surface domains are visible formed under the edges of the individual strips of the strip electrode.
При многократном воздействии импульсами лазерного излучения, например 20 импульсов с паузой между ними 5 секунд, увеличивается плотность образующихся приповерхностных доменов (Фиг.4).With repeated exposure to pulses of laser radiation, for example, 20 pulses with a pause of 5 seconds between them, the density of the formed surface domains increases (Figure 4).
К электродам прикладывают программируемую серию однополярных прямоугольных импульсов высокого напряжения с амплитудой 1.5 кВ и длительностью 15 мс (коэрцитивное напряжение в данном материале составляет 5 кВ для пластины толщиной 1 мм (см. Н.Ishizuki, I.Shoji, Т.Taira, Periodical poling characteristics of congruent MgO : LiNbO3 crystals at elevated temperature // Applied Physics Letters. - 2003. - V.82, №23. - P.4062-4064). В результате приложения электрического напряжения разрастаются, сливаются и прорастают вглубь пластины приповерхностные домены, образовавшиеся в результате облучении импульсом лазерного излучения. В результате формируется структура, состоящая из периодически расположенных сквозных полосовых доменов, в соответствии с рисунком полосового электрода. На Фиг.5а,б показаны примеры изображений доменной структуры на Z+ поверхности пластины (Фиг.5а,б) и на поперечном сечении пластины (Фиг.5а,б), полученных в результате воздействия импульсного лазерного излучения и последующего приложения электрического поля.A programmable series of unipolar rectangular pulses of high voltage with an amplitude of 1.5 kV and a duration of 15 ms is applied to the electrodes (the coercive voltage in this material is 5 kV for a 1 mm thick plate (see N. Ishizuki, I. Shoji, T. Taira, Periodical poling characteristics of congruent MgO: LiNbO 3 crystals at elevated temperature // Applied Physics Letters. - 2003. - V.82, No. 23. - P.4062-4064). As a result of the application of electrical voltage, surface domains grow, merge and grow deeper into the plate, formed as a result of irradiation with a laser pulse. As a result, a structure is formed consisting of periodically arranged end-to-end strip domains, in accordance with the pattern of the strip electrode Fig. 5a, b shows examples of images of the domain structure on the Z + surface of the plate (Fig. .5a, b) obtained as a result of exposure to pulsed laser radiation and the subsequent application of an electric field.
Доменная структура наблюдалась с помощью известных методик оптической микроскопии после удаления электродов химическим травлением и известного метода селективного химического травления пластины концентрированной плавиковой кислотой (HF) в течение 5 минут.The domain structure was observed using known optical microscopy techniques after removal of the electrodes by chemical etching and the known method of selective chemical etching of the plate with concentrated hydrofluoric acid (HF) for 5 minutes.
Танталат лития является материалом изоморфным ниобату лития, в связи с чем формирование доменной структуры в соответствии с описанным способом происходит аналогично.Lithium tantalate is a material isomorphic to lithium niobate, and therefore the formation of a domain structure in accordance with the described method occurs in a similar way.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет формировать сквозные доменные структуры в монокристаллической пластине нелинейно-оптического сегнетоэлектрика в точном соответствии с рисунком полосового электрода, например периодические полосовые структуры для нелинейно-оптического преобразования частоты лазерного излучения, что может быть использовано в оптических системах записи и считывания информации, в волоконно-оптической связи и в лазерных проекционных системах.Thus, the proposed method allows the formation of end-to-end domain structures in a single crystal plate of a nonlinear optical ferroelectric in exact accordance with the pattern of a strip electrode, for example, periodic strip structures for nonlinear optical conversion of the frequency of laser radiation, which can be used in optical systems for recording and reading information, in fiber optic communication and in laser projection systems.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008119933/28A RU2371746C1 (en) | 2008-05-21 | 2008-05-21 | Method of forming domain structure in single-crystal wafer of non-linear optical ferroelectric material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008119933/28A RU2371746C1 (en) | 2008-05-21 | 2008-05-21 | Method of forming domain structure in single-crystal wafer of non-linear optical ferroelectric material |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2371746C1 true RU2371746C1 (en) | 2009-10-27 |
Family
ID=41353251
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008119933/28A RU2371746C1 (en) | 2008-05-21 | 2008-05-21 | Method of forming domain structure in single-crystal wafer of non-linear optical ferroelectric material |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2371746C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2492283C2 (en) * | 2011-12-08 | 2013-09-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Method for formation of bidomain structure in single-crystal plates |
| WO2019081376A1 (en) * | 2017-10-24 | 2019-05-02 | Westfälische Wilhelms-Universität Münster | Production of ferroelectric domains |
| RU191058U1 (en) * | 2018-12-26 | 2019-07-22 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Guided electro-optical zone plate |
-
2008
- 2008-05-21 RU RU2008119933/28A patent/RU2371746C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2492283C2 (en) * | 2011-12-08 | 2013-09-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Method for formation of bidomain structure in single-crystal plates |
| WO2019081376A1 (en) * | 2017-10-24 | 2019-05-02 | Westfälische Wilhelms-Universität Münster | Production of ferroelectric domains |
| RU191058U1 (en) * | 2018-12-26 | 2019-07-22 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Guided electro-optical zone plate |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5652674A (en) | Method for manufacturing domain-inverted region, optical wavelength conversion device utilizing such domain-inverted region and method for fabricating such device | |
| US5193023A (en) | Method of controlling the domain of a nonlinear ferroelectric optics substrate | |
| EP0532969B1 (en) | Process for fabricating an optical device for generating a second harmonic optical beam | |
| JPH10503602A (en) | Fabrication of patterned polarized dielectric structures and devices | |
| US7230753B2 (en) | Method for forming domain-inverted structure and optical element with domain-inverted structure | |
| JP3529144B2 (en) | Method of forming domain inversion structure of ferroelectric | |
| JPH06242478A (en) | Formation of domain inversion structure of ferroelectric substance | |
| JP3059080B2 (en) | Method for manufacturing domain-inverted region, optical wavelength conversion element and short wavelength light source using the same | |
| RU2371746C1 (en) | Method of forming domain structure in single-crystal wafer of non-linear optical ferroelectric material | |
| US6175578B1 (en) | Optical device | |
| JP3332363B2 (en) | Method of manufacturing domain-inverted region, optical wavelength conversion element using the same, and method of manufacturing the same | |
| RU2411561C1 (en) | Method of forming domain structure in single-crystal wafer of nonlinear optical ferroelectric material | |
| JP4081398B2 (en) | Optical wavelength conversion element | |
| JP5992346B2 (en) | Method for manufacturing wavelength conversion element | |
| JP2004246332A (en) | Method of forming polarity inversion structure and optical element having polarity inversion structure | |
| RU2439636C1 (en) | Method of forming domain structure in monocrystalline wafer of nonlinear-optic ferroelectric material | |
| JP3946092B2 (en) | Method for forming periodically poled structure | |
| US6529309B2 (en) | Production method of light wavelength converting element | |
| JP2002287191A (en) | Method for generating polarization reversal structure by femtosecond laser irradiation | |
| JP3398144B2 (en) | Method for manufacturing domain-inverted region | |
| JP3429502B2 (en) | Method for manufacturing domain-inverted region | |
| JP6446518B2 (en) | Method for manufacturing wavelength conversion element | |
| JPH05289134A (en) | Manufacture of non-linear optical device | |
| JPH07120798A (en) | Formation of optical wavelength conversion element | |
| KR100192989B1 (en) | Method of controlling the domain of a nonlinear ferroelectric optics substrate |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120522 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20130310 |
|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20140325 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190522 |