一种介质层辅助的厚片周期极化铁电晶体制备方法与流程

本发明涉及材料领域，特别涉及一种介质层辅助的厚片周期极化铁电晶体制备方法。

背景技术：

基于准相位匹配技术的周期极化铌酸锂(ppln)晶体因其具有非常大的非线性系数，灵活的设计性和宽通光范围，成为一种重要的非线性光学材料。但是，铌酸锂晶体的抗损伤能力比较低，即使通过掺杂/近化学计量比生长等技术，仍然不能满足大功率密度非线性光学频率转换的需求。现有的解决方案是通过大的通光孔径来实现大功率的激光产生。但是大厚度的周期极化铌酸锂晶体制备及其困难，目前高质量的周期极化铌酸锂最大的制备厚度只有2mm，且仅掌握在少数几个单位手里，并且国外的高质量晶体正在进行对国内的封锁。

在现有技术中，为制备大厚度的ppln晶体，例如“periodicpolingin3-mm-thickmgo:linbo3crystals”[ishizuki,hideki等，japanesejournalofappliedphysics42.2a(2003):l108.]，"half-jouleoutputoptical-parametricoscillationbyusing10-mm-thickperiodicallypoledmg-dopedcongruentlinbo3”[ishizuki,hideki和takunoritaira,opticsexpress20.18(2012):20002-20010]，以及"high-energyquasi-phase-matchedopticalparametricoscillationinaperiodicallypoledmgo:linbo3devicewitha5mm×5mmaperture",[ishizukihideki和takunoritaira，opticsletters30.21(2005):2918-2920]等文献中公开了一些解决方案，但是，基于这些现有方案所制备的大厚度的ppln晶体质量不高，其中没有能够形成完整的周期性畴结构，其性能受到影响。

现有技术中用于获得大厚度周期极化铌酸锂晶体的另一类方案是通过将两个薄的周期极化铌酸锂晶片进行键合来获得大厚度的晶片材料。由于小于2mm的周期极化铌酸锂晶体已经可以通过成熟的技术获得高质量的样品，尤其是1mm及其以下厚度的周期极化铌酸锂晶体，可以较为简单的获得高质量的大尺寸样品。通过将两个这种小厚度的铌酸锂晶体进行键合处理，可以最终获得大厚度的周期极化铌酸锂晶体。例如，在“diffusion-bondedstacksofperiodicallypoledlithiumniobate”[misseymj等.opticsletters,1998,23(9):664-666]、“fabricationofthickperiodically-poledlithiumniobatecrystalsbystandardelectricfieldpolinganddirectbonding”[kimbj等.journaloftheopticalsocietyofkorea,2010,14(4):420-423]、题为“一种制备大厚度周期极化铁电晶体材料的方法”的201110241438.5号中国专利申请等文献中都有类似的报道。

然而，在实践中发现，当前基于键合技术的这些技术并不能获得质量令人满意的大厚度的周期极化铌酸锂晶体。本发明人经大量研究发现，现有技术中都是直接对周期极化铌酸锂晶体进行抛光之后进行键合，由于周期极化铌酸锂晶体的内部结构影响，对其进行精细抛光时会产生周期性的条纹，这将严重影响其表面的抛光精度，即不能形成高平整度的平面，如图1所示。由于在当前基于键合技术的制备方案中不能形成这种具有高平整度的平面，使得在键合过程中容易形成气泡、缺陷，以及存在应力较大的缺点，最终对制备形成的晶体质量造成不利的影响。

此外，现有技术中还公开了另一种用于制备大厚度周期极化铁电晶体材料的方法，例如参见201110431555.8号中国专利申请，其中提出在两个铁电晶体材料的+z面设置透明电极，然后使两个铁电晶体材料在+z面进行键合以得到复合铁电晶体，然后对复合铁电晶体进行极化来获得大厚度周期极化铁电晶体材料的制备方案。通过分析可知，在该方案中，无法控制键合表面的平整度，这使得键合效果不可预期，质量得不到保证；同时，在这种方案下，需要进行处于键合面的透明电极与脉冲电源的连接操作，这使得整个制备操作非常复杂，难以在产业上实施。

技术实现要素：

发明人通过对现有技术进行深入研究，揭露出现有大厚度周期极化铁电晶体材料制备方法效果不佳的根本原因，并针对性地提出一种基于介质层辅助的厚片周期极化铁电晶体制备方法，使得能够以简单的方式制备获得高质量的厚片周期极化铁电晶体，例如铌酸锂晶体、钽酸锂晶体等。

在本发明提出的基于介质层辅助的厚片周期极化铁电晶体制备方法中，在周期极化铁电晶体材料的抛光表面首先制备介质层。该介质层是各向同性的透明材料，然后对该透明介质层进行抛光。由于介质层的存在，可以得到特别平整的表面，有利于形成高质量的键合晶体。介质层的厚度相对晶体厚度来说几乎可以忽略不计，不会对晶体的性能尤其是非线性光学性能造成影响。

具体而言，本发明涉及一种介质层辅助的厚片周期极化铁电晶体制备方法，其包括介质层形成步骤、键合准备步骤和键合步骤，其中：

在所述介质层形成步骤中，在第一周期极化铁电晶体材料和第二周期极化铁电晶体材料的表面上形成预设厚度的透明介质层，并对所述透明介质层的表面进行抛光以形成抛光表面；

在所述键合准备步骤中，将所述第一和第二周期极化铁电晶体材料上的所述透明介质层的所述抛光表面对准，并使所述对准的抛光表面贴合在一起；以及，

在所述键合步骤中，在所述第一和第二周期极化铁电晶体材料的两侧施加压力使两者紧密接触，并在第一预设温度下进行键合，以形成厚片周期极化铁电晶体。

进一步地，本发明的制备方法还包括用于提供所述第一周期极化铁电晶体材料和所述第二周期极化铁电晶体材料的准备步骤。其中，在所述准备步骤中，还对所述第一和第二周期极化铁电晶体材料的表面进行抛光处理以形成抛光表面；并且/或者，通过外加电场极化法制备所述第一和第二周期极化铁电晶体材料。

进一步地，所述周期极化铁电晶体材料为同成分铌酸锂晶体，掺镁同成分铌酸锂晶体，近化学计量比铌酸锂晶体，掺镁近化学计量比铌酸锂晶体，钽酸锂晶体，磷酸钛氧钾，磷酸钛氧铷，砷酸钛氧钾中的一种。

进一步地，所述周期极化铁电晶体材料具有0.5mm-3mm的厚度；并且/或者，所述透明介质层由各向同性的透明材料形成；并且/或者，所述透明介质层的厚度为10-500nm之间；并且/或者，所述透明介质层的抛光表面具有低于5nm的平整度并且/或者，所述透明介质层通过磁控溅射法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、等离子体增强化学的气相沉积法、或者电子束蒸镀法形成。

优选地，所述透明介质层为sio2介质层或者与所述周期极化铁电晶体材料组分相同的介质层。

优选地，在所述键合准备步骤中，对准精度小于或等于±2μm。

优选地，在所述键合步骤中，所述压力介于10-100n/m²之间；并且/或者，所述第一预设温度中的最高温度介于400—800℃之间。

进一步地，本发明的制备方法还包括后处理步骤，用于在第二预设温度下对所述键合步骤提供的所述厚片周期极化铁电晶体进行退火处理，并对经退火处理的所述厚片周期极化铁电晶体的通光面进行抛光。

优选的，所述第二预设温度为300℃。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图来获得其他的附图。

图1示出了现有技术中基于键合作用的大厚度周期极化铌酸锂晶体的制备方法所获得的晶体的表面形貌；

图2示意性示出了本发明的介质层辅助的厚片周期极化铁电(例如铌酸锂)晶体制备方法的步骤。

在附图中：

c1和c2分别为第一和第二周期极化铁电(例如铌酸锂)晶体，它们例如可以由外加电场极化法制备而成；

d1和d2分别为形成于第一和第二铁电晶体c1和c2上的第一和第二介质层；

b-c为最终经键合形成的厚片周期极化铁电(例如铌酸锂)晶体。

具体实施方式

在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。

图2示出了本发明的介质层辅助的厚片周期极化铁电晶体制备方法的流程示意图。

在本发明中，厚片周期极化铁电晶体的制备方法可以包括准备步骤。

在该准备步骤中，可以提供第一周期极化铁电晶体材料和第二周期极化铁电晶体材料。

作为示例，可以利用外加电场极化法来制备周期极化铁电晶体材料。例如，所制备的周期极化铁电晶体材料可以具有0.5mm-3mm的厚度。

在本发明中，铁电晶体材料可以(但不限于)为同成分铌酸锂晶体，掺镁同成分铌酸锂晶体，近化学计量比铌酸锂晶体，掺镁近化学计量比铌酸锂晶体，钽酸锂晶体，磷酸钛氧钾，磷酸钛氧铷，砷酸钛氧钾，或者其它铁电晶体材料。

在该准备步骤中，还可以对第一和第二周期极化铁电晶体材料的表面进行抛光处理以形成抛光表面。例如，可以在晶体材料的键合表面上形成抛光表面。此外，还可以根据需要将第一和第二周期极化铁电晶体材料切割成相同的尺寸。

本发明的厚片周期极化铁电晶体的制备方法还可以包括介质层形成步骤。

在该介质层形成步骤中，可以在第一和第二周期极化铁电晶体材料的抛光表面上形成预设厚度的透明介质层，并对介质层的表面进行精细抛光处理。

透明介质层可以由各向同性的透明材料形成。例如，透明介质层可以为sio2介质层，或者linbo3介质层。

可以借助磁控溅射法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、等离子体增强化学的气相沉积法、或者电子束蒸镀等在第一和第二周期极化铁电晶体材料的抛光表面上形成透明介质层。

透明介质层的厚度可以被控制在纳米量级。优选地，透明介质层的厚度可以被控制在10-500nm之间。

在优选示例中，可以对透明介质层进行精细抛光，以使其平整度低于5nm。

本发明的厚片周期极化铁电晶体的制备方法还可以包括键合准备步骤。

在该键合准备步骤中，可以借助高精度对准技术将第一和第二周期极化铁电晶体材料上的透明介质层的抛光表面准确对准，并使对准的抛光表面贴合在一起。优选地，对准精度可以小于或等于±2μm。

本发明的厚片周期极化铁电晶体的制备方法还可以包括键合步骤。

在该键合步骤中，可以在第一和第二周期极化铁电晶体材料的两侧施加压力使两者紧密接触，并在第一预设温度下进行键合。

在优选示例中，所施加的压力可以介于10-100n/m²之间。第一预设温度中的最高温度可以介于400—800℃之间。

最后，本发明的厚片周期极化铁电晶体的制备方法可以包括后处理步骤。

在该后处理步骤中，可以在第二预设温度下对键合后的周期极化铁电晶体材料进行退火处理，并对经退火处理的周期极化铁电晶体材料的通光面进行抛光处理。

由此，可以基于键合技术，借助介质层由第一和第二周期极化铁电晶体材料获得高质量的厚片周期极化铁电晶体材料。此时，厚片周期极化铁电晶体材料可适用用于制备光学器件。

下面将借助几个示例性实施例进一步说明本发明的介质层辅助的厚片周期极化铁电晶体的制备方法。

(实施例1)

在准备步骤中，利用外加电场极化法制备第一和第二z-cut同成分铌酸锂晶体，其周期为30微米、厚度为1mm、长为30mm、宽为10mm。并且，对第一和第二同成分铌酸锂晶体的待键合表面(其尺寸为30mm×10mm)进行抛光，从而形成抛光表面。

在介质层形成步骤中，分别在第一和第二同成分铌酸锂晶体的抛光表面上通过磁控溅射形成30nm的sio2介质层，并对介质层表面进行精细抛光。

在键合准备步骤中，将第一和第二同成分铌酸锂晶体上经抛光的介质层表面精确对准，并贴合在一起。

在键合步骤中，利用50n/m²的力使第一和第二同成分铌酸锂晶体紧紧贴在一起，并在500℃下加热4小时进行键合。

在后处理步骤中，使键合后的第一和第二同成分铌酸锂晶体在300℃下退火，并对键合后的晶体的通光面进行抛光，从而获得2mm厚、尺寸为30mm×10mm的厚片周期极化同成分铌酸锂晶体。

(实施例2)

在准备步骤中，采用外加电场极化法制备第一和第二z-cut掺镁同成分铌酸锂晶体。其中，第一z-cut掺镁同成分铌酸锂晶体的周期为20微米、厚度为1mm、长为40mm、宽为10mm，第二z-cut掺镁同成分铌酸锂晶体的周期为20微米、厚度为2mm、长为40mm、宽为10mm。

并且，对第一和第二掺镁同成分铌酸锂晶体的待键合表面(其尺寸为40mm×10mm)进行抛光，从而形成抛光表面。

在介质层形成步骤中，分别在第一和第二掺镁同成分铌酸锂晶体的抛光表面上通过磁控溅射形成50nm的sio2介质层，并对介质层表面进行精细抛光。

在键合准备步骤中，将第一和第二掺镁同成分铌酸锂晶体上经抛光的介质层表面精确对准，并贴合在一起。

在键合步骤中，利用30n/m²的力使第一和第二掺镁同成分铌酸锂晶体紧紧贴在一起，并在750℃下加热2小时进行键合。

在后处理步骤中，使键合后的第一和第二掺镁同成分铌酸锂晶体在300℃下退火，并对键合后的晶体的通光面进行抛光，从而获得3mm厚、尺寸为40mm×10mm的厚片周期极化掺镁同成分铌酸锂晶体。

实施例3：

在准备步骤中，利用外加电场极化法制备第一和第二z-cut近化学计量比铌酸锂晶体，其周期为20微米、厚度为1mm、直径为50mm。并且，对第一和第二近化学计量比铌酸锂晶体的待键合表面(其直径为50mm)进行抛光，从而形成抛光表面。

在介质层形成步骤中，分别在第一和第二近化学计量比铌酸锂晶体的抛光表面上通过磁控溅射形成25nm的linbo3介质层，并对介质层表面进行精细抛光。

在键合准备步骤中，将第一和第二近化学计量比铌酸锂晶体上经抛光的介质层表面精确对准，并贴合在一起。

在键合步骤中，利用75n/m²的力使第一和第二近化学计量比铌酸锂晶体紧紧贴在一起，并在400℃下加热6小时进行键合。

在后处理步骤中，使键合后的第一和第二近化学计量比铌酸锂晶体在300℃下退火，并对键合后的晶体的通光面进行抛光，从而获得2mm厚、直径为50mm的厚片周期极化近化学计量比铌酸锂晶体。

在本发明中，通过介质层的独特设计，使得可以得到特别平整的键合表面，有利于形成高质量的键合晶体。同时，介质层的厚度相对晶体厚度来说几乎可以忽略不计，不会对晶体的性能尤其是非线性光学性能造成影响。

尽管前面结合附图通过具体实施例对本发明进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本发明的原理，其并不会对本发明的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本发明的精神和范围。