專利名稱：光學(xué)晶體的極化方法和配置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在極化前制備助熔劑生長的晶體的方法，和使用晶體的電光效應(yīng)監(jiān)視鐵電晶體周期性極化的一種配置，以及下文闡述極化晶體的用途。本發(fā)明特別涉及周期性極化晶體的用途，部分通過非線性光學(xué)混頻(倍頻，產(chǎn)生差頻，產(chǎn)生和頻，光參量振蕩等等)產(chǎn)生新波長的光或其他電磁輻射，部分用于諸如光束調(diào)制的電光應(yīng)用，和部分用于如遍及晶體施加電壓產(chǎn)生聲波的聲學(xué)應(yīng)用。
背景技術(shù)：
非線性光學(xué)晶體、電光晶體和聲光晶體的周期性極化晶體，如稱為KTP的磷酸鈦氧鉀晶體及其同族的其他晶體，如公知的同形體砷酸鈦氧鉀KTA，砷酸鈦氧銣RTA，砷酸鈦氧銫CTA，磷酸鈦氧銣RTP等等，皆優(yōu)選通過所謂的助熔劑方法生長。
周期性極化的晶體主要用于非線性光學(xué)混頻，特別是根據(jù)可得到的激光波長的光產(chǎn)生新波長的光。根據(jù)這個原理存在新輻射源的需求。但是，周期性極化的晶體也可用于電光應(yīng)用和聲學(xué)應(yīng)用。聲光應(yīng)用的一個實例是布喇格晶格效應(yīng)，亦即具有周期性變化的衍射指數(shù)的布喇格晶格在周期性極化晶體中響應(yīng)通過均勻電極的介質(zhì)向遍及晶體施加的電壓而發(fā)生。例如，可利用這種性能調(diào)制或偏轉(zhuǎn)激光束。
極化晶體也可用作所謂的聲學(xué)傳感器，亦即借助于壓電效應(yīng)來產(chǎn)生或檢測聲波。盡管周期性極化的晶體與標(biāo)準(zhǔn)晶體相比，在設(shè)計優(yōu)良功能元件方面有明顯的優(yōu)點和更大的可能性，這些物理現(xiàn)象和應(yīng)用本身都是熟知的。
準(zhǔn)相位匹配，周期性極化晶體涉及這方面的內(nèi)容是基于這樣的原理，亦即在現(xiàn)存晶體中制造變換晶體取向的晶體周期有序區(qū)域，并隨之周期性改變非線性光學(xué)、電光和聲光特性。優(yōu)選通過借助周期性電極結(jié)構(gòu)遍及晶體施加電壓而獲得，并因此實現(xiàn)而不是機(jī)械式分解晶體。
公開的歐洲專利申請0687941A2告知，其中通過遍及基體或晶體施加偏斜電壓形成轉(zhuǎn)變或轉(zhuǎn)換極性的鐵電疇區(qū)域，已觀察到能夠預(yù)測流過基體的電流的增大。當(dāng)檢測到預(yù)先考慮或預(yù)測的電流時，就認(rèn)為已發(fā)生極化并可關(guān)斷電壓。
發(fā)明概述本發(fā)明目的是能夠從非周期性極化的助熔劑生長的晶體制造周期性極化的晶體，亦即所謂的單疇晶體。
本發(fā)明另一個目的是提供一種監(jiān)視這種制作的方法。
本發(fā)明還一個目的是指出周期性極化晶體的用途或使用，通過非線性光學(xué)混頻(倍頻，產(chǎn)生差頻，產(chǎn)生和頻，光參量振蕩等等)產(chǎn)生新波長的光(電磁輻射)。
本發(fā)明還可用于諸如光束調(diào)制的電光應(yīng)用，和聲學(xué)應(yīng)用，如由遍及晶體施加的電壓而產(chǎn)生聲波。
為達(dá)到這些目的和目標(biāo)，本發(fā)明提供一種方法，使助熔劑生長的KTP、KTA、RTP、RTA或CTA類鐵電晶體周期性變疇，其中助熔劑生長的晶體或者有固有的或者就是低傳導(dǎo)率，或者利用變疇裝置進(jìn)行變疇前制造的低傳導(dǎo)。
在本發(fā)明的一個實施方案中，晶體是摻雜的，摻雜劑或摻雜劑類降低晶體傳導(dǎo)率。摻雜劑或摻雜劑類可以是一種或多種的摻雜劑如Ga、Sc、Cr或Rb。
本發(fā)明另一個實施方案中，借助離子交換工藝進(jìn)行變疇，其中在晶體表面產(chǎn)生低離子傳導(dǎo)率的層，并且其中經(jīng)過電壓分壓器施加的電壓主要部分遍及所述的層，而且使產(chǎn)生的一種或多種的疇在電場作用下延及整個晶體生長。
變疇可以在兩個實施方案中借助晶體一個側(cè)面上施加的周期性電極達(dá)到。
電極優(yōu)選是液體或金屬電極，其中所謂的電極指針之間的絕緣可以是空氣、某些其他氣體、液體、玻璃、聚合物或真空。
根據(jù)一個選擇性實施方案，僅在晶體的一個側(cè)面上進(jìn)行離子交換。
在另一個實施方案中，周期地進(jìn)行離子交換以便獲得具有空間變化的傳導(dǎo)性的晶體，其中變疇僅在低傳導(dǎo)性的產(chǎn)生區(qū)域進(jìn)行。
在另一個實施方案，可跨越晶體整個表面進(jìn)行離子交換以便降低傳導(dǎo)率，并且進(jìn)行第二次離子交換以恢復(fù)周期性高傳導(dǎo)率，其中通過施加具有僅將低傳導(dǎo)率區(qū)域的疇轉(zhuǎn)換的電壓的電脈沖進(jìn)行變疇。
離子交換優(yōu)選用以下離子的一種或多種進(jìn)行，即Rb、Ba、Na、Cs、Tl、H、Li、Ca或Sr。
在另一個實施方案中，使用電光方法靈敏地監(jiān)視變疇。也可在使用晶體電光效應(yīng)的同時，借助監(jiān)視鐵電晶體周期性變疇的一種配置實現(xiàn)本發(fā)明的目的和目標(biāo)，其中配置包括光產(chǎn)生裝置，并且使產(chǎn)生的光與Z軸成直角傳播通過晶體。
配置還包括跨越晶體Z方向的兩個極施加電場的裝置，其中一個極有一種周期性電極結(jié)構(gòu)，能使以與所述Z軸成直角傳播的光在不同極化方向之間有相位移。
在光的Z分量和其余任何一個分量之間的相移，依靠晶體的電光系數(shù)和施加的電場改變了光的極化狀態(tài)，其中觀察電壓脈沖產(chǎn)生裝置經(jīng)過電場造成的變化和以光學(xué)方式經(jīng)過接收相位移光裝置所得的相移，就可得到并測定變疇。
光優(yōu)選是產(chǎn)生的激光。
在配置的一實施方案中，用于接收相位移光的裝置是一種測量所接收光強(qiáng)度的光電二極管，隨后通過測量儀器分析二極管的輸出信號并與施加的電壓脈沖比較，其中通過使用短電壓脈沖來比較從脈沖到脈沖的強(qiáng)度曲線形狀來測定變疇，并且電壓脈沖的改變決定應(yīng)當(dāng)停止變疇的最佳時間。
在配置的另一實施方案中，相位移光的晶體和接收相移光的裝置都包括在一種干涉儀內(nèi)，當(dāng)干涉儀改變方向產(chǎn)生干涉光圈時停止變疇。
本發(fā)明還包括前述制備的已變疇的助熔劑生長鐵電晶體的用途，這類晶體是KTP、KTA、RTP、RTA或CTA，用于相干光、其他合適的電磁輻射的變頻，電光調(diào)制或聲學(xué)應(yīng)用，其中助熔劑生長的晶體或者有固有的低傳導(dǎo)率或者在用變疇裝置進(jìn)行變疇前制成低傳導(dǎo)的。
低傳導(dǎo)同形體的定義，代替按照上述降低傳導(dǎo)率目的制備的高傳導(dǎo)同形體，優(yōu)選與電光活性監(jiān)視變疇一起，必須能夠使KTP族晶體利用本發(fā)明方法和配置、也可用其他方法和配置周期性極化。而用公知的方法和配置不能得到滿意的極化。


現(xiàn)參照附圖敘述本發(fā)明，使得更容易了解本發(fā)明和更加明了進(jìn)而所作的實施方案。
圖1圖示說明，通過測量施加電壓脈沖時進(jìn)入晶體的電流，對非常低傳導(dǎo)的晶體如何分開傳導(dǎo)作用和極化作用；圖2示意說明按照本發(fā)明的一個實施方案監(jiān)視極化助熔劑生長的晶體一種裝置配置；和圖3示意說明怎樣使用Mach-Zehnder干涉儀監(jiān)視本發(fā)明另一個實施方案的極化工藝。
優(yōu)選實施方案詳述本發(fā)明涉及周期性極化磷酸鈦氧鉀(KTiOPO4)晶體和其他同族晶體的方法和配置，該晶體是助熔劑方法生長的，還涉及其用途領(lǐng)域。
磷酸鈦氧鉀(KTP)晶體有非常良好的非線性光學(xué)特性。該晶體可作標(biāo)準(zhǔn)用于倍頻激光體系和光參量振蕩。KTP屬于MTiOXO4的同族晶體，其中M={K,Rb,Ti或Cs}并且X={P或As(單獨的M=Cs)}。每個這些晶體彼此有稍微不同的性質(zhì)，諸如非線性光學(xué)性，光傳輸范圍，傳導(dǎo)率等等。這些不同特性在制造激光體系及其最佳化方面可增強(qiáng)靈活性。
非線性光學(xué)中一個重要因素是所謂準(zhǔn)相位匹配技術(shù)(QPM)的進(jìn)展。這種技術(shù)中，非線性材料中的非線性被周期性調(diào)制，以便補(bǔ)償在改變光波長的傳播常數(shù)中的相失配。在倍頻中，最普通最簡單的非線性光學(xué)工藝，KTP可給出帶有類型2相位匹配的倍頻在大約綠光范圍的波長，而不是再短一些。另一方面，由準(zhǔn)相位匹配產(chǎn)生藍(lán)光和UV輻射兩者。
準(zhǔn)相位匹配依靠使用最大的非線性系數(shù)d33的可能性給出比類型2相位匹配更高的效率，并且通過合適選擇非線性調(diào)制的周期也允許在晶體的透明頻譜范圍內(nèi)所有波長之間進(jìn)行更替。相位匹配的主要工作已在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行，其中借助結(jié)合熱處理工藝的不同擴(kuò)散方法已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的周期性變疇。這些方法良好地適合波導(dǎo)，其中在設(shè)置波導(dǎo)的外層中進(jìn)行變疇。
波導(dǎo)在使用二極管激光的低功率應(yīng)用中特別有意義，其中光集中在高功率密度的較小截面積。另一方面，由于其中的高功率密度會造成波導(dǎo)損傷，波導(dǎo)不適合高功率應(yīng)用。在后者情況下，整體晶體的頻率轉(zhuǎn)換通常被代替。這就能使光聚焦而并不達(dá)到損傷閾值，并能以高效率提供高功率。
在周期性制作極化(極性轉(zhuǎn)換，變疇)的晶體，或在生長后隨之極化的晶體中可得到整體晶體的準(zhǔn)相位匹配。其中優(yōu)選后者，因為這種方式可得到質(zhì)量好得多的周期性圖案。
1993年，Yamada等人在US 5193023中公開用高電壓周期性極化鈮酸鋰晶體的倍頻結(jié)果。該晶體較薄(＜0.2mm)并且是C向切割。在正性(c+)和負(fù)性(c-)表面上沉積金屬電極。通過光刻方法在正性表面上使金屬成周期性圖案并且第二電極被全部覆蓋。電極連接高脈沖電壓裝置，并用100ms周期的脈沖和24kV/mm的場強(qiáng)進(jìn)行極化。
這個方法后來被幾個廠家使用并且研究了不同方式的改良方法。為了得到優(yōu)良的周期性變疇圖案，必需將已極化區(qū)域和未極化區(qū)域有效地隔開。在其后期使用一種是良好絕緣體的光抗蝕劑。這將以下面兩種方式進(jìn)行。
首先，使用周期性金屬電極并且光抗蝕劑沉積在整個電極及其之間的面積上。這將避免電極之間出現(xiàn)干擾場條紋，這種場條紋易于造成不合要求的變疇并削弱極化圖案的結(jié)構(gòu)。
周期性變疇使用的另一種方式只是制造一種周期性光抗蝕劑圖案并且用液體電極電接觸晶體。Webjon在電子通訊(Electronic Letters)，1994年，30卷，894頁，開發(fā)的這種方法是最方便的方法而且能得到優(yōu)良結(jié)果。
雖然周期性變疇主要研究在鈮酸鋰中，最近業(yè)已報導(dǎo)在鉭酸鋰和KTP的研究結(jié)果。Chen和Risk,“Chen,Risk，使用一種施加電場的磷酸鈦氧鉀周期性極化，電子通訊，30卷，1516-1517頁(1994)”，用Webjoen使用的類似極化技術(shù)周期性極化1mm厚的KTP并以出蘭光顯示有效倍頻。
鈮酸鋰是良好適合QPM的材料。它有較高的非線性并可制備有優(yōu)良均勻性的大晶體。它可提供優(yōu)良價格的器件而且是可重復(fù)制造的工藝提供。但是，同KTP相比，鈮酸鋰的周期性變疇有一些缺點。首先，極化技術(shù)難以遞加到較厚的晶體。最近已制造0.5mm厚度的可用試樣，而在第一個出版物就已極化到1mm厚度。
試樣厚度對高功率激光器和光參量振蕩器的頻率轉(zhuǎn)換特別明顯。在高功率激光器情況下，根本不聚焦在非線性晶體是合乎要求的。當(dāng)激光束直徑超過1mm時，為避免邊緣效應(yīng)帶來的問題要求晶體厚度有幾個毫米。在光參數(shù)振蕩器(OPOs)情況下，重要的是能夠得到較長的長度，那么通過晶體聚焦導(dǎo)致在邊緣的光束直徑也要超過1mm。
OPOs是用光以角(速度)頻率泵激的光源，角頻率ω1=2πc/λ并且ω2和ω3由噪聲產(chǎn)生。能量條件是ω1=ω2+ω3(1/λ1=1/λ2+1/λ3)。ω2和ω3由相位匹配條件k1=k2+k3決定，k=2πn/λ。當(dāng)折射率n改變時λ2和λ3就改變，亦即得到可調(diào)諧光源；例如見A.Yariv，光電子(OpticalElectronics),ISBN 0-03-070289-5。
迄今為止，還沒有想到可能極化鈮酸鋰至可預(yù)見未來的這些應(yīng)用所必需的厚度。
就短波倍頻到紫光和UV而言，在不遠(yuǎn)的將來成功地制造鈮酸鋰中優(yōu)良極化的晶體也是不可能的，盡管KTP要好一些。
在Chen和Risk極化KTP時，他們周期地使用水熱生長的晶體。這些晶體的特征一般是離子傳導(dǎo)率低，在10-6S/cm數(shù)量級。反之最常用的KTP類型是助熔劑生長的，其離子傳導(dǎo)率是10-6S/cm。最近在世界各地這些晶體由不同的制造者生產(chǎn)。另一方面，水熱生長的晶體僅有一個供應(yīng)商出售。這家供應(yīng)商在交付晶體方面一向有嚴(yán)重問題，并且價格要比助熔劑晶體高許多。
助熔劑技術(shù)生長的KTP族其他晶體也有售。雖然這些晶體彼此類似，它們都有稍微不同的特性，諸如傳導(dǎo)率、透明區(qū)域和非線性特性。
根據(jù)本發(fā)明對周期性極化KTP及其同形體進(jìn)行的研究，發(fā)現(xiàn)傳導(dǎo)率是最影響最終周期性結(jié)構(gòu)質(zhì)量的特性。為了得到變疇，必須將晶體保持在超過矯頑場的場中，直至鐵電疇重新取向。當(dāng)遍及晶體施加高電壓時，高電流流過高傳導(dǎo)率的晶體。
試圖用Chen和Risk在水熱KTP所述方法極化助熔劑生長的KTP時，在前述研究中遇到幾個問題。
難以在變疇時沿整個試樣保持足夠高的電壓，因為流過晶體的電流會降低電壓。在晶體有稍微不同的傳導(dǎo)率時這點特別明顯。在這種情況下，電壓在某些區(qū)域更加充足而在另一些區(qū)域則不充足。
流過晶體的非常高的電流還會導(dǎo)致永久性損傷。這些損傷是所謂的晶體失去透明性的電致變色損傷和光雪崩離子化導(dǎo)致電極之間的穿透，并且晶體總的損壞。
一般可以說，極化傳導(dǎo)率低的晶體比較容易。
水熱KTP的缺乏和它的高價格要求替代物的供應(yīng)。顯然，助熔劑法生長的幾個KTP同形體有比KTP低的傳導(dǎo)率。例如這應(yīng)用于RTA、CTA和RTP。這些晶體比助熔劑生長的KTP更容易周期性極化。通過短脈沖的電流脈沖和低重復(fù)頻率(低負(fù)荷循環(huán))可交付晶體比較低的平均能量，所述脈沖能量足夠高以得到變疇。
還發(fā)現(xiàn)可應(yīng)用于KTP的一定的摻雜劑就能夠?qū)鲗?dǎo)率降低十的幾個數(shù)量級。這應(yīng)用于Ga和Sc。這些晶體就更容易極化。在這種情況下，在助熔劑熔體中添加摻雜劑并相對均勻分布在晶體內(nèi)。降低助熔劑生長的KTP傳導(dǎo)率的另一個方法是在晶體中進(jìn)行離子交換。這個方法與波導(dǎo)制作所用的方法一樣。通過用Rb在KTP中交換可將傳導(dǎo)率降低十的一個或多個數(shù)量級，這足夠獲取容易周期性極化的晶體。
現(xiàn)在詳述能使助熔劑生長的KTP周期性極化的制備方法。
早期對非線性光學(xué)和鐵電材料KTP的助熔劑生長的晶體電極化不能控制。這是因為在KTP中原子晶格結(jié)構(gòu)在晶體Z方向形成離子(優(yōu)選K+離子)可以高度遷移的溝道類結(jié)構(gòu)。高度的且明確的各向異性的離子傳導(dǎo)率，由此導(dǎo)致獲取遍及晶體電勢的可能性最小，而這個電勢卻相當(dāng)于提供變疇所需要的所謂的矯頑電場。而且，高電流會造成材料中不可逆的變化，使材料不能用于繼續(xù)極化。而助熔劑生長的KTP的周期性極化卻相反是所需要的，因為與水熱KTP相比這些晶體可以具有良好均勻性地生長并且價格低廉。
本方法是基于通過另一種物質(zhì)的擴(kuò)散在晶體表面產(chǎn)生離子傳導(dǎo)率較低的層。這個方法的一個實例是將KTP晶體浸泡在硝酸銣熔體內(nèi)，這將導(dǎo)致K+和Rb+之間的離子交換，以便在晶體表面建立一種RbxK1-xTiOPO4層。當(dāng)離子交換進(jìn)行較長時間時，在表面的Rb濃度(x)會達(dá)到100％或接近100％。然后該濃度朝晶體深度逐漸變小。離子交換層比整個晶體的離子傳導(dǎo)率降低許多。那么在將電勢施加到晶體時，較大部分的電壓會遍及離子交換區(qū)域，這是電壓分布所至。
在離子交換區(qū)域施加給定電壓就得到相當(dāng)于矯頑場的電壓，為的是讓變疇成核。隨后在殘留電場影響下，變疇就能沿晶體的其余部分生長。
應(yīng)提及早期為周期性極化KTP而一起使用硝酸銣和硝酸鋇的離子交換，W.Risk和S.Lau，“周期性極化KTP波導(dǎo)的化學(xué)圖案化技術(shù)，在非線性波導(dǎo)及其應(yīng)用，OSA技術(shù)摘要系列1996年，15卷47-49頁(美國光學(xué)會志，華盛頓，1996)”。與Ba++的離子交換會增加傳導(dǎo)率，因為一個Ba++離子和一個空位補(bǔ)償兩個K+。隨著空位數(shù)目增大傳導(dǎo)率大大增加。而且這也可用于傳導(dǎo)率已經(jīng)充分低的水熱KTP的情況，以抵銷變疇為目的進(jìn)行周期性離子交換，因此與上述的截然不同。如何在助熔劑生長晶體中履行離子交換的實例如下。
不能用公知技術(shù)極化的助熔劑生長的KTP晶體C向切割的圓片于350℃在硝酸銣中進(jìn)行離子交換6小時。晶體未被圖案化，而在圓片的兩個側(cè)面發(fā)生離子交換。發(fā)現(xiàn)橫向測量C軸方向圓片的傳導(dǎo)率降低了。這種降低的程度根據(jù)晶體質(zhì)量而不同，但一般是十的一個或多個數(shù)量級。隨著離子交換將增大壓電信號，所述信號大多用來探測晶體的疇圖案。通過在兩個C表面(C+或C-)之一上涂覆周期性電極圖案就可進(jìn)行極化。電極可以是金屬電極或液體電極和絕緣光抗蝕劑。晶體通過施加電壓脈沖極化，一般是60ms持續(xù)時間?？捎秒姽鉁y量方法測定發(fā)生極化的時間。要使用可順利增壓的脈沖，著手極化時隨后的脈沖可使用相同或稍高一些的電壓，直至完成極化。
在特定實驗中，可用聯(lián)機(jī)倍頻作監(jiān)視方法，例如關(guān)于Nd:YAG激光器倍頻的圖案化晶體。實驗還表明，可得到比在極化水熱生長KTP時所得更高質(zhì)量的極化。這可能是因為晶體在離子交換后得到更均勻的傳導(dǎo)率，并因此在給定電壓下得到更均勻的極化。傳導(dǎo)率在遍及水熱生長KTP的晶體表面常常明顯改變，助熔劑生長的晶體也如此。
為了僅僅在圓片的一個側(cè)面進(jìn)行離子交換為目的，采用同樣的實驗，盡管在這種情況下圓片的一個側(cè)面在離子交換前用金屬涂覆，仍用硝酸銣進(jìn)行這個交換。在這種情況下C+側(cè)或C-側(cè)可用于離子交換。然后離子交換的側(cè)面用金屬或光抗蝕劑圖案周期性圖案化，之后以上述同樣方式進(jìn)行極化。光學(xué)結(jié)果與以上實例的結(jié)果等效。
在C+側(cè)面或C-側(cè)面涂覆的周期性掩膜用于周期性離子交換。這種掩膜例如包括鈦，并可通過光刻蝕隨后去掉的方式制作。使用100％濃度的硝酸銣進(jìn)行離子交換，以便降低離子交換區(qū)域的傳導(dǎo)率并得到可極化的晶體。在離子交換期間用全部覆蓋的電極擋住后側(cè)。在離子交換后除去金屬掩膜；用短時間HF刻蝕、一種EDTA刻蝕或其他金屬刻蝕都可除去。用全部覆蓋的電極，金屬或液體極化晶體，亦即使用非周期性電極?，F(xiàn)在周期性離子交換區(qū)域就被變疇，同時其余區(qū)域保持不轉(zhuǎn)換(疇)。光學(xué)結(jié)果與上述結(jié)果等效。
按照以上前兩個實驗進(jìn)行助熔劑生長KTP的離子交換。然后用金屬掩膜，例如鈦掩膜在一個側(cè)面上周期性圖案化晶體。另一個側(cè)面用全部覆蓋的金屬掩膜屏蔽。之后將晶體放在5％硝酸鋇和95％硝酸銣混和物中于350℃溫度超過一小時進(jìn)行離子交換。然后移去掩膜并用完全覆蓋的電極極化晶體。在用硝酸鋇第二次浸泡時僅僅在未進(jìn)行離子交換的區(qū)域才發(fā)生極性轉(zhuǎn)換。這是因為在離子交換中遷移進(jìn)入晶體的Ba++離子是兩價并且伴隨一個空位，與此同時兩個一價的K+離子擴(kuò)散出熔體。這個區(qū)域內(nèi)的空位導(dǎo)致較高的離子傳導(dǎo)率，并因此防止發(fā)生極性轉(zhuǎn)換。第一次離子交換造成遍及整個晶體的傳導(dǎo)率降低，從而使晶體被極化。第二次離子交換造成傳導(dǎo)率局部增加，從而使這些區(qū)域不能發(fā)生極化。
該實驗的光學(xué)結(jié)果與早期實驗結(jié)果等效。
離子交換導(dǎo)致晶體表面的組分梯度。這個組分梯度還伴隨強(qiáng)烈的內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力。離子交換后，通過周期性極化后的熱處理可去除擴(kuò)散曲線(profile)并減少晶體內(nèi)的應(yīng)力。在300-500℃或更高的溫度進(jìn)行幾分鐘到幾小時的時間范圍就能去除擴(kuò)散曲線并減少應(yīng)力。
在檢驗的大多數(shù)按照實驗制造的晶體中，就倍頻效率而言，可得到相應(yīng)于d33的一種有效的非線性，比50％的理論最佳值要高。從頻譜帶寬可計算有效長度。這個長度也大于實際物理長度的50％。
為了利用本發(fā)明方法和配置和利用其他極化方法和裝置極化這種晶體，必須制備非低傳導(dǎo)的助熔劑生長晶體。如上所述，(該晶體的變疇)依靠公知方法和配置是不能令人滿意地獲取的。
在諸如水熱KTP、鈮酸鋰和鉭酸鋰傳導(dǎo)率非常低的材料中，可靈敏地監(jiān)視極化，使周期性結(jié)構(gòu)依靠極化加工期間隨著電流流過晶體而最佳化。如圖1所見，電流有兩個貢獻(xiàn)。第一個貢獻(xiàn)I1相當(dāng)于晶體在自電壓裝置起的外電路中構(gòu)成阻抗。第二個貢獻(xiàn)I2相當(dāng)于晶體極化期間發(fā)生的電荷傳輸。轉(zhuǎn)換鐵電疇需要一定量的能量，這個能量相當(dāng)于施加的電荷Q=2PA，其中P是材料的自發(fā)極化而A是轉(zhuǎn)換的面積。一般性范例是，對水熱生長的KTP的I1是μA級，而對助熔劑生長KTP的I1是mA級。I2通常是μA級。
圖1說明極化低傳導(dǎo)晶體的電路，所述電路包括產(chǎn)生電壓脈沖的電壓裝置10，安培計12，它記錄電流速率I=I1+I2=U/(R1+R2)，其中U是流過電阻R1和R2的壓降速率，其中R2構(gòu)成晶體14的阻抗。
能夠?qū)Φ蛡鲗?dǎo)率(10-9S/mm)晶體的電流區(qū)分傳導(dǎo)作用和極化作用，例如水熱生長的KTP，通過測量施加電壓脈沖時進(jìn)入晶體的電流即可，而原則上說，對高傳導(dǎo)晶體傳導(dǎo)(作用)的電流隱含極化電流，例如離子交換后的助熔劑生長的KTP就是如此。
因此當(dāng)極化傳導(dǎo)率充分低的晶體時，使用電流測量法以選擇合適的極化劑量，而該方法對高傳導(dǎo)率晶體是不能使用的。
在本發(fā)明情況下，已開發(fā)周期性極化鐵電晶體的方法，其中使用KTP族傳導(dǎo)率高許多的助熔劑生長的晶體。就這些晶體而言，基于晶體的電光效應(yīng)使用極化過程的監(jiān)視方法。這個方法當(dāng)然也可用于低傳導(dǎo)率的晶體。
該方法的一個實施方案中，使用橫向電光效應(yīng)，意味著遍及晶體在Z方向20施加的電場引發(fā)了相位移，即以與Z軸成直角傳播通過晶體的光在不同極化方向之間的相位移。在試驗裝置中，來自氦氖激光器36的光束沿晶體X軸傳播，在Y和Z軸之間以45°22角度線性極化；見圖2。
在光的Y分量和Z分量之間的相位移改變了光的極化狀態(tài)，所述相移取決于晶體的電光系數(shù)和施加的電場。例如，在相位移持續(xù)地從0弧度增加到π弧度情況下，極化狀態(tài)從線偏振狀態(tài)經(jīng)過圓偏振和不同類型的橢圓偏振改變到與起始態(tài)成直角的線偏振狀態(tài)。在極化期間遍及晶體施加電壓脈沖26，其中在晶體的一個側(cè)面周期性電極28光刻蝕。
在施加脈沖電壓的同時研究已通過晶體的光的偏振狀態(tài)，以此方式監(jiān)視極化過程。實施這個監(jiān)視是借助光電二極管30，通過以-45°定位在Y軸和Z軸之間分析儀24測量晶體下行光的強(qiáng)度32。取光電二極管30的輸出信號輸入振蕩器34，并用電壓裝置10產(chǎn)生的電壓脈沖26同時對其進(jìn)行研究。在一種明確的極化狀態(tài)中，強(qiáng)度32(以線性升高電壓)將隨著正弦曲線9(未畫出)達(dá)到其最大電壓，其中強(qiáng)度保持恒定，然后在電壓降低時跟隨同一曲線返回。
由于一個區(qū)域的變疇將使這個區(qū)域內(nèi)的電光系數(shù)改變符號，強(qiáng)度曲線32在晶體14極化時會改變。當(dāng)周期性的結(jié)構(gòu)最終極化成變疇區(qū)域等于未變疇區(qū)域時(50％負(fù)載循環(huán))，由于任何疇的傳播過程比實際極化過程慢許多，光在其傳播通過晶體所經(jīng)歷的總電光系數(shù)的持續(xù)改變要小得多。
結(jié)果，強(qiáng)度曲線差不多是直線，表示這將是終止極化過程的時間(在晶體14中以黑色和白色疇標(biāo)記)。
因為晶體通常也有雙折射，它也影響極化狀態(tài)，難以預(yù)測施加電壓之前強(qiáng)度在正弦曲線的位置。但是這一點并不重要，因為總要盡力得到直線，其中強(qiáng)度曲線在經(jīng)歷極化過程期間容易反向跟隨。
上述方法的另一個實施方案中，見圖3，也使用橫向電光效應(yīng)，來自氦氖激光器36的光束38被分光進(jìn)入Mach-Zehnder干涉儀40。
允許光束38在一個旁路42通過晶體，并且遍及晶體在Z方向20施加電場。當(dāng)通過晶體的光的相位受電光效應(yīng)影響時，干涉儀輸出出現(xiàn)的干涉光圈44將隨著遍及試樣14電壓的改變向內(nèi)或向外移動。與以前的實施方案類似，極化過程將改變晶體14的總的電光效應(yīng)。當(dāng)干涉光圈44的運動開始改變方向時，可將這作為終止極化過程的時間。
在本發(fā)明的一個實施方案中，產(chǎn)生電壓的電極可以是所謂的周期性指針電極，其中電極指針之間的絕緣可以是空氣、某些其他氣體、液體、玻璃、聚合物或真空。
盡管已參照具體實施方案詳述了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然明了，在下面權(quán)利要求書范圍之內(nèi)還可能有許多其他實施方案。
權(quán)利要求
1．一種周期性轉(zhuǎn)換助熔劑生長的鐵電晶體(14)疇的方法，所述晶體類型有KTP、KTA、RTP和CTA，其特征在于所述助熔劑生長的晶體有低傳導(dǎo)率，或者借助變疇裝置進(jìn)行變疇之前通過摻雜或離子交換給出低傳導(dǎo)率。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述晶體是摻雜的。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于所述摻雜劑或摻雜劑類包括Ga,Sc,Cr和Rb中的一種或多種物質(zhì)。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于使用離子交換在晶體表面建立低離子傳導(dǎo)率的層，其中通過電壓分壓器施加電壓的主要部分遍布所述層，由此建立的疇在電場影響下將通過整個晶體(14)生長。
5．根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項的方法，其特征在于其中借助施用在晶體一個側(cè)面的電極進(jìn)行變疇。
6．根據(jù)權(quán)利要求4或5的方法，其特征在于電極是液體電極或金屬電極，其中在所謂的電極指針之間的絕緣可以是空氣或其他氣體、液體、玻璃、聚合物或真空。
7．根據(jù)權(quán)利要求1和4-6中任一項的方法，其特征在于其中僅在晶體的一個側(cè)面進(jìn)行離子交換。
8．根據(jù)權(quán)利要求1,4或7的方法，其特征在于周期性進(jìn)行離子交換，以便得到有空間變化的傳導(dǎo)率的晶體。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于其中僅在低傳導(dǎo)率區(qū)域進(jìn)行變疇。
10．根據(jù)權(quán)利要求1,4或7的方法，其特征在于在整個晶體表面進(jìn)行離子交換以便降低傳導(dǎo)率；并且其中進(jìn)一步進(jìn)行離子交換以便再次周期性增加傳導(dǎo)率。
11．根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其特征在于通過施加僅在低傳導(dǎo)率區(qū)域變疇的電壓脈沖進(jìn)行變疇。
12．根據(jù)權(quán)利要求1和4-11中任一項的方法，其特征在于用Rb、Ba、Na、Cs、Tl、H、Li、Ca或Sr中的一種或多種進(jìn)行離子交換。
13．根據(jù)權(quán)利要求1和4-11中任一項的方法，其特征在于用硝酸鹽離子進(jìn)行離子交換。
14．根據(jù)權(quán)利要求1和4-12中任一項的方法，其特征在于使用電光方法(36,38,40)靈敏地監(jiān)視變疇。
15．一種使用晶體電光效應(yīng)監(jiān)視鐵電晶體(14)周期性變疇的配置，其特征在于該配置包括產(chǎn)生光的裝置(36)，使所述光以與晶體Z軸(20)成直角傳播通過晶體(14)；在Z方向(20)在晶體的兩個電極之間施加電場的裝置(10)；其中一個極(28)有周期性結(jié)構(gòu)，與所述Z軸(20)成直角傳播的光由此在不同偏振方向之間造成相位移，其中光的Z分量和其余任何一個分量之間的相位移根據(jù)晶體(14)的電光系數(shù)和施加的電場改變光的極化狀態(tài)，其中觀察電壓脈沖產(chǎn)生裝置(10)經(jīng)過電場形成的變化和以最佳方式經(jīng)過接收相位移光裝置所得的相位移，就可得到并測定變疇。
16．根據(jù)權(quán)利要求15的配置，其特征在于的光是激光器產(chǎn)生的。
17．根據(jù)權(quán)利要求15或16的配置，其特征在于接收相位移光的裝置是能測量所接收光強(qiáng)度(32)的光電二極管(30)，隨后自二極管(30)的輸出信號被測量儀器(34)分析并與施加的脈沖電壓(26)比較，其中通過使用短電壓脈沖比較從脈沖到脈沖的強(qiáng)度曲線(32)的形狀比較來測定變疇，并且其中電壓脈沖的改變決定變疇最佳終止時間。
18．根據(jù)權(quán)利要求15-17中任一項的配置，其特征在于有相移光的晶體和接收相移光的裝置包括在一種干涉儀(40)內(nèi)，當(dāng)干涉儀(40)產(chǎn)生的干涉光圈(44)改變方向時終止變疇。
19．制備的變疇的助熔劑生長的鐵電晶體(14)的用途，所述晶體類型是KTP、KTA、RTP、RTA或CTA，用于相干光或其他電磁輻射的頻率轉(zhuǎn)換，電光調(diào)制或聲學(xué)應(yīng)用，其特征在于其中助熔劑生長的晶體是低傳導(dǎo)或在利用變疇裝置進(jìn)行變疇之前通過摻雜或通過離子交換制成低傳導(dǎo)的。
全文摘要
本發(fā)明涉及助熔劑生長的鐵電晶體(14)的周期性變疇方法,其中晶體是低傳導(dǎo)或制成低傳導(dǎo)。本發(fā)明還涉及監(jiān)視鐵電晶體(14)變疇同時使用激光(36)的一種配置。本發(fā)明也涉及晶體(14)在周期性變疇的晶體(14)中的應(yīng)用,部分用于通過非線性光學(xué)混頻(倍頻,產(chǎn)生差頻,產(chǎn)生和頻,光參量振蕩等)產(chǎn)生新波長的光,部分用于例如光束調(diào)制的電光應(yīng)用,和部分用于例如從在晶體上施加電壓產(chǎn)生聲波的聲學(xué)應(yīng)用。
文檔編號G02F1/37GK1213436SQ9719291
公開日1999年4月7日 申請日期1997年1月10日 優(yōu)先權(quán)日1996年1月12日
發(fā)明者黑坎·卡爾森, 岡納·阿維德森, 彼得·亨里克森, 弗雷德里克·勞雷爾 申請人:Iof光學(xué)研究所股份公司