CN1213436A - 光学晶体的极化方法和配置 - Google Patents

光学晶体的极化方法和配置 Download PDF

Info

Publication number
CN1213436A
CN1213436A CN97192916A CN97192916A CN1213436A CN 1213436 A CN1213436 A CN 1213436A CN 97192916 A CN97192916 A CN 97192916A CN 97192916 A CN97192916 A CN 97192916A CN 1213436 A CN1213436 A CN 1213436A
Authority
CN
China
Prior art keywords
crystal
farmland
exchange
light
ion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN97192916A
Other languages
English (en)
Inventor
黑坎·卡尔森
冈纳·阿维德森
彼得·亨里克森
弗雷德里克·劳雷尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IDF INST FER OPTISK FORSKNING AB
Original Assignee
IDF INST FER OPTISK FORSKNING AB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from SE9600140A external-priority patent/SE9600140D0/xx
Priority claimed from SE9604264A external-priority patent/SE9604264D0/xx
Application filed by IDF INST FER OPTISK FORSKNING AB filed Critical IDF INST FER OPTISK FORSKNING AB
Publication of CN1213436A publication Critical patent/CN1213436A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/355—Non-linear optics characterised by the materials used
    • G02F1/3558—Poled materials, e.g. with periodic poling; Fabrication of domain inverted structures, e.g. for quasi-phase-matching [QPM]
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/14—Phosphates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B33/00—After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Polarising Elements (AREA)

Abstract

本发明涉及助熔剂生长的铁电晶体(14)的周期性变畴方法,其中晶体是低传导或制成低传导。本发明还涉及监视铁电晶体(14)变畴同时使用激光(36)的一种配置。本发明也涉及晶体(14)在周期性变畴的晶体(14)中的应用,部分用于通过非线性光学混频(倍频,产生差频,产生和频,光参量振荡等)产生新波长的光,部分用于例如光束调制的电光应用,和部分用于例如从在晶体上施加电压产生声波的声学应用。

Description

光学晶体的极化方法和配置
           发明领域
本发明涉及一种在极化前制备助熔剂生长的晶体的方法，和使用晶体的电光效应监视铁电晶体周期性极化的一种配置，以及下文阐述极化晶体的用途。本发明特别涉及周期性极化晶体的用途，部分通过非线性光学混频(倍频，产生差频，产生和频，光参量振荡等等)产生新波长的光或其他电磁辐射，部分用于诸如光束调制的电光应用，和部分用于如遍及晶体施加电压产生声波的声学应用。
              技术背景
非线性光学晶体、电光晶体和声光晶体的周期性极化晶体，如称为KTP的磷酸钛氧钾晶体及其同族的其他晶体，如公知的同形体砷酸钛氧钾KTA，砷酸钛氧铷RTA，砷酸钛氧铯CTA，磷酸钛氧铷RTP等等，皆优选通过所谓的助熔剂方法生长。
周期性极化的晶体主要用于非线性光学混频，特别是根据可得到的激光波长的光产生新波长的光。根据这个原理存在新辐射源的需求。但是，周期性极化的晶体也可用于电光应用和声学应用。声光应用的一个实例是布喇格晶格效应，亦即具有周期性变化的衍射指数的布喇格晶格在周期性极化晶体中响应通过均匀电极的介质向遍及晶体施加的电压而发生。例如，可利用这种性能调制或偏转激光束。
极化晶体也可用作所谓的声学传感器，亦即借助于压电效应来产生或检测声波。尽管周期性极化的晶体与标准晶体相比，在设计优良功能元件方面有明显的优点和更大的可能性，这些物理现象和应用本身都是熟知的。
准相位匹配，周期性极化晶体涉及这方面的内容是基于这样的原理，亦即在现存晶体中制造变换晶体取向的晶体周期有序区域，并随之周期性改变非线性光学、电光和声光特性。优选通过借助周期性电极结构遍及晶体施加电压而获得，并因此实现而不是机械式分解晶体。
公开的欧洲专利申请0687941A2告知，其中通过遍及基体或晶体施加偏斜电压形成转变或转换极性的铁电畴区域，已观察到能够预测流过基体的电流的增大。当检测到预先考虑或预测的电流时，就认为已发生极化并可关断电压。
             发明概述
本发明目的是能够从非周期性极化的助熔剂生长的晶体制造周期性极化的晶体，亦即所谓的单畴晶体。
本发明另一个目的是提供一种监视这种制作的方法。
本发明还一个目的是指出周期性极化晶体的用途或使用，通过非线性光学混频(倍频，产生差频，产生和频，光参量振荡等等)产生新波长的光(电磁辐射)。
本发明还可用于诸如光束调制的电光应用，和声学应用，如由遍及晶体施加的电压而产生声波。
为达到这些目的和目标，本发明提供一种方法，使助熔剂生长的KTP、KTA、RTP、RTA或CTA类铁电晶体周期性变畴，其中助熔剂生长的晶体或者有固有的或者就是低传导率，或者利用变畴装置进行变畴前制造的低传导。
在本发明的一个实施方案中，晶体是掺杂的，掺杂剂或掺杂剂类降低晶体传导率。掺杂剂或掺杂剂类可以是一种或多种的掺杂剂如Ga、Sc、Cr或Rb。
本发明另一个实施方案中，借助离子交换工艺进行变畴，其中在晶体表面产生低离子传导率的层，并且其中经过电压分压器施加的电压主要部分遍及所述的层，而且使产生的一种或多种的畴在电场作用下延及整个晶体生长。
变畴可以在两个实施方案中借助晶体一个侧面上施加的周期性电极达到。
电极优选是液体或金属电极，其中所谓的电极指针之间的绝缘可以是空气、某些其他气体、液体、玻璃、聚合物或真空。
根据一个选择性实施方案，仅在晶体的一个侧面上进行离子交换。
在另一个实施方案中，周期地进行离子交换以便获得具有空间变化的传导性的晶体，其中变畴仅在低传导性的产生区域进行。
在另一个实施方案，可跨越晶体整个表面进行离子交换以便降低传导率，并且进行第二次离子交换以恢复周期性高传导率，其中通过施加具有仅将低传导率区域的畴转换的电压的电脉冲进行变畴。
离子交换优选用以下离子的一种或多种进行，即Rb、Ba、Na、Cs、Tl、H、Li、Ca或Sr。
在另一个实施方案中，使用电光方法灵敏地监视变畴。也可在使用晶体电光效应的同时，借助监视铁电晶体周期性变畴的一种配置实现本发明的目的和目标，其中配置包括光产生装置，并且使产生的光与Z轴成直角传播通过晶体。
配置还包括跨越晶体Z方向的两个极施加电场的装置，其中一个极有一种周期性电极结构，能使以与所述Z轴成直角传播的光在不同极化方向之间有相位移。
在光的Z分量和其余任何一个分量之间的相移，依靠晶体的电光系数和施加的电场改变了光的极化状态，其中观察电压脉冲产生装置经过电场造成的变化和以光学方式经过接收相位移光装置所得的相移，就可得到并测定变畴。
光优选是产生的激光。
在配置的一实施方案中，用于接收相位移光的装置是一种测量所接收光强度的光电二极管，随后通过测量仪器分析二极管的输出信号并与施加的电压脉冲比较，其中通过使用短电压脉冲来比较从脉冲到脉冲的强度曲线形状来测定变畴，并且电压脉冲的改变决定应当停止变畴的最佳时间。
在配置的另一实施方案中，相位移光的晶体和接收相移光的装置都包括在一种干涉仪内，当干涉仪改变方向产生干涉光圈时停止变畴。
本发明还包括前述制备的已变畴的助熔剂生长铁电晶体的用途，这类晶体是KTP、KTA、RTP、RTA或CTA，用于相干光、其他合适的电磁辐射的变频，电光调制或声学应用，其中助熔剂生长的晶体或者有固有的低传导率或者在用变畴装置进行变畴前制成低传导的。
低传导同形体的定义，代替按照上述降低传导率目的制备的高传导同形体，优选与电光活性监视变畴一起，必须能够使KTP族晶体利用本发明方法和配置、也可用其他方法和配置周期性极化。而用公知的方法和配置不能得到满意的极化。
                 附图说明
现参照附图叙述本发明，使得更容易了解本发明和更加明了进而所作的实施方案。
图1图示说明，通过测量施加电压脉冲时进入晶体的电流，对非常低传导的晶体如何分开传导作用和极化作用；
图2示意说明按照本发明的一个实施方案监视极化助熔剂生长的晶体一种装置配置；和
图3示意说明怎样使用Mach-Zehnder干涉仪监视本发明另一个实施方案的极化工艺。
                优选实施方案详述
本发明涉及周期性极化磷酸钛氧钾(KTiOPO4)晶体和其他同族晶体的方法和配置，该晶体是助熔剂方法生长的，还涉及其用途领域。
磷酸钛氧钾(KTP)晶体有非常良好的非线性光学特性。该晶体可作标准用于倍频激光体系和光参量振荡。KTP属于MTiOXO4的同族晶体，其中M={K,Rb,Ti或Cs}并且X={P或As(单独的M=Cs)}。每个这些晶体彼此有稍微不同的性质，诸如非线性光学性，光传输范围，传导率等等。这些不同特性在制造激光体系及其最佳化方面可增强灵活性。
非线性光学中一个重要因素是所谓准相位匹配技术(QPM)的进展。这种技术中，非线性材料中的非线性被周期性调制，以便补偿在改变光波长的传播常数中的相失配。在倍频中，最普通最简单的非线性光学工艺，KTP可给出带有类型2相位匹配的倍频在大约绿光范围的波长，而不是再短一些。另一方面，由准相位匹配产生蓝光和UV辐射两者。
准相位匹配依靠使用最大的非线性系数d33的可能性给出比类型2相位匹配更高的效率，并且通过合适选择非线性调制的周期也允许在晶体的透明频谱范围内所有波长之间进行更替。相位匹配的主要工作已在波导结构上进行，其中借助结合热处理工艺的不同扩散方法已达到标准的周期性变畴。这些方法良好地适合波导，其中在设置波导的外层中进行变畴。
波导在使用二极管激光的低功率应用中特别有意义，其中光集中在高功率密度的较小截面积。另一方面，由于其中的高功率密度会造成波导损伤，波导不适合高功率应用。在后者情况下，整体晶体的频率转换通常被代替。这就能使光聚焦而并不达到损伤阈值，并能以高效率提供高功率。
在周期性制作极化(极性转换，变畴)的晶体，或在生长后随之极化的晶体中可得到整体晶体的准相位匹配。其中优选后者，因为这种方式可得到质量好得多的周期性图案。
1993年，Yamada等人在US 5193023中公开用高电压周期性极化铌酸锂晶体的倍频结果。该晶体较薄(＜0.2mm)并且是C向切割。在正性(c+)和负性(c-)表面上沉积金属电极。通过光刻方法在正性表面上使金属成周期性图案并且第二电极被全部覆盖。电极连接高脉冲电压装置，并用100ms周期的脉冲和24kV/mm的场强进行极化。
这个方法后来被几个厂家使用并且研究了不同方式的改良方法。为了得到优良的周期性变畴图案，必需将已极化区域和未极化区域有效地隔开。在其后期使用一种是良好绝缘体的光抗蚀剂。这将以下面两种方式进行。
首先，使用周期性金属电极并且光抗蚀剂沉积在整个电极及其之间的面积上。这将避免电极之间出现干扰场条纹，这种场条纹易于造成不合要求的变畴并削弱极化图案的结构。
周期性变畴使用的另一种方式只是制造一种周期性光抗蚀剂图案并且用液体电极电接触晶体。Webjon在电子通讯(Electronic Letters)，1994年，30卷，894页，开发的这种方法是最方便的方法而且能得到优良结果。
虽然周期性变畴主要研究在铌酸锂中，最近业已报导在钽酸锂和KTP的研究结果。Chen和Risk,“Chen,Risk，使用一种施加电场的磷酸钛氧钾周期性极化，电子通讯，30卷，1516-1517页(1994)”，用Webjoen使用的类似极化技术周期性极化1mm厚的KTP并以出兰光显示有效倍频。
铌酸锂是良好适合QPM的材料。它有较高的非线性并可制备有优良均匀性的大晶体。它可提供优良价格的器件而且是可重复制造的工艺提供。但是，同KTP相比，铌酸锂的周期性变畴有一些缺点。首先，极化技术难以递加到较厚的晶体。最近已制造0.5mm厚度的可用试样，而在第一个出版物就已极化到1mm厚度。
试样厚度对高功率激光器和光参量振荡器的频率转换特别明显。在高功率激光器情况下，根本不聚焦在非线性晶体是合乎要求的。当激光束直径超过1mm时，为避免边缘效应带来的问题要求晶体厚度有几个毫米。在光参数振荡器(OPOs)情况下，重要的是能够得到较长的长度，那么通过晶体聚焦导致在边缘的光束直径也要超过1mm。
OPOs是用光以角(速度)频率泵激的光源，角频率ω1=2πc/λ并且ω2和ω3由噪声产生。能量条件是ω1=ω2+ω3(1/λ1=1/λ2+1/λ3)。ω2和ω3由相位匹配条件k1=k2+k3决定，k=2πn/λ。当折射率n改变时λ2和λ3就改变，亦即得到可调谐光源；例如见A.Yariv，光电子(OpticalElectronics),ISBN 0-03-070289-5。
迄今为止，还没有想到可能极化铌酸锂至可预见未来的这些应用所必需的厚度。
就短波倍频到紫光和UV而言，在不远的将来成功地制造铌酸锂中优良极化的晶体也是不可能的，尽管KTP要好一些。
在Chen和Risk极化KTP时，他们周期地使用水热生长的晶体。这些晶体的特征一般是离子传导率低，在10-6S/cm数量级。反之最常用的KTP类型是助熔剂生长的，其离子传导率是10-6S/cm。最近在世界各地这些晶体由不同的制造者生产。另一方面，水热生长的晶体仅有一个供应商出售。这家供应商在交付晶体方面一向有严重问题，并且价格要比助熔剂晶体高许多。
助熔剂技术生长的KTP族其他晶体也有售。虽然这些晶体彼此类似，它们都有稍微不同的特性，诸如传导率、透明区域和非线性特性。
根据本发明对周期性极化KTP及其同形体进行的研究，发现传导率是最影响最终周期性结构质量的特性。为了得到变畴，必须将晶体保持在超过矫顽场的场中，直至铁电畴重新取向。当遍及晶体施加高电压时，高电流流过高传导率的晶体。
试图用Chen和Risk在水热KTP所述方法极化助熔剂生长的KTP时，在前述研究中遇到几个问题。
难以在变畴时沿整个试样保持足够高的电压，因为流过晶体的电流会降低电压。在晶体有稍微不同的传导率时这点特别明显。在这种情况下，电压在某些区域更加充足而在另一些区域则不充足。
流过晶体的非常高的电流还会导致永久性损伤。这些损伤是所谓的晶体失去透明性的电致变色损伤和光雪崩离子化导致电极之间的穿透，并且晶体总的损坏。
一般可以说，极化传导率低的晶体比较容易。
水热KTP的缺乏和它的高价格要求替代物的供应。显然，助熔剂法生长的几个KTP同形体有比KTP低的传导率。例如这应用于RTA、CTA和RTP。这些晶体比助熔剂生长的KTP更容易周期性极化。通过短脉冲的电流脉冲和低重复频率(低负荷循环)可交付晶体比较低的平均能量，所述脉冲能量足够高以得到变畴。
还发现可应用于KTP的一定的掺杂剂就能够将传导率降低十的几个数量级。这应用于Ga和Sc。这些晶体就更容易极化。在这种情况下，在助熔剂熔体中添加掺杂剂并相对均匀分布在晶体内。降低助熔剂生长的KTP传导率的另一个方法是在晶体中进行离子交换。这个方法与波导制作所用的方法一样。通过用Rb在KTP中交换可将传导率降低十的一个或多个数量级，这足够获取容易周期性极化的晶体。
现在详述能使助熔剂生长的KTP周期性极化的制备方法。
早期对非线性光学和铁电材料KTP的助熔剂生长的晶体电极化不能控制。这是因为在KTP中原子晶格结构在晶体Z方向形成离子(优选K+离子)可以高度迁移的沟道类结构。高度的且明确的各向异性的离子传导率，由此导致获取遍及晶体电势的可能性最小，而这个电势却相当于提供变畴所需要的所谓的矫顽电场。而且，高电流会造成材料中不可逆的变化，使材料不能用于继续极化。而助熔剂生长的KTP的周期性极化却相反是所需要的，因为与水热KTP相比这些晶体可以具有良好均匀性地生长并且价格低廉。
本方法是基于通过另一种物质的扩散在晶体表面产生离子传导率较低的层。这个方法的一个实例是将KTP晶体浸泡在硝酸铷熔体内，这将导致K+和Rb+之间的离子交换，以便在晶体表面建立一种RbxK1-xTiOPO4层。当离子交换进行较长时间时，在表面的Rb浓度(x)会达到100％或接近100％。然后该浓度朝晶体深度逐渐变小。离子交换层比整个晶体的离子传导率降低许多。那么在将电势施加到晶体时，较大部分的电压会遍及离子交换区域，这是电压分布所至。
在离子交换区域施加给定电压就得到相当于矫顽场的电压，为的是让变畴成核。随后在残留电场影响下，变畴就能沿晶体的其余部分生长。
应提及早期为周期性极化KTP而一起使用硝酸铷和硝酸钡的离子交换，W.Risk和S.Lau，“周期性极化KTP波导的化学图案化技术，在非线性波导及其应用，OSA技术摘要系列1996年，15卷47-49页(美国光学会志，华盛顿，1996)”。与Ba++的离子交换会增加传导率，因为一个Ba++离子和一个空位补偿两个K+。随着空位数目增大传导率大大增加。而且这也可用于传导率已经充分低的水热KTP的情况，以抵销变畴为目的进行周期性离子交换，因此与上述的截然不同。如何在助熔剂生长晶体中履行离子交换的实例如下。
不能用公知技术极化的助熔剂生长的KTP晶体C向切割的圆片于350℃在硝酸铷中进行离子交换6小时。晶体未被图案化，而在圆片的两个侧面发生离子交换。发现横向测量C轴方向圆片的传导率降低了。这种降低的程度根据晶体质量而不同，但一般是十的一个或多个数量级。随着离子交换将增大压电信号，所述信号大多用来探测晶体的畴图案。通过在两个C表面(C+或C-)之一上涂覆周期性电极图案就可进行极化。电极可以是金属电极或液体电极和绝缘光抗蚀剂。晶体通过施加电压脉冲极化，一般是60ms持续时间。可用电光测量方法测定发生极化的时间。要使用可顺利增压的脉冲，着手极化时随后的脉冲可使用相同或稍高一些的电压，直至完成极化。
在特定实验中，可用联机倍频作监视方法，例如关于Nd:YAG激光器倍频的图案化晶体。实验还表明，可得到比在极化水热生长KTP时所得更高质量的极化。这可能是因为晶体在离子交换后得到更均匀的传导率，并因此在给定电压下得到更均匀的极化。传导率在遍及水热生长KTP的晶体表面常常明显改变，助熔剂生长的晶体也如此。
为了仅仅在圆片的一个侧面进行离子交换为目的，采用同样的实验，尽管在这种情况下圆片的一个侧面在离子交换前用金属涂覆，仍用硝酸铷进行这个交换。在这种情况下C+侧或C-侧可用于离子交换。然后离子交换的侧面用金属或光抗蚀剂图案周期性图案化，之后以上述同样方式进行极化。光学结果与以上实例的结果等效。
在C+侧面或C-侧面涂覆的周期性掩膜用于周期性离子交换。这种掩膜例如包括钛，并可通过光刻蚀随后去掉的方式制作。使用100％浓度的硝酸铷进行离子交换，以便降低离子交换区域的传导率并得到可极化的晶体。在离子交换期间用全部覆盖的电极挡住后侧。在离子交换后除去金属掩膜；用短时间HF刻蚀、一种EDTA刻蚀或其他金属刻蚀都可除去。用全部覆盖的电极，金属或液体极化晶体，亦即使用非周期性电极。现在周期性离子交换区域就被变畴，同时其余区域保持不转换(畴)。光学结果与上述结果等效。
按照以上前两个实验进行助熔剂生长KTP的离子交换。然后用金属掩膜，例如钛掩膜在一个侧面上周期性图案化晶体。另一个侧面用全部覆盖的金属掩膜屏蔽。之后将晶体放在5％硝酸钡和95％硝酸铷混和物中于350℃温度超过一小时进行离子交换。然后移去掩膜并用完全覆盖的电极极化晶体。在用硝酸钡第二次浸泡时仅仅在未进行离子交换的区域才发生极性转换。这是因为在离子交换中迁移进入晶体的Ba++离子是两价并且伴随一个空位，与此同时两个一价的K+离子扩散出熔体。这个区域内的空位导致较高的离子传导率，并因此防止发生极性转换。第一次离子交换造成遍及整个晶体的传导率降低，从而使晶体被极化。第二次离子交换造成传导率局部增加，从而使这些区域不能发生极化。
该实验的光学结果与早期实验结果等效。
离子交换导致晶体表面的组分梯度。这个组分梯度还伴随强烈的内部机械应力。离子交换后，通过周期性极化后的热处理可去除扩散曲线(profile)并减少晶体内的应力。在300-500℃或更高的温度进行几分钟到几小时的时间范围就能去除扩散曲线并减少应力。
在检验的大多数按照实验制造的晶体中，就倍频效率而言，可得到相应于d33的一种有效的非线性，比50％的理论最佳值要高。从频谱带宽可计算有效长度。这个长度也大于实际物理长度的50％。
为了利用本发明方法和配置和利用其他极化方法和装置极化这种晶体，必须制备非低传导的助熔剂生长晶体。如上所述，(该晶体的变畴)依靠公知方法和配置是不能令人满意地获取的。
在诸如水热KTP、铌酸锂和钽酸锂传导率非常低的材料中，可灵敏地监视极化，使周期性结构依靠极化加工期间随着电流流过晶体而最佳化。如图1所见，电流有两个贡献。第一个贡献I1相当于晶体在自电压装置起的外电路中构成阻抗。第二个贡献I2相当于晶体极化期间发生的电荷传输。转换铁电畴需要一定量的能量，这个能量相当于施加的电荷Q=2PA，其中P是材料的自发极化而A是转换的面积。一般性范例是，对水热生长的KTP的I1是μA级，而对助熔剂生长KTP的I1是mA级。I2通常是μA级。
图1说明极化低传导晶体的电路，所述电路包括产生电压脉冲的电压装置10，安培计12，它记录电流速率I=I1+I2=U/(R1+R2)，其中U是流过电阻R1和R2的压降速率，其中R2构成晶体14的阻抗。
能够对低传导率(10-9S/mm)晶体的电流区分传导作用和极化作用，例如水热生长的KTP，通过测量施加电压脉冲时进入晶体的电流即可，而原则上说，对高传导晶体传导(作用)的电流隐含极化电流，例如离子交换后的助熔剂生长的KTP就是如此。
因此当极化传导率充分低的晶体时，使用电流测量法以选择合适的极化剂量，而该方法对高传导率晶体是不能使用的。
在本发明情况下，已开发周期性极化铁电晶体的方法，其中使用KTP族传导率高许多的助熔剂生长的晶体。就这些晶体而言，基于晶体的电光效应使用极化过程的监视方法。这个方法当然也可用于低传导率的晶体。
该方法的一个实施方案中，使用横向电光效应，意味着遍及晶体在Z方向20施加的电场引发了相位移，即以与Z轴成直角传播通过晶体的光在不同极化方向之间的相位移。在试验装置中，来自氦氖激光器36的光束沿晶体X轴传播，在Y和Z轴之间以45°22角度线性极化；见图2。
在光的Y分量和Z分量之间的相位移改变了光的极化状态，所述相移取决于晶体的电光系数和施加的电场。例如，在相位移持续地从0弧度增加到π弧度情况下，极化状态从线偏振状态经过圆偏振和不同类型的椭圆偏振改变到与起始态成直角的线偏振状态。在极化期间遍及晶体施加电压脉冲26，其中在晶体的一个侧面周期性电极28光刻蚀。
在施加脉冲电压的同时研究已通过晶体的光的偏振状态，以此方式监视极化过程。实施这个监视是借助光电二极管30，通过以-45°定位在Y轴和Z轴之间分析仪24测量晶体下行光的强度32。取光电二极管30的输出信号输入振荡器34，并用电压装置10产生的电压脉冲26同时对其进行研究。在一种明确的极化状态中，强度32(以线性升高电压)将随着正弦曲线9(未画出)达到其最大电压，其中强度保持恒定，然后在电压降低时跟随同一曲线返回。
由于一个区域的变畴将使这个区域内的电光系数改变符号，强度曲线32在晶体14极化时会改变。当周期性的结构最终极化成变畴区域等于未变畴区域时(50％负载循环)，由于任何畴的传播过程比实际极化过程慢许多，光在其传播通过晶体所经历的总电光系数的持续改变要小得多。
结果，强度曲线差不多是直线，表示这将是终止极化过程的时间(在晶体14中以黑色和白色畴标记)。
因为晶体通常也有双折射，它也影响极化状态，难以预测施加电压之前强度在正弦曲线的位置。但是这一点并不重要，因为总要尽力得到直线，其中强度曲线在经历极化过程期间容易反向跟随。
上述方法的另一个实施方案中，见图3，也使用横向电光效应，来自氦氖激光器36的光束38被分光进入Mach-Zehnder干涉仪40。
允许光束38在一个旁路42通过晶体，并且遍及晶体在Z方向20施加电场。当通过晶体的光的相位受电光效应影响时，干涉仪输出出现的干涉光圈44将随着遍及试样14电压的改变向内或向外移动。与以前的实施方案类似，极化过程将改变晶体14的总的电光效应。当干涉光圈44的运动开始改变方向时，可将这作为终止极化过程的时间。
在本发明的一个实施方案中，产生电压的电极可以是所谓的周期性指针电极，其中电极指针之间的绝缘可以是空气、某些其他气体、液体、玻璃、聚合物或真空。
尽管已参照具体实施方案详述了本发明，本领域技术人员显然明了，在下面权利要求书范围之内还可能有许多其他实施方案。

Claims (19)

1．一种周期性转换助熔剂生长的铁电晶体(14)畴的方法，所述晶体类型有KTP、KTA、RTP和CTA，其特征在于所述助熔剂生长的晶体有低传导率，或者借助变畴装置进行变畴之前通过掺杂或离子交换给出低传导率。
2．根据权利要求1的方法，其特征在于所述晶体是掺杂的。
3．根据权利要求1或2的方法，其特征在于所述掺杂剂或掺杂剂类包括Ga,Sc,Cr和Rb中的一种或多种物质。
4．根据权利要求1的方法，其特征在于使用离子交换在晶体表面建立低离子传导率的层，其中通过电压分压器施加电压的主要部分遍布所述层，由此建立的畴在电场影响下将通过整个晶体(14)生长。
5．根据权利要求1-4中任一项的方法，其特征在于其中借助施用在晶体一个侧面的电极进行变畴。
6．根据权利要求4或5的方法，其特征在于电极是液体电极或金属电极，其中在所谓的电极指针之间的绝缘可以是空气或其他气体、液体、玻璃、聚合物或真空。
7．根据权利要求1和4-6中任一项的方法，其特征在于其中仅在晶体的一个侧面进行离子交换。
8．根据权利要求1,4或7的方法，其特征在于周期性进行离子交换，以便得到有空间变化的传导率的晶体。
9．根据权利要求8的方法，其特征在于其中仅在低传导率区域进行变畴。
10．根据权利要求1,4或7的方法，其特征在于在整个晶体表面进行离子交换以便降低传导率；并且其中进一步进行离子交换以便再次周期性增加传导率。
11．根据权利要求10的方法，其特征在于通过施加仅在低传导率区域变畴的电压脉冲进行变畴。
12．根据权利要求1和4-11中任一项的方法，其特征在于用Rb、Ba、Na、Cs、Tl、H、Li、Ca或Sr中的一种或多种进行离子交换。
13．根据权利要求1和4-11中任一项的方法，其特征在于用硝酸盐离子进行离子交换。
14．根据权利要求1和4-12中任一项的方法，其特征在于使用电光方法(36,38,40)灵敏地监视变畴。
15．一种使用晶体电光效应监视铁电晶体(14)周期性变畴的配置，其特征在于该配置包括产生光的装置(36)，使所述光以与晶体Z轴(20)成直角传播通过晶体(14)；在Z方向(20)在晶体的两个电极之间施加电场的装置(10)；其中一个极(28)有周期性结构，与所述Z轴(20)成直角传播的光由此在不同偏振方向之间造成相位移，其中光的Z分量和其余任何一个分量之间的相位移根据晶体(14)的电光系数和施加的电场改变光的极化状态，其中观察电压脉冲产生装置(10)经过电场形成的变化和以最佳方式经过接收相位移光装置所得的相位移，就可得到并测定变畴。
16．根据权利要求15的配置，其特征在于的光是激光器产生的。
17．根据权利要求15或16的配置，其特征在于接收相位移光的装置是能测量所接收光强度(32)的光电二极管(30)，随后自二极管(30)的输出信号被测量仪器(34)分析并与施加的脉冲电压(26)比较，其中通过使用短电压脉冲比较从脉冲到脉冲的强度曲线(32)的形状比较来测定变畴，并且其中电压脉冲的改变决定变畴最佳终止时间。
18．根据权利要求15-17中任一项的配置，其特征在于有相移光的晶体和接收相移光的装置包括在一种干涉仪(40)内，当干涉仪(40)产生的干涉光圈(44)改变方向时终止变畴。
19．制备的变畴的助熔剂生长的铁电晶体(14)的用途，所述晶体类型是KTP、KTA、RTP、RTA或CTA，用于相干光或其他电磁辐射的频率转换，电光调制或声学应用，其特征在于其中助熔剂生长的晶体是低传导或在利用变畴装置进行变畴之前通过掺杂或通过离子交换制成低传导的。
CN97192916A 1996-01-12 1997-01-10 光学晶体的极化方法和配置 Pending CN1213436A (zh)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SE96001409 1996-01-12
SE9600140A SE9600140D0 (sv) 1996-01-12 1996-01-12 Processförfarande för optiska kristaller
SE96042643 1996-11-19
SE9604264A SE9604264D0 (sv) 1996-11-19 1996-11-19 Icke-linjära kristaller

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN1213436A true CN1213436A (zh) 1999-04-07

Family

ID=26662476

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN97192916A Pending CN1213436A (zh) 1996-01-12 1997-01-10 光学晶体的极化方法和配置

Country Status (9)

Country Link
US (1) US5986798A (zh)
EP (1) EP1015936B1 (zh)
JP (1) JP2000503138A (zh)
CN (1) CN1213436A (zh)
AT (1) ATE327523T1 (zh)
AU (1) AU733846B2 (zh)
DE (1) DE69735956T2 (zh)
IL (1) IL125303A (zh)
WO (1) WO1997025648A1 (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100405204C (zh) * 2003-08-21 2008-07-23 日本碍子株式会社 极化反转部的制造方法
CN101582293B (zh) * 2008-05-12 2012-05-30 台湾积体电路制造股份有限公司 内存元件及电源切断或启动程序中控制其字线信号的方法
CN104613879A (zh) * 2015-01-19 2015-05-13 无锡名谷科技有限公司 一种硅片厚度测量装置及测量方法
CN106353948A (zh) * 2016-09-29 2017-01-25 武汉工程大学 一种非线性光学晶体及其应用方法
CN110726673A (zh) * 2018-07-17 2020-01-24 中国科学院福建物质结构研究所 用于铁电晶体相变检测的光学探针及其检测方法

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IL120203A (en) * 1997-02-12 2000-08-31 Israel Atomic Energy Comm Method of fabrication of an invertedly poled domain structure from a ferroelectric crystal
JP3999362B2 (ja) * 1998-07-13 2007-10-31 三菱電線工業株式会社 周期的分極反転構造を有する強誘電体結晶の製造方法
GB2354597A (en) * 1999-09-23 2001-03-28 Christopher Noel Pannell Ferroelectric acousto-optic devices
US6904066B2 (en) * 2001-11-13 2005-06-07 Yen-Chieh Huang Optical parametric oscillator with distributed feedback grating or distributing Bragg reflector
US6900928B2 (en) 2002-03-19 2005-05-31 Hc Photonics Corporation Method of patterning and fabricating poled dielectric microstructures within dielectric materials
US6856393B2 (en) * 2002-08-21 2005-02-15 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford University Method of measuring a physical function using a composite function which includes the physical function and an arbitrary reference function
US7133134B2 (en) * 2002-08-21 2006-11-07 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Method of measuring a physical function using a symmetric composite function
US6982999B1 (en) * 2003-01-21 2006-01-03 Picarro,Inc. Multipass second harmonic generation
US7009750B1 (en) 2002-10-25 2006-03-07 Eclipse Energy Systems, Inc. Apparatus and methods for modulating refractive index
WO2005054829A2 (en) * 2003-11-25 2005-06-16 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Method for determining the optical nonlinearity profile of a material
US7145714B2 (en) * 2004-07-26 2006-12-05 Advr, Inc. Segmented electrodes for poling of ferroelectric crystal materials
US20060280209A1 (en) * 2005-02-11 2006-12-14 Hans-Georg Treusch Beam combining methods and devices with high output intensity
JP5158319B2 (ja) * 2007-03-26 2013-03-06 株式会社リコー 波長変換素子、レーザ装置、画像形成装置及び表示装置
DE102017123755B4 (de) * 2017-10-12 2020-12-03 OSRAM Opto Semiconductors Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zur Herstellung eines Laserdiodenbarrens und Laserdiodenbarren
DE102018108636A1 (de) * 2018-04-11 2019-10-17 Universität Paderborn Herstellung von Wellenleitern aus Materialien der KTP-Familie
US10809594B2 (en) * 2019-04-30 2020-10-20 Shandong University Kind of visible ultraviolet band optical frequency converter
CN117444381B (zh) * 2023-11-02 2024-06-04 深圳技术大学 一种基于飞秒激光直写技术制备铌酸锂晶体表面导电微结构的方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0409104B1 (en) * 1989-05-18 1996-05-01 Sony Corporation Method of controlling the domain of a nonlinear ferroelectric optics substrate
US5157754A (en) * 1990-04-25 1992-10-20 E. I. Du Pont De Nemours Wavelength conversion by quasi phase matching and the manufacture and use of optical articles therefor
US5879590A (en) * 1990-07-13 1999-03-09 North American Philips Corporation Low conductivity, doped KTIOPO4 and devices based thereon
JPH06242478A (ja) * 1993-02-18 1994-09-02 Fuji Photo Film Co Ltd 強誘電体のドメイン反転構造形成方法
JP3397433B2 (ja) * 1994-03-17 2003-04-14 パイオニア株式会社 分極反転層形成方法及び光波長変換素子
US5519802A (en) * 1994-05-09 1996-05-21 Deacon Research Method for making devices having a pattern poled structure and pattern poled structure devices
JPH086080A (ja) * 1994-06-16 1996-01-12 Eastman Kodak Co 反転された強誘電性ドメイン領域の形成方法
DE69531917T2 (de) * 1994-08-31 2004-08-19 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd., Kadoma Verfahren zur Herstellung von invertierten Domänen und eines optischen Wellenlängenkonverters mit denselben
US5756263A (en) * 1995-05-30 1998-05-26 Eastman Kodak Company Method of inverting ferroelectric domains by application of controlled electric field
US5748361A (en) * 1995-10-13 1998-05-05 Eastman Kodak Company Ferroelectric crystal having inverted domain structure
US5875053A (en) * 1996-01-26 1999-02-23 Sdl, Inc. Periodic electric field poled crystal waveguides

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100405204C (zh) * 2003-08-21 2008-07-23 日本碍子株式会社 极化反转部的制造方法
CN101582293B (zh) * 2008-05-12 2012-05-30 台湾积体电路制造股份有限公司 内存元件及电源切断或启动程序中控制其字线信号的方法
CN104613879A (zh) * 2015-01-19 2015-05-13 无锡名谷科技有限公司 一种硅片厚度测量装置及测量方法
CN106353948A (zh) * 2016-09-29 2017-01-25 武汉工程大学 一种非线性光学晶体及其应用方法
CN110726673A (zh) * 2018-07-17 2020-01-24 中国科学院福建物质结构研究所 用于铁电晶体相变检测的光学探针及其检测方法
CN110726673B (zh) * 2018-07-17 2022-02-18 中国科学院福建物质结构研究所 用于铁电晶体相变检测的光学探针及其检测方法

Also Published As

Publication number Publication date
AU1325797A (en) 1997-08-01
EP1015936A1 (en) 2000-07-05
IL125303A0 (en) 1999-03-12
DE69735956T2 (de) 2007-05-10
EP1015936B1 (en) 2006-05-24
IL125303A (en) 2001-08-08
AU733846B2 (en) 2001-05-31
DE69735956D1 (de) 2006-06-29
ATE327523T1 (de) 2006-06-15
WO1997025648A1 (en) 1997-07-17
US5986798A (en) 1999-11-16
JP2000503138A (ja) 2000-03-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1213436A (zh) 光学晶体的极化方法和配置
Kurimura et al. Application of the second harmonic generation microscope to nondestructive observation of periodically poled ferroelectric domains in quasi-phase-matched wavelength converters
Suresh et al. Review on theoretical aspect of nonlinear optics
Karlsson et al. Periodic poling of RbTiOPO 4 for quasi-phase matched blue light generation
CN1083112C (zh) 成图形极化介质材料结构和装置的制作
Shur et al. Periodically poled crystals of KTP family: a review
Shaikh et al. A study on optical, dielectric and NLO properties of L-Alanine added ammonium dihydrogen phosphate single crystal
Li et al. Low DC electric-field-induced phase transition in KTa0. 59Nb0. 41O3 crystal
Baig et al. Influence of Zn2+ on laser induced optical and electrical traits of KH2PO4 crystal for NLO device applications
Meyling et al. Full anisotropy of the stark effect on the 1B2u← 1Ag electronic transitions of tetracene and pentacene in a ρ-terphenyl host crystal
Korkishko et al. Proton exchanged LiNbO3 and LiTaO3 optical waveguides and integrated optic devices
Uesugi et al. Electric field tuning of second‐harmonic generation in a three‐dimensional LiNbO3 optical waveguide
Boyland et al. Electro-optically controlled beam switching via total internal reflection at a domain-engineered interface in LiNbO3
Hellström et al. Real-time and in situ monitoring of ferroelectric domains during periodic electric field poling of KTiOPO 4
Ferreira et al. Second harmonic generation in poled tellurite glass
Zhang et al. Cu-Doping-Modified Order State, Ferroelectric Property, Multiscale Inhomogeneities, and Local Structure in the Relaxor KTa1–x Nb x O3 Crystal
Saravanan et al. Investigations on the low temperature solution growth, etching, laser damage threshold, photoluminescence, electrical characterization and nonlinear optical properties of organic material: ammonium hydrogen l-malate
Uesu et al. New nonlinear optical microscope and its application to the observation of ferroelectric domain structure
JP3213907B2 (ja) ニオブ酸リチウム単結晶と光機能素子
Cazzanelli et al. Characterizations of mixed Bi/V oxide films, deposited via sol–gel route, used as electrodes in asymmetric liquid crystal cells
CN103901697A (zh) 一种在铁电晶体材料中制作畴反转光栅的极化电极结构
Danielyan et al. Composition dependence of the electro‐optic properties of iron‐doped lithium niobate crystals mounted as bulk modulator
CN1508575A (zh) 介电体超晶格的光学滤波器及其制作方法
Mackwitz Advanced optical analysis of ferroelectric domain structures
Du et al. Electro‐optic property of Mg2+/Er3+‐codoped LiNbO3 crystal: Mg2+ concentration threshold effect

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C53 Correction of patent of invention or patent application
COR Change of bibliographic data

Free format text: CORRECT: APPLICANT; FROM: AKTIEBOLAGET IDF INST. FER OPTISK FORSKNING TO: COBALT COMPANY

CP03 Change of name, title or address

Address after: The Swedish Salter rounded to Bo

Applicant after: Boulter & Co.

Address before: Stockholm

Applicant before: Aktiebolaget IDF Inst. Fer Optisk Forskning

AD01 Patent right deemed abandoned
C20 Patent right or utility model deemed to be abandoned or is abandoned