铁电材料内部纳米极化系统及极化方法和退极化方法

1.本发明涉及极化技术，尤其涉及一种铁电材料内部纳米极化系统及极化方法和退极化方法。


背景技术：

2.非线性光学作为现代光学的一个重要分支，在信息通讯、信息存储、成像、传感等领域有着广泛的应用。在非线性过程中，例如频率转换过程，大量用到非线性光学材料。然而，材料固有的色散特性极大地限制了转换效率。而具有周期性二阶非线性系数的非线性光子晶体，能够提供倒格矢来弥补频率转换中的波矢失配，这一匹配方式也被称为准相位匹配。非线性光子晶体需要通过人为调控非线性晶体的铁电畴取向，使其二阶非线性系数呈现周期性分布。
3.制备非线性光子晶体最常用的方法是电极化，这一方法稳定性好，精度高，几乎适用于所有铁电材料，因此得到了广泛应用。利用紫外曝光可以获得微米量级的畴结构，利用电子束曝光可以获得亚微米量级的畴结构，受衍射极限的限制，理论上无法实现无限小的畴反转。此外，还有紫外极化、化学扩散、扫描探针极化、电子束极化、晶体生长等技术也得到了应用，但这些方法都只能制备一维或二维非线性光子晶体。三维纳米非线性光子晶体的制备还存在巨大的挑战。
4.飞秒激光直写技术因具有在透明材料中定点加工特点，成为了克服这一难题的最佳选择。飞秒激光直写技术是指利用显微物镜将激光脉冲聚焦于材料内部，与材料发生相互作用，再通过纳米位移台对加工位置和速度进行控制，从而实现对材料的定点加工。飞秒激光直写技术根据其与物质相互作用的机制可以分为冷加工和热加工，一般来说，低重频的飞秒激光由于其脉冲间隔大，加工时几乎没有热积累，被称为冷加工；高重频的飞秒激光脉冲间隔小，热积累占主导地位，被称为热加工。近年来，飞秒加工技术在光学领域得到了广泛应用，如在材料内部加工波导、在材料表面加工相位板等具有三维空间结构的微纳光子器件。不过现有技术中的飞秒纳米直写技术不可以重构、无法突破衍射极限，且直写精度有待进一步提高。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种精度更高、可以重构的铁电材料内部纳米极化系统及极化方法和退极化方法。
6.技术方案：本发明所述的铁电材料内部纳米极化系统包括飞秒激光器、半波片、偏振分束器、4f光学系统、光快门、二向色镜、由一维纳米位移台驱动的显微物镜、由三维纳米位移台驱动的样品台、照明模块和成像模块，所述飞秒激光器、半波片、偏振分束器、4f光学系统、光快门、二向色镜沿光路方向依次从前到后设置，所述显微物镜位于二向色镜的反射面后方，所述样品台位于所述显微物镜下方，所述照明模块位于所述样品台下方，所述成像模块位于所述二向色镜的透射面后方。其中，所述照明模块包括宽谱白光源和位于宽谱白
光源和样品台之间的准直器。所述成像模块包括沿光路从前到后设置的反射镜、凸透镜和相机。
7.本发明所述的铁电材料内部纳米极化方法基于上述系统，该方法具体包括：
8.将铁电材料的铁电轴平行于样品台表面放置；
9.调节飞秒激光器的入射光功率，诱导铁电材料体内形成微界面；
10.调节一维纳米位移台，使其驱动的显微物镜将光斑聚焦于铁电材料内部，并锁定位置；
11.获取显微物镜聚焦光斑移动方向为+z面指向-z面时可得到的单次最大极化宽度w
max
；
12.获取显微物镜聚焦光斑移动方向为垂直于铁电材料铁电轴时可得到的单次最小极化宽度w
min
；
13.若所需铁电畴的极化宽度w为：w
min《w《wmax
，则执行下列步骤：调节飞秒激光器的入射光功率，使显微物镜的聚焦光斑的能量密度低于铁电材料的损伤阈值，且产生的热电场强度高于矫顽场强度，并通过三维纳米位移台移动样品台，使显微物镜的聚焦光斑以所述微界面为起点并沿特定方向移动l长度进行直写，从而实现铁电材料纳米极化，得到极化宽度为w的铁电畴；其中，l为目标极化长度，所述特定方向具体为：与铁电体自发极化方向的反方向呈角度θ，θ与目标长度l的关系可以近似用下式描述：
14.进一步的，该方法还包括：
15.若所需铁电畴的极化宽度w
《wmin
，则执行下列步骤：
16.a、调节飞秒激光器的入射光功率，使显微物镜的聚焦光斑的能量密度低于铁电材料的损伤阈值，且产生的热电场强度高于矫顽场强度，通过三维纳米位移台移动样品台，使显微物镜的聚焦光斑以所述微界面为起点并沿+z面指向-z面移动l长度进行直写，从而在铁电材料内得到极化宽度为w
max
的铁电畴；
17.b、调节飞秒激光器的入射光功率，使显微物镜的聚焦光斑的功率密度高于反转畴的矫顽场，且低于铁电材料的损伤阈值，通过三维纳米位移台移动样品台，使得铁电畴在平行于样品台平面且垂直于铁电轴方向上移动w
max-w，再通过三维纳米位移台移动样品台，使聚焦光斑相对于铁电材料沿-z面指向+z面移动直写，从而实现铁电畴的部分退极化，得到极化宽度w的铁电畴。
18.进一步的，该方法还包括：
19.若所需铁电畴的极化宽度w
》wmax
，则执行下列步骤：
20.a、计算重复次数a、计算重复次数表示向上取整；
21.b、调节飞秒激光器的入射光功率，使显微物镜聚焦后的光斑的能量密度低于铁电材料的损伤阈值，且产生的热电场强度高于矫顽场强度，通过一维纳米位移台移动样品台，使显微物镜的聚焦光斑以所述微界面为起点并沿+z面指向-z面移动l长度进行直写；
22.c、通过三维纳米位移台移动样品台，使得铁电材料在平行于样品台平面且垂直于铁电轴方向上移动w
max
，并返回执行步骤b，直至次数达到n-1次，得到极化宽度为(n-1)w
max
的铁电畴，执行步骤d；
23.d、通过三维纳米位移台移动样品台，使得铁电材料在平行于样品台平面且垂直于铁电轴方向上移动wm＝w-(n-1)w
max
，并返回执行步骤b，得到极化宽度为w的铁电畴。
24.进一步的，诱导铁电材料体内形成微界面的飞秒激光器的入射光功率获取的方法为：
25.将显微物镜的聚焦光斑聚焦到铁电材料内部，然后逐渐增加功率，直至可以在成像模块中观测到黑点，该黑点为微爆形成的微界面，此时聚焦光斑的能量密度达到铁电体的损伤阈值，记录此时飞秒激光器的入射光功率。
26.进一步的，使显微物镜聚焦后的光斑的能量密度低于铁电材料的损伤阈值、且产生的热电场强度高于矫顽场强度的入射光功率的获取方法为：
27.将显微物镜的聚焦光斑聚焦到铁电材料内部，然后逐渐增加功率，直至可以在成像模块中观测到黑点，该黑点为微爆形成的微界面，记录此时飞秒激光器的入射光功率为使显微物镜的聚焦光斑的能量密度低于铁电材料的损伤阈值的入射光功率；
28.逐渐降低功率，用不同入射光功率产生的聚焦光斑进行直写，然后在对直写过的区域进行观测，若被极化，则继续降低，直至无法极化，实现极化时的最低入射光功率为产生的热电场强度高于矫顽场强度的入射光功率。
29.进一步的，使显微物镜的聚焦光斑的功率密度高于反转畴的矫顽场的入射光功率的获取方法为：
30.以微界面诱导的入射光功率为上限逐渐降低功率，用不同入射光功率产生的聚焦光斑对铁电畴进行退极化直写，然后在对直写过的区域进行观测，若被退极化，则继续降低，直至无法退极化，实现退极化时的最低入射光功率为显微物镜的聚焦光斑的功率密度高于反转畴的矫顽场的入射光功率。
31.本发明所述的铁电材料内部纳米退极化方法基于上述系统，该方法具体包括：
32.将已经极化的铁电畴置于样品台上；
33.调节飞秒激光器的入射光功率，使显微物镜的聚焦光斑的功率密度高于反转畴的矫顽场且低于铁电材料的损伤阈值，通过三维纳米位移台移动样品台，使得聚焦光斑位于已极化的铁电畴上，再通过三维纳米位移台移动样品台，使聚焦光斑在已极化的铁电畴上沿-z面指向+z面移动直写，从而实现铁电畴的退极化。
34.有益效果：本发明可以在铁电材料内实现三维可重构的纳米极化，在三个维度上调控铁电体的二阶非线性系数，并得到突破衍射极限的纳米畴，精度更高。
附图说明
35.图1是本发明提供的铁电材料内部纳米极化系统的结构图；
36.图2为直写方向示意图：其中，a.直写方向沿+z指向-z，实现宽度为w
max
的极化；b.直写方向沿-z指向+z，实现退极化；c.直写方向与铁电轴呈一定角度，且在铁电轴上的投影与铁电体自发极化方向反平行，实现宽度为w的极化，其中w
min《w《wmax
；d.连续控制极化宽度，实现宽度为w
《wmin
的极化。
具体实施方式
37.本实施例提供了一种铁电材料内部纳米极化系统，如图1所示，包括飞秒激光器1、
半波片2、偏振分束器3、4f光学系统(两个共轴凸透镜组成4，5)、光快门6、二向色镜7、由一维纳米位移台15驱动的显微物镜8、由三维纳米位移台16驱动的样品台9、照明模块(包括宽谱白光源10和位于宽谱白光源10和样品台9之间的准直器11)和成像模块(包括沿光路从前到后设置的反射镜12、凸透镜13和相机14)。飞秒激光器1、半波片2、偏振分束器3、4f光学系统、光快门6、二向色镜7、沿光路方向依次从前到后设置，显微物镜8位于二向色镜7的反射面后方，样品台9位于显微物镜8下方，照明模块位于样品台9下方，成像模块位于二向色镜7的透射面后方。其中，飞秒激光器先用钛宝石mhz飞秒激光器，激光波长的选择受铁电材料吸收带的影响，波长在吸收带内的激光难以穿透材料表面进入内部，因此要选择远离吸收带的波段，吸收方式也由传统的单光子吸收变为多光子吸收；扩束系统以将光束扩至显微物镜入射孔径为最佳；反射镜选择镀金属膜并与工作波长匹配的型号，尽量减少界面反射引起的脉冲展宽。
38.本实施例还提供了一种铁电材料内部纳米极化方法，该方法基于上述纳米极化系统，该方法具体包括如下步骤：
39.s1、将铁电材料的铁电轴平行于样品台表面放置。
40.s2、调节飞秒激光器的入射光功率，诱导铁电材料体内形成微界面。
41.其中，诱导铁电材料体内形成微界面的飞秒激光器的入射光功率获取的方法为：将显微物镜的聚焦光斑聚焦到铁电材料内部，然后逐渐增加功率，直至可以在成像模块中观测到黑点，该黑点为微爆形成的微界面，此时聚焦光斑的能量密度达到铁电体的损伤阈值，记录此时飞秒激光器的入射光功率。微界面是直写的起点，或者也可以以微爆点为起点，沿任意方向直写，直写的轨迹也可以作为一种微界面。
42.s3、调节一维纳米位移台，使其驱动的显微物镜将光斑聚焦于铁电材料内部，并锁定位置。
43.s4、获取显微物镜聚焦光斑移动方向为+z面指向-z面时可得到的单次最大极化宽度w
max
。
44.s5、获取显微物镜聚焦光斑移动方向为垂直于铁电材料铁电轴时可得到的单次最小极化宽度w
min
。
45.s6、若所需铁电畴的极化宽度w为：w
min《w《wmax
，则执行下列步骤：调节飞秒激光器的入射光功率，使显微物镜的聚焦光斑的能量密度低于铁电材料的损伤阈值，且产生的热电场强度高于矫顽场强度，并通过三维纳米位移台移动样品台，使显微物镜的聚焦光斑以微界面为起点并沿特定方向移动l长度进行直写，从而实现铁电材料纳米极化，得到极化宽度为w的铁电畴；其中，l为目标极化长度，特定方向具体为：与铁电体自发极化方向的反方向呈角度θ，θ与目标长度l的关系可以近似用下式描述：呈角度θ，θ与目标长度l的关系可以近似用下式描述：实施例中，移动时显微物镜不动，都是移动位移台，使得聚焦光斑相对铁电材料移动。
46.极化原理为：由于加工波长远离铁电体的吸收带边，因此光与物质相互作用以材料的非线性吸收为主。非线性吸收导致铁电体内部被聚焦光作用的区域局部能量升高，并在聚焦光斑附近形成温度场和陡峭的温度梯度。极化作用是由温度场和温度梯度共同作用导致。首先，铁电体在临界温度以上其矫顽场会随温度升高而减小，温度场的存在使得光与铁电体相互作用区域内矫顽场降低，从而降低了极化所需电压，相较于室温下更容易被极
化。其次，聚焦光斑与铁电体相互作用区域导致中心温度升高，与周围未作用区域之间形成温差，由于铁电体材料的热释电特性，会产生局域电场，电场在以光斑中心为球心的球体内分布，电场方向沿径向指向球心。与铁电体自发极化方向反平行的局域电场强度大于矫顽场强度时，就能对铁电体实现有效极化。如图2所示，聚焦光斑相对于铁电体的移动方向沿铁电体+z面指向-z面时，有效作用电场覆盖范围最大，直写后得到的极化宽度也最大；聚焦光斑相对于铁电体的移动方向垂直于铁电轴时，有效作用电场覆盖范围最小，直写后得到的极化宽度也最小。因此，当聚焦光斑相对于铁电体的移动方向在二者之间时，极化宽度也介于二者之间。通过改变直写方向，即可在单次直写过程中控制极化宽度。所需极化宽度w为：w
min《w《wmax
时，移动方向需要与铁电体自发极化方向的反方向呈角度θ，θ与目标长度l的关系可以近似用下式描述：
47.s7、若所需铁电畴的极化宽度w
《wmin
，则执行下列步骤：
48.a、调节飞秒激光器的入射光功率，使显微物镜的聚焦光斑的能量密度低于铁电材料的损伤阈值，且产生的热电场强度高于矫顽场强度，通过三维纳米位移台移动样品台，使显微物镜的聚焦光斑以微界面为起点并沿+z面指向-z面移动l长度进行直写，从而在铁电材料内得到极化宽度为w
max
的铁电畴；
49.b、调节飞秒激光器的入射光功率，使显微物镜的聚焦光斑的功率密度高于反转畴的矫顽场，且低于铁电材料的损伤阈值，通过三维纳米位移台移动样品台，使得铁电畴在平行于样品台平面且垂直于铁电轴方向上移动w
max-w，再通过三维纳米位移台移动样品台，使聚焦光斑相对于铁电材料沿-z面指向+z面移动直写，从而实现铁电畴的部分退极化，得到极化宽度w的铁电畴。
50.其中，使显微物镜聚焦后的光斑的能量密度低于铁电材料的损伤阈值、且产生的热电场强度高于矫顽场强度的入射光功率的获取方法为：将显微物镜的聚焦光斑聚焦到铁电材料内部，然后逐渐增加功率，直至可以在成像模块中观测到黑点，该黑点为微爆形成的微界面，记录此时飞秒激光器的入射光功率为使显微物镜的聚焦光斑的能量密度低于铁电材料的损伤阈值的入射光功率；逐渐降低功率，用不同入射光功率产生的聚焦光斑进行直写，然后在对直写过的区域进行观测，若被极化，则继续降低，直至无法极化，实现极化时的最低入射光功率为产生的热电场强度高于矫顽场强度的入射光功率。
51.s8、若所需铁电畴的极化宽度w
》wmax
，则执行下列步骤：
52.a、计算重复次数a、计算重复次数表示向上取整；
53.b、调节飞秒激光器的入射光功率，使显微物镜聚焦后的光斑的能量密度低于铁电材料的损伤阈值，且产生的热电场强度高于矫顽场强度，通过一维纳米位移台移动样品台，使显微物镜的聚焦光斑以微界面为起点并沿+z面指向-z面移动l长度进行直写；
54.c、通过三维纳米位移台移动样品台，使得铁电材料在平行于样品台平面且垂直于铁电轴方向上移动w
max
，并返回执行步骤b，直至次数达到n-1次，得到极化宽度为(n-1)w
max
的铁电畴，执行步骤d；
55.d、通过三维纳米位移台移动样品台，使得铁电材料在平行于样品台平面且垂直于铁电轴方向上移动wm＝w-(n-1)w
max
，并返回执行步骤b，得到极化宽度为w的铁电畴。
56.其中，使显微物镜的聚焦光斑的功率密度高于反转畴的矫顽场的入射光功率的获取方法为：以微界面诱导的入射光功率为上限逐渐降低功率，用不同入射光功率产生的聚焦光斑对铁电畴进行退极化直写，然后在对直写过的区域进行观测，若被退极化，则继续降低，直至无法退极化，实现退极化时的最低入射光功率为显微物镜的聚焦光斑的功率密度高于反转畴的矫顽场的入射光功率。
57.本实施例还提供了一种铁电材料内部纳米退极化方法，该方法基于上述极化系统，该方法具体包括：
58.将已经极化的铁电畴置于样品台上；
59.调节飞秒激光器的入射光功率，使显微物镜的聚焦光斑的功率密度高于反转畴的矫顽场且低于铁电材料的损伤阈值，通过三维纳米位移台移动样品台，使得聚焦光斑位于已极化的铁电畴上，再通过三维纳米位移台移动样品台，使聚焦光斑在已极化的铁电畴上沿-z面指向+z面移动直写，从而实现铁电畴的退极化。