一种大厚度周期极化铁电晶体材料的制备方法

摘要

本发明公开了一种大厚度周期极化铁电晶体材料的制备方法，包括：在铁电晶体材料的+z面蒸镀透明电极；将该蒸镀有透明电极的铁电晶体材料的+z面与另一铁电晶体材料的+z面进行键合，得到复合铁电晶体；在该复合铁电晶体上下两面均蒸镀金属电极，然后对蒸镀金属电极的复合铁电晶体进行极化，得到大厚度周期极化铁电晶体材料。利用本发明，可制备出大厚度周期极化铁电晶体材料。

权利要求

1.一种大厚度周期极化铁电晶体材料的制备方法，其特征在于，包括：在铁电晶体材料的+z面蒸镀透明电极；

将该蒸镀有透明电极的铁电晶体材料的+z面与另一铁电晶体材料的+z面进行键合，得到复合铁电晶体；

在该复合铁电晶体上下两面均蒸镀金属电极，然后对蒸镀金属电极的复合铁电晶体进行极化，得到大厚度周期极化铁电晶体材料。

2.根据权利要求1所述的大厚度周期极化铁电晶体材料的制备方法，其特征在于，所述铁电晶体材料为铌酸锂，或为钽酸锂，或为KTP。

3.根据权利要求1所述的大厚度周期极化铁电晶体材料的制备方法，其特征在于，所述制备的大厚度周期极化铁电晶体材料，其厚度是毫米量级，大于1毫米，其铁电畴方向呈周期性或准周期性变化。

4.根据权利要求1所述的大厚度周期极化铁电晶体材料的制备方法，其特征在于，所述透明电极为周期或非周期的透明金属电极，厚度介于20-1000nm。

5.根据权利要求4所述的大厚度周期极化铁电晶体材料的制备方法，其特征在于，所述透明金属电极是氧化铟锡，或为其他透明金属电极。

6.根据权利要求1所述的大厚度周期极化铁电晶体材料的制备方法，其特征在于，所述对蒸镀金属电极的复合铁电晶体进行极化，其所需极化电压是相同厚度铁电晶体极化电压的一半。

7.根据权利要求1所述的大厚度周期极化铁电晶体材料的制备方法，其特征在于，所述对蒸镀金属电极的复合铁电晶体进行极化，是在复合铁电晶体上下两表面金属电极接负极，中间透明金属电极接正极，然后对该复合铁电晶体施加高脉冲电压。

8.根据权利要求7所述的大厚度周期极化铁电晶体材料的制备方法，其特征在于，所述高脉冲电压是指其电场强度大于晶体的矫顽场强，其大小为几十kV/mm。

说明书

一种大厚度周期极化铁电晶体材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及晶体材料处理技术领域，公开了一种大厚度周期极化铁电晶体材料的制备方法。

背景技术

[0002] 准相位匹配(Quasi-phase-matching)是非线性光学频率转换的一种重要技术，其思想最早由J.Armstrong等人于1962年提出，V.Berger于1998年将它推广到二维结构，并提出非线性光子晶体非线性光子晶体的概念。非线性频率转化中要求动量守恒，在普通非线性晶体中由于色散的存在较难实现，特别是同时多个非线性相互作用的，而非线性周期性结构提供的倒格矢则能较容易地实现相位匹配。通过在非线性介质中构造周期性的结构(非线性光子晶体)，它能有效的实现非线性频率转化。相对通常的完美相位匹配(温度匹配，角度匹配)，这种方法称为准相位匹配，它能更容易利用较大的非线性系数。因此，现在这种技术已广泛应用于非线性光学领域，并且实现了一些普通晶体中难以做到的现象。

[0003] 通过外加电场极化方法制备周期性反转铁电晶体，特别是制备周期性、准周期性反转铁电晶体是国内外研究的热点之一。根据文献1：“M.Yamada，N.Nada，M.Saitoh，and K.Watanabe，Appl.Phys.Lett.1993(62)：435”、文献2：“Shi-ning Zhu，Yong-yuan Zhu，Zhi-yong Zhang，Hong Shu，Hai-feng Wang，Jing-fen Hong，and Chuan-zhen Ge，J.Appl.Phys.1995(77)：1995”中公开报道的方法，利用室温外加脉冲电场可使铌酸锂或钽酸锂晶体实现周期性极化。

[0004] 在目前的准相位匹配光学超晶格介质中，PPLN(周期性极化铌酸锂)晶体是一种品质优良的非线性晶体，它的有效非线性系数大，通过范围大，可利用PPLN晶体实验波长连续、宽范围、高精度的调谐。但由于受到矫顽电场的限制，其极化厚度一般仅为0.5mm，这样就限制了晶体的通光孔径，不适宜做大功率下的频率变换，限制了准相位匹配介质的应用范围。目前，理想配比的LiNb03和掺镁的铌酸锂有望解决上述难题，利用这种新型的LiNb03可以制备厚度超过1mm的PPLN。

[0005] 近几年PPLN晶体质量不论是在实验室还是在商业上都取得了长足的进步，国外晶体厚度从最初的0.5mm发展到了商业上的3mm和实验室中的5mm。由于国内晶体击穿阈值电压的限制，PPLN晶体厚度一般为0.5～1.0mm。但是，为得到较大功率非线性效应的产生，必须增大极化晶体的厚度，进而增大其通光横截面积。

[0006] 到目前为止，小厚度的周期、准周期铌酸锂晶体的极化方法已趋于成熟，但是碍于铌酸锂晶体生长的均匀性以及外加电场极化方法的限制，在厚度大于2mm的晶体上实现外加电场周期性极化还很难实现。因此，我们通过铌酸锂-透明电极-铌酸锂键合的方式将相同厚度的铁电晶体所需电压减至一半，来突破外加电场极化方法制备大厚度周期极化晶体的限制。

发明内容

[0007] (一)要解决的技术问题

[0008] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种大厚度周期极化铁电晶体材料的制备方法，以解决制备大厚度周期性和准周期周期性反转铁电晶体材料的问题，达到制备大厚度周期性和准周期周期性反转铁电晶体材料的目的。

[0009] (二)技术方案

[0010] 为达到上述目的，本发明提供了一种大厚度周期极化铁电晶体材料的制备方法，包括：在铁电晶体材料的+z面蒸镀透明电极；将该蒸镀有透明电极的铁电晶体材料的+z面与另一铁电晶体材料的+z面进行键合，得到复合铁电晶体；在该复合铁电晶体上下两面均蒸镀金属电极，然后对蒸镀金属电极的复合铁电晶体进行极化，得到大厚度周期极化铁电晶体材料。

[0011] 上述方案中，所述铁电晶体材料为铌酸锂，或为钽酸锂，或为KTP，或为其他铁电晶体材料。

[0012] 上述方案中，所述制备的大厚度周期极化铁电晶体材料，其厚度是毫米量级，大于1毫米，其铁电畴方向呈周期性或准周期性变化。

[0013] 上述方案中，所述透明电极为周期或非周期的透明金属电极，厚度介于20-1000nm。所述透明金属电极是氧化铟锡(ITO)，或为其他透明金属电极。

[0014] 上述方案中，所述对蒸镀金属电极的复合铁电晶体进行极化，其所需极化电压是相同厚度铁电晶体极化电压的一半。

[0015] 上述方案中，所述对蒸镀金属电极的复合铁电晶体进行极化，是在复合铁电晶体上下两表面金属电极接负极，中间透明金属电极接正极，然后对该复合铁电晶体施加高脉冲电压。

[0016] 上述方案中，所述高脉冲电压是指其电场强度大于晶体的矫顽场强，其大小为几十kV/mm。

[0017] (三)有益效果

[0018] 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

[0019] 1、本发明提供的这种大厚度周期极化铁电晶体材料的制备方法，可以实现大厚度周期或准周期的周期性极化畴反转的晶体制备，可以解决极化过程中畴横向生长合并问题，达到制备均匀大厚度的周期性极化铁电晶体的目的。

[0020] 2、本发明提供的这种大厚度周期极化铁电晶体材料的制备方法，对任意铁电材料都能够实现。

[0021] 3、本发明提供的这种大厚度周期极化铁电晶体材料的制备方法，由于键合工艺的成熟，易于实现。

附图说明

[0022] 图1是依照本发明实施例的制备大厚度周期极化铁电晶体材料的方法流程图；

[0023] 图2-1至图2-3是依照本发明实施例的制备大厚度周期极化铁电晶体材料的工艺流程图；

[0024] 图3是依照本发明实施例的对蒸镀普通金属电极的复合铁电晶体进行极化的装置的示意图。

具体实施方式

[0025] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

[0026] 如图1所示，图1示出了依照本发明实施例的制备大厚度周期极化铁电晶体材料的方法流程图，该方法包括：在铁电晶体材料的+z面蒸镀透明电极；将该蒸镀有透明电极的铁电晶体材料的+z面与另一铁电晶体材料的+z面进行键合，得到复合铁电晶体；在该复合铁电晶体上下两面均蒸镀金属电极，然后对蒸镀金属电极的复合铁电晶体进行极化，得到大厚度周期极化铁电晶体材料。

[0027] 其中，在铁电晶体材料的+z面蒸镀透明电极是将氧化铟锡(ITO)或其他透明电极蒸镀到铁电晶体材料的+z面上；将该蒸镀有透明电极的铁电晶体材料的+z面与另一铁电晶体材料的+z面进行键合，是将另一铁电晶体材料的+z面与有蒸镀ITO的铁电晶体材料的+z面进行键合，得到复合铁电晶体。在该复合铁电晶体上下两面均蒸镀金属电极，然后对蒸镀金属电极的复合铁电晶体进行极化，是在键合得到的复合铁电晶体上下两面蒸镀普通金属电极，然后对蒸镀普通金属电极的复合铁电晶体进行极化。利用本发明可制备出大厚度周期极化铁电晶体材料。

[0028] 其中，所述的铁电晶体材料为铌酸锂，或为钽酸锂，或为KTP，或为其它铁电晶体材料。所述的厚度是毫米量级，大于1毫米。所述的大厚度周期极化铁电晶体材料是指其铁电畴方向呈周期性变化。所述的第一步中所需透明电极为透明金属电极，如ITO等材料，透明金属电极的厚度介于20-1000nm，需保证该电极是透明的。所述的该方法还包括制备大厚度的小周期、大周期、准周期极化晶体。所述的透明金属电极是周期或非周期的透明金属电极。所述对蒸镀金属电极的复合铁电晶体进行极化，是在复合铁电晶体上下两表面金属电极接负极，中间透明金属电极接正极，然后对该复合铁电晶体施加高脉冲电压。该高脉冲电压是指其电场强度大于晶体的矫顽场强，其大小为几十kV/mm。所述对蒸镀金属电极的复合铁电晶体进行极化，其所需极化电压是相同厚度铁电晶体极化电压的一半。

[0029] 基于图1所示的制备大厚度周期极化铁电晶体材料的方法，图2示出了依照本发明实施例制备大厚度周期极化铁电晶体材料的工艺流程图，该方法包括：

[0030] 如图2-1所示，在铁电晶体的+z面蒸镀周期为29μm的透明金属电极。

[0031] 如图2-2所示，将另一铁电晶体的+z面与蒸镀有透明金属电极的+z面进行键合，得到复合铁电晶体；在图2-1和图2-2中，所述的两极化晶体周期相同，厚度为0.5～1mm。

[0032] 如图2-3所示，在得到的复合铁电晶体的上下两面分别蒸镀普通金属电极，箭头标注方向为晶体需要极化的方向。

[0033] 最后，对蒸镀有普通金属电极的复合铁电晶体进行极化，晶体上下两表面普通金属电极接负极，中间透明金属电极接正极，如图3所示。

[0034] 本实施例中，通过键合得到厚度为2mm、周期为29μm的铌酸锂周期极化晶体，适用于波长为1064nm光波的光学参量振荡输出。

[0035] 图3是依照本发明实施例的对蒸镀普通金属电极的复合铁电晶体进行极化的装置的示意图，函数信号发生器发生所需要的任意波形脉冲，经过信号放大器放大脉冲信号并施加在铁电晶体样品上，示波器检测施加的脉冲信号电压及通过电阻R的电流波形。样品处放置蒸镀普通金属电极的复合铁电晶体。

[0036] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。