[发明专利]一种在铁电晶体材料中制作畴反转光栅的极化电极结构

说明书

技术领域

本发明涉及到在铁电晶体材料的进行畴反转光栅的制作技术领域，提出了一种可以对铁电晶体材料进行周期性极化反转的极化电极结构。

背景技术

准相位匹配（QPM）技术是非线性光学中的一种重要的相位匹配技术，它是通过线性光学常数（模式指数）或非线性光学常数的周期性调制来实现非线性光学效应的增强。周期性反转铁电晶体材料是光频率转换、光参量转换领域的重要材料，广泛地应用于激光制作、航天、大气探测、军工等领域。

制作周期性反转铁电晶体中的极化结构的方法有高温加热法、质子离子交换法以及在室温下进行的电子束直接写入法和外加电场控制法。用这些方法制作出大厚度长周期和短周期的周期性反转铁电晶体是目前国内外在此领域的研究热点。

在铁电非线性光学晶体中通过脉冲电压应用方法进行准相位匹配的畴反转光栅的制作是目前常用的一种制作方法。在目前的这些准相位匹配周期性畴反转铁电晶体中，PPLN是一种常用的高品质材料，其非线性系数大，可在较短的光程下得到较大的非线性频率转换。利用外加脉冲电压制作PPLN等光学超晶格介质，常常受到制作晶体材料本身的均匀性、极化电极结构以及电压施加装置的限制。目前在市场上的PPLN厚度大部分仍为0.5mm, 大于1mm的长周期和短周期PPLN仍然较少，因此我们通过提出正面主电极部分为马蹄形的梳状光栅电极、背面的金属电极、正面减薄部分区域的铁电晶体材料以及覆盖在梳状光栅电极之间的SiO₂介质层，来解决此类大厚度长周期或短周期周期性反转晶体材料。

发明内容

为了完成反转畴在垂直分量（正向）的生长以及压制反转畴在水平分量（侧边）的增长，以实现在铁电晶体材料中制作畴反转光栅的目的，本专利提供一种极化电极结构。该结构可以有效地使电场更集中在垂直分量上，实现在大厚度铁电晶体材料上完成周期性极化反转。

为解决上述技术问题，本专利提供了一种在铁电晶体材料中制作畴反转光栅的极化电极结构，包括带正面的梳状光栅电极、背面的金属电极、正面减薄部分区域的铁电晶体材料以及覆盖在梳状光栅电极之间的SiO₂介质层，主电极部分为马蹄形。

进一步地，本技术方案所述大厚度铁电晶体材料，采用的铁电晶体材料为纯铌酸锂LiNbO₃、掺MgO铌酸锂MgO-LiNbO₃、钽酸锂LiTaO₃、磷酸氧钛钾KTiOPO₄ (KTP)、Nd³⁺ 扩散铌酸锂Nd³⁺:LiNbO₃、Er³⁺ 扩散铌酸锂Er³⁺:LiNbO₃、砷酸钛氧铷RbTiOAsO₄（RTA）、铌酸锶钡Sr_0.6Ba_0.4Nb₂O₆ S（SBN）、氟化钡镁BaMgF₄或硝酸钾KNO₃。

进一步地，本技术方案所述的大厚度晶体周期极化晶体材料，其厚度为毫米量级，大于1mm的晶体材料，长周期指的是周期大于10μm的，短周期指的是周期小于7μm。

进一步地，本技术方案所述的极化电极结构在铁电畴方向呈周期性变化或准周期性变化。

进一步地，本技术方案所述的极化电极结构所采用的电极材料包括Al电极、Cr电极或Au电极。

进一步地，本技术方案所述的极化电极结构间的掩膜层的特征是：在光刻制作出电极结构后，用HF略微减薄除电极结构外的铁电晶体材料，所减薄的位置为空穴处，空穴的深度为微米级，为5-20μm，此空穴处用SiO₂覆盖。

进一步地，本技术方案所使用的SiO₂掩膜层的折射率为1.45~1.50，厚度约为20μm。

进一步地，本技术方案中覆盖在金属主电极上的SiO₂，通过套刻、显影、腐蚀等步骤去除，露出所需极化电极结构的金属部分。