Small:“看着”铌酸锂周期极化

1. 研究背景

光学超晶格晶体是一种重要的非线性光学频率转换晶体,具有频率转换效率高、设计自由、体积小、成本低等优点,可以实现基质晶体透光范围内任何波长的激光输出。基于铌酸锂铁电畴的光学超晶格结构(周期极化铌酸锂,PPLN)是非线性倍频、合频、差频、光参量振荡应用的重要器件,广泛应用于量子通信、光电对抗、单光子成像等技术领域。但是由于畴结构调控动力学不明确,实现精确的超晶格结构一直是制备特定光学应用的主要障碍。如何实时监测铌酸锂光学超晶格的制备过程,探索畴生长动力学以获得高精度的超晶格结构是关键问题之一。

2. 文章概述

最近,山东大学晶体材料国家重点实验室桑元华教授、刘宏教授团队与济南量子技术研究院王东周副研究员合作,设计并构建了一种实时监测装置用于探究周期极化铌酸锂(PPLN)晶体的铁电畴反转动力学,并通过设计新型微纳电极结构,获得更高成核密度和成核均匀性。用于制备高精度、高灵活性的周期极化铌酸锂晶体,为高均匀性、大口径周期极化铌酸锂晶体制备提供了新的策略。

3. 图文导读

为了研究铁电畴反转动力学,针对固体透明电极外加电场极化方法在高温下的极化过程监测,作者设计并构建了一套简便的实时监测系统,用于原位观察铌酸锂周期极化过程。

图1实时监测装置图以及实时监测结果

基于设计的实时监测系统,作者讨论了不同极化状态下的畴成核、生长和极化完成过程。结合有限元分析,讨论了畴成核、生长动力学与局部电场分布密切相关关系。提出了一种微纳多孔电极结构,并通过有限元分析以及实时监测过程证明了多孔电极可以提高电场局部强度和均匀性,从而获得更高的成核密度,得到高均匀性的周期极化铌酸锂晶体。

图2不同极化状态下的畴成核、生长过程

图3普通电极与多孔电极结构局域电场有限元分析

图4普通电极与多孔电极结构以及极化结果比较

采用多孔电极结合实时监测系统,获得了2 mm厚的高质量PPLN晶体。采用单通共振光参量振荡技术实现了1064.2nm 到3402.4 nm的非线性光转换,非线性光转换效率高达26.2%。这项工作为精密超晶格结构和大通光口径PPLN晶体的制备提供了一条有效的途径。

图5 制备获得的周期极化铌酸锂晶体及其非线性光学验证实验

论文信息:

Ferroelectric domain reversal dynamics in LiNbO3 optical superlattice investigated with a real-time monitoring system

Qilu Liu, Yukun Song, Fulei Wang, Jiang Guo, Feifei Wang, Hongru Yang, Baitao Zhang, Dongzhou Wang*, Hong Liu*, Yuanhua Sang*

Small

DOI: 10.1002/smll.202202761

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202202761