一种飞秒激光高效率诱导铁电体畴工程的方法

技术领域

本发明涉及激光加工领域，特别是涉及到一种飞秒激光高效率极化铁电体畴工程的方法。

背景技术

铁电体是一种在居里温度以下可表现出宏观极化的介质，宏观极化源于铁电体形成的铁电畴，这些畴可以有不同的极化方向，在被畴壁隔开的介质中共存，铁电材料的宏观非线性系数、光电系数、压电系数等物理量符号和大小与这些畴的极化方向和程度密切相关。

畴工程则是指在铁电体中定制畴结构，对其非线性系数等物理量进行空间上的调制，从而在非线性光学(如频率转换、非线性体全息)、光学测量、光通信、光学传感、非易失性存储器和光伏等领域进行应用。诱导畴形成的方法和利用畴结构实现光场多维度精确调控是物理科学研究的前沿。我国的畴工程基础研究一直处于国际前沿，但产业化仍与国外有一定差距，核心是极化工艺达不到要求。当前实现体铁电体畴形成的主要方法有电场极化、光辅助电场极化、全光极化、电子束辐照极化、原子力显微镜尖端直写等。在这些方法中，飞秒激光在透明铁电体中制造畴结构具有突出的优势，比如高的空间分比率、高的自由度，以及真三维加工，其劣势在于加工速度慢，加工多畴结构时只能逐个进行多脉冲扫描，加工效率低，并且导致诱导结构中存在严重的晶体缺陷，这些限制了产业化的发展。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出了一种新的全光极化技术，该方法通过聚焦的飞秒激光在铁电体晶体中进行先标记后集体诱导畴反转的方式，能极大的提高飞秒激光铁电畴工程的效率。

发明人前期通过大量实验，观察到铁电体被局部改性后会更容易诱导出铁电畴，因而提出并实现了先标记后诱导的两步激光极化法，该方法利用激光诱导的三维热电场来对初始标记的点群进行高效精确的诱导反转，从而很好的解决了前述分辨率低和效率低的问题。该技术在铌酸锂晶体中实现了大面积、高质量、多维度畴工程的快速加工，并且该技术也使用于其他大多数铁电体，为先进、多样的非线性光子器件走向实际应用提供支撑。

本发明所提出的技术方案是一种飞秒激光高效率极化铁电体的方法，该方法包括飞秒激光标记和飞秒激光诱导三维极化电场的两个过程，通过三维极化电场在标记点诱导出畴反转，具体如下：

步骤一，用飞秒激光在铁电晶体表面或者内部加工标记点；

步骤二，用多脉冲飞秒激光在晶体内部且靠近标记点的位置进行辐射，诱导出三维热电场，热电场驱动标记点位置发生畴反转。

进一步，所述飞秒激光的焦点能量大于聚焦位置的晶体损伤阈值，能在晶体表面或内部产生改性区域，也即形成标记点。

进一步，所述标记点作为畴反转成核点。

进一步，飞秒激光光源的调整参数包括平均功率、重复频率、脉宽、波长、焦点距离和大小，通过调整参数加工不同大小的标记点。

进一步，通过单脉冲激光加工标记点。

进一步，飞秒激光加工方式包括单脉冲辐射、多脉冲辐射和脉冲序列辐射。

进一步，铁电晶体为红外透明材料，包括LiNbO

进一步，通过加工标记点降低标记点所在极轴的矫顽场。

进一步，所述步骤二中，多脉冲激光产生热积累在标记点处诱导出大于矫顽场的热电场。

进一步，所述步骤二中，通过激光和样本的相对位移，在不同区域产生三维热电场。

进一步，所述步骤二中，通过改变激光聚焦大小、形态和聚焦深度，以及激光参数，诱导不同强度和形态的三维电场。

进一步，步骤二中，三维热电场在分布标记点附近的电场大于此处的矫顽场，并且电场方向和自发极化方向相反。

进一步，改变标记点的大小和形态，和三维热电场的强度和分布，以及标记点和热电场的和相对位置，在不同标记点位置、极轴诱导出不同的畴结构。

本发明的有益效果如下：

本发明通过多脉冲飞秒激光辐射在晶体内部形成的三维热电场对标记点诱导畴反转，是一种新的飞秒激光极化方法，能远距离、大范围、高质量、多维度地诱导铁电体畴反转，可形成一种超高效率的全光极化技术，具有较大的应用潜力。

附图说明

图1是本发明的两步飞秒激光法在铌酸锂晶体中诱导畴工程的示意图。

图2是本发明飞秒激光在铌酸锂晶体+z表面加工的标记点。

图3是本发明用不同能量的多脉冲激光在标记处诱导畴反转的成果示意图。

具体实施方式

为方便相关专业领域的普通技术人员理解并采用本发明方法，下面结合附图对本发明做进一步说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

铌酸锂晶体是目前应用最广泛的铁电体之一，其具有优越的非线性、电光、压电、声光等性能，并具有稳定的化学性质，是集成光学器件重点使用的材料，被业界称之为“光学硅”。本发明以铌酸锂晶体为本技术具体实施的案例，同时注意到该技术可以应用在其他铁电体中。

实施例

本实施例提出了一种先标记后诱导的飞秒激光极化铌酸锂铁电畴的方法，如图1所示，实施过程如下：

步骤一：将飞秒激光聚焦到铁电晶体表面，在晶体表面加工出标记点。

针对步骤一，本实施例采用以下方式实现：

样品为z切5％氧化镁掺杂铌酸锂晶体，厚度为500μm。样品被安装在一个高精度的位移支架(Aerotech公司)上，该支架配备了一个PC驱动的3轴XYZ交叉滚轴轴承定位系统。

对于飞秒激光光源，其可调整参数有平均功率、重复频率、脉宽和波长；对于聚焦参数，可调整的参数有焦点距离和焦点形态和大小；对于加工方式，有单脉冲辐射、多脉冲辐射和脉冲序列辐射，这些都能影响到飞秒激光标记的效果。

一个通用的飞秒激光制造系统被用来做激光标记和诱导三维热电场。光源来自一个再生放大的基于Yb:KGW的激光系统(Pharos,Light Conversion)，其激光波长为1026nm，重复频率为1000kHz，脉宽为170fs，脉冲能量可以通过一个由半波片和偏振片组成的衰减器在0到400μJ之间连续调节；用50倍的显微镜物镜(NA＝0.42)聚焦激光，产生一个直径约为1-2微米的焦斑。在加工过程中，光的偏振是沿着晶体的Y方向。如图2所示，是用能量为120nJ的单飞秒脉冲聚焦到铌酸锂+z表面加工的标记点。

步骤二：将飞秒激光聚焦到晶体内部且靠近标记点的位置产生热累积，通过热电效应形成的三维电场诱导标记点位置处发生畴反转。

针对步骤二，本实施例采用以下方式实现：

对于飞秒激光光源，其可调整的参数有平均功率、重复频率、脉宽和波长；对于聚焦参数，可调整的参数有焦点距离和焦点形态和大小；对于加工方式，有单脉冲辐射、多脉冲辐射和脉冲序列辐射，这些都能影响到飞秒激光在铌酸锂中诱导三维热电场的效果。

本步骤采用的飞秒激光制造系统同步骤一。如图3所示，是用多脉冲激光从铌酸锂+z表面入射到晶体表面下20μm的位置处诱导三维热电场，从而在标记点诱导出畴反转的结果。示例中，第一步激光标记(Laser Marking)用LM表示，第二步激光诱导(LaserInduction)用LI表示。

实验步骤如图1所示，先用激光在表面加工多个标记点，然后再用激光在这些标记点附近诱导热电场，来实现大规模操控。用脉冲数为1，脉冲能量150nJ的LM在晶体表面加工了直径分别为20，30和40μm的内中外3个标记圆环。加工的标记点在光学显微镜成像如图2所示。由于要超过晶体损伤阈值，因此会在晶体表面留下很轻微的烧蚀，标记点的尺寸约为1μm。内中外三个圆环上的标记点数目分别为32、47和63，点之间的间距为2μm。

然后用脉冲数为500000，脉冲能量分别为300、400、500、600、700、800、900nJ的LI在晶体表面下20μm的圆环中心诱导热电场，实验结果如3所示。当LI能量在400nJ之前，诱导的电场非常弱，只能在内环的标记部位零星地反转铁电畴。而当能量达到400nJ时，内环上的畴反转比例增加到～30％。随着能量的增加，内环上发生畴反转的标记位点越来越多。当能量为900nJ时，畴反转的比例为100％。随着LI能量的增加，在中环和外环上的标记位点也有类似的趋势。不同的是，操纵多畴反转所需的最小LI能量分别提高到600nJ和700nJ，而畴反转的比例没有内环上的高。这些反映了两点，一是标记物的“质量”的随机性，每个位点都有不同的矫顽场。第二，电场的强度和范围随着LI能量的增加而增加。如果需要在中环或者外环上100％诱导畴反转，可以在持续增加能量或者将LI靠近中环或者外环上的标记点。

在畴生长的平均长度随LI能量的变化，内圆畴和中圆畴变短，分别从80μm降至10μm和30μm降至15μm。而外圆上的畴长则从20μm增加到40μm。当LI能量为700nJ时，3个圆上的畴长近似相等。当标记部位的极化方向被热电场逆转时，驱动畴生长的不仅是热电场，还有畴反转后位移原子的动能和势能。这些能量是由极化电场赋予的，当它大于相反方向的电场时，畴可以继续增长，从而超过LI的深度。对于所有的LI能量，最长的畴更可能出现在畴群的最外层。LI能量小时，最长的畴出现在内环，随着LI能量提高，最长的畴先出现在中环，然后出现在外环上。最长的畴一般约为80μm，最高可达130μm。激光诱导的电场是一个从低温向高温方向的双极场，意味着在极性电场以下的相反方向的电场抑制畴生长。提高LI能量提高标记点处的热电场场，同样提高了LI焦点下方的，与晶体自发极化方向的电场强度，这会抑制畴反转动力学引导的畴成长。相对于特定标记点，在LI位置不变的情况下，在不同的LI能量下，标记点下畴长会增大后减小。LI形成的热电场分布不均匀，当标记点在晶体表面时，制造反转畴的长度存在不一致。能够通过在晶体内部添加标记点来限制畴的长度。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。