一种单畴四方相弛豫铁电单晶的三维极化方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种单畴四方相弛豫铁电单晶的三维极化方法和装置，包括：激光器发射的第一激光光束经过快门照射到光束能量衰减器得到第二激光光束；第二激光光束照射到分束器进行分束得到第三激光光束和第四激光光束；第三激光光束照射到成像系统将其过滤掉；第四激光光束照射到直写物镜得到聚焦光束；调节快门和三维平台的同时利用聚焦光束得到目标三维反转畴结构；利用成像系统实时监控晶体聚焦区域的图像。通过对快门和三维平台的调节可灵活的控制极化周期和周期数量，同时，单畴弛豫铁电晶体在激光光束的波段具有高透过率，可聚焦到不同深度和位置从而实现单畴弛豫铁电晶体的三维极化。的三维极化。的三维极化。

【技术实现步骤摘要】
一种单畴四方相弛豫铁电单晶的三维极化方法和装置


[0001]本专利技术属于铁电材料处理
，具体涉及一种单畴四方相弛豫铁电单晶的三维极化方法和装置。

技术介绍

[0002]自上世纪90年代至今，弛豫铁电单晶(PMN
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PT)一直以其超高的压电常数和机电耦合系数而被广泛研究和应用，其典型代表包括铌镁酸铅
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钛酸铅(PMN
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PT)、铌锌酸铅
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钛酸铅(PZN
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PT)、铌铟酸铅
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钛酸铅(PIN
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PT)、铌铟酸铅
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铌镁酸铅
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钛酸铅(PIN
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PMN
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PT)及其掺杂改性材料。近年来得益于晶体生长和加工工艺的进步，弛豫铁电单晶优异的光学性质日益得到重视，特别是单畴化技术的成熟结合弛豫铁电单晶的高二阶非线性系数，使其成为制备周期铁电畴结构的绝佳材料。以四方相PMN
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0.38PT(钛酸铅占比38％)为例，其通光范围宽(0.45
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6μm)、非线性系数高，并且居里温度低(180℃)、矫顽场极低(0.4kV/mm)，理论上在室温条件下用小于1kV/mm的外加电场即可使PMN
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0.38PT的铁电畴发生反转，相比于需要高外加电压极化的传统非线性晶体，如铌酸锂(LiNbO3)和磷酸钛氧钾(KTiOPO4)等，弛豫铁电晶体用于制备功能性铁电畴结构更具优势，因此在非线性光学频率变换和量子通信等领域具有广泛的应用前景。
[0003]传统的外加电场极化法，极易导致晶体在极化过程中开裂。有文献报道通过纳米复合电极(包括MnO
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半导体纳米格栅和Ti/Au导电层)来周期极化PMN
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0.3PT单晶，但是该方法要求晶体厚度小于200μm。另有文献报道通过电子束扫描的方式在四方相PMN
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0.39PT中实现了周期反转畴结构的制备，但是所得反转畴结构只能在有限的深度内保持电子束扫描路径所定义的形状。在深度超过30μm之后，电子束极化的反转铁电畴会发生变形、甚至分解成一些离散的小畴，导致电子束扫描所定义的周期结构不复存在。更重要的是，不论是改进的电场极化法还是电子束扫描极化法(需要背面电极)，都无法摆脱图形电极的桎梏，导致所得的反转畴结构只能局限于一维或者二维结构，从而限制了极化结构在诸如非线性频率变换等方面的应用。以最简单的倍频转换为例，三维铁电畴结构能够在三个维度上提供倒格式，理论上可以为任意波长和任意角度入射的基频光弥补相位适配，从而获得高效的倍频输出。
[0004]然而，现阶段弛豫铁电单晶仍缺乏有效的周期极化技术，特别是缺乏能实现三维铁电畴结构的极化技术，使得单畴弛豫铁电单晶在非线性光学领域的应用受到了极大阻碍。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种单畴四方相弛豫铁电单晶的三维极化方法和装置。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0006]一种单畴四方相弛豫铁电单晶的三维极化方法，包括：
[0007]通过激光器发射第一激光光束；
[0008]所述第一激光光束经过快门照射到光束能量衰减器，所述光束能量衰减器对所述第一激光光束进行衰减调节得到第二激光光束；
[0009]所述第二激光光束照射到分束器，所述分束器对所述第二激光光束进行分束得到第三激光光束和第四激光光束；
[0010]所述第三激光光束照射到成像系统，所述成像系统将所述第三激光光束过滤掉；
[0011]所述第四激光光束照射到直写物镜，所述直写物镜将所述第四激光光束聚焦到单畴弛豫铁电晶体的待极化区域得到聚焦光束；
[0012]调节所述快门和三维平台，同时利用所述聚焦光束在所述单畴弛豫铁电晶体的待极化区域进行激光直写得到目标三维反转畴结构；
[0013]利用所述成像系统将所述目标三维反转畴结构在所述单畴弛豫铁电晶体的聚焦区域成像至所述成像系统，得到所述单畴弛豫铁电晶体聚焦区域的图像。
[0014]在本专利技术的一个实施例中，所述第一激光光束、所述第二激光光束和所述第四激光光束的光束方向与所述单畴弛豫铁电晶体的(001)面垂直。
[0015]在本专利技术的一个实施例中，所述第四激光光束的功率小于晶体损伤阈值功率30～50mW。
[0016]在本专利技术的一个实施例中，所述第一激光光束为飞秒激光，其中，
[0017]所述飞秒激光的波长为780～800nm，脉宽小于200fs，重复频率为76MHz。
[0018]在本专利技术的一个实施例中，所述光束能量衰减器包括：半波片和偏振片，其中，
[0019]所述半波片和所述偏振片沿所述第一激光光束的光路依次设置。
[0020]在本专利技术的一个实施例中，调节所述快门和三维平台，同时利用所述聚焦光束在所述单畴弛豫铁电晶体的待极化区域进行激光直写得到目标三维反转畴结构，包括：
[0021]保持快门关闭，将所述三维平台移动至第n目标位置，所述目标位置由x轴、y轴和z轴确定，n＞0；
[0022]打开快门，所述三维平台按照预设极化图案进行移动，同时所述聚焦光束沿所述三维平台的移动轨迹对所述预设极化图案进行激光直写得到第n目标极化结构，n个目标极化结构组成所述目标三维反转畴结构。
[0023]在本专利技术的一个实施例中，所述成像系统包括：第一照明物镜、第二照明物镜、LED灯、滤光片、聚焦透镜和CCD相机，其中，
[0024]所述第一照明物镜、所述第二照明物镜和所述LED灯沿所述LED灯发出的照明蓝光光束的光路依次设置；
[0025]所述滤光片、所述聚焦透镜和所述CCD相机沿所述第三激光光束的光路依次设置。
[0026]在本专利技术的一个实施例中，利用所述成像系统实时监控所述单畴弛豫铁电晶体的聚焦区域图像，包括：
[0027]所述LED灯发出的所述照明蓝光光束经过所述第二照明物镜和所述第一照明物镜聚焦到所述单畴弛豫铁电晶体上得到照明聚焦光束；
[0028]所述照明聚焦光束照射所述单畴弛豫铁电晶体的聚焦区域得到第一照明光束；
[0029]所述第一照明光束照射到所述直写物镜后被放大得到第二照明光束；
[0030]所述第二照明光束被所述分束器反射后经过所述滤光片和所述聚焦透镜成像至所述CCD相机得到所述单畴弛豫铁电晶体聚焦区域的图像。
[0031]在本专利技术的一个实施例中，所述目标三维反转畴结构包括周期三维反转畴结构和非周期三维反转畴结构。
[0032]一种单畴四方相弛豫铁电单晶的三维极化装置，利用权利要求1至9任一项所述的单畴四方相弛豫铁电单晶的三维极化方法进行制备，包括：激光器、快门、光束能量衰减器、分束器、直写物镜、单畴弛豫铁电晶体、三维平台和成像系统，所述激光器、所述快门、所述光束能量衰减器、所述分束器、所述直写物镜、所述单畴弛本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单畴四方相弛豫铁电单晶的三维极化方法，其特征在于，包括：通过激光器(1)发射第一激光光束；所述第一激光光束经过快门(2)照射到光束能量衰减器(3)，所述光束能量衰减器(3)对所述第一激光光束进行衰减调节得到第二激光光束；所述第二激光光束照射到分束器(4)，所述分束器(4)对所述第二激光光束进行分束得到第三激光光束和第四激光光束；所述第三激光光束照射到成像系统(8)，所述成像系统(8)将所述第三激光光束过滤掉；所述第四激光光束照射到直写物镜(5)，所述直写物镜(5)将所述第四激光光束聚焦到单畴弛豫铁电晶体(6)的待极化区域得到聚焦光束；调节所述快门(2)和三维平台(7)，同时利用所述聚焦光束在所述单畴弛豫铁电晶体(6)的待极化区域进行激光直写得到目标三维反转畴结构；利用所述成像系统(8)实时监控所述单畴弛豫铁电晶体(6)的聚焦区域图像。2.根据权利要求1所述的单畴四方相弛豫铁电单晶的三维极化方法，其特征在于，所述第一激光光束、所述第二激光光束和所述第四激光光束的光束方向与所述单畴弛豫铁电晶体(6)的(001)面垂直。3.根据权利要求1所述的单畴四方相弛豫铁电单晶的三维极化方法，其特征在于，所述第四激光光束的功率小于晶体损伤阈值功率30～50mW。4.根据权利要求1所述的单畴四方相弛豫铁电单晶的三维极化方法，其特征在于，所述第一激光光束为飞秒激光，其中，所述飞秒激光的波长为780～800nm，脉宽小于200fs，重复频率为76MHz。5.根据权利要求1所述的单畴四方相弛豫铁电单晶的三维极化方法，其特征在于，所述光束能量衰减器(3)包括：半波片(31)和偏振片(32)，其中，所述半波片(31)和所述偏振片(32)沿所述第一激光光束的光路依次设置。6.根据权利要求1所述的单畴四方相弛豫铁电单晶的三维极化方法，其特征在于，调节所述快门(2)和三维平台(7)，同时利用所述聚焦光束在所述单畴弛豫铁电晶体(6)的待极化区域进行激光直写得到目标三维反转畴结构，包括：保持快门(2)关闭，将所述三维平台(7)移动至第n目标位置，所述目标位置由x轴、y轴和z轴确定，n＞0；打开快门(2)，所述三维平台(7)按照预设极化图案进行移动，同时所述聚焦光束沿所述三维平台(7)的移动轨迹对所述预设极化图案进行激光直写得到第n目标极化结构，n个目标极化结构组成所述目标三维反转畴结构。7.根据权利要求1所述的单畴四方相弛豫铁电单晶的三维极化方法，其特征在于，所述成像系统(8)包括：第一照明物镜(81)、第二照明物镜(82)、LED灯(83)、滤光片(84)、聚焦透镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈鑫，王军利，魏志义，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：