本發(fā)明涉及光電子器件制備，更具體的說是涉及一種基于磷酸鈦氧鉀晶體的周期性疇擦除結構元件制備方法及其產(chǎn)品。

背景技術：

1、磷酸鈦氧鉀晶體(ktiopo4或ktp)是一種性能優(yōu)異的非線性鐵電晶體材料，具有較大的非線性光學系數(shù)(約為kdp晶體的15倍)和較寬的光譜透過范圍，接收角大，走離角小，并且化學性質(zhì)和機械性能穩(wěn)定。磷酸鈦氧鉀晶體在激光頻率轉換、光參量振蕩和放大等領域具有重要的應用。通過對磷酸鈦氧鉀晶體的非線性光學系數(shù)(即鐵電晶體疇)進行周期性地調(diào)控，可以在磷酸鈦氧鉀晶體中制備非線性光子晶體結構，從而實現(xiàn)特定波長下的高效非線性頻率轉換。

2、飛秒激光具有超高的峰值功率和超短的脈沖寬度。飛秒激光超高的峰值功率可以在透明光學材料內(nèi)部激發(fā)一系列非線性相互作用過程(如多光子吸收、隧穿電離和雪崩擊穿)，飛秒激光超短的脈沖寬度可以抑制加工過程中熱影響區(qū)域的形成，使飛秒激光微納米級加工成為可能。飛秒激光直寫技術具有加工精度高、加工速度快和真三維加工等特點，在生物醫(yī)學、材料工程和機械制造業(yè)等領域已經(jīng)得到了廣泛的應用。

3、目前，科研工作者已發(fā)現(xiàn)通過設計并優(yōu)化飛秒激光加工參數(shù)，可以在飛秒激光焦點區(qū)域定點擦除非線性鐵電晶體的鐵電疇，再根據(jù)相關相位匹配理論制備周期性的鐵電疇擦除結構，即可實現(xiàn)特定波長下的非線性頻率轉換。

4、中國專利文件cn110568694b公開了一種基于脊型鈮酸鋰單晶薄膜波導集成周期性疇反轉結構的頻率轉換器及其制備方法，該方法基于飛秒激光誘導非線性晶體鐵電疇反轉技術，在鈮酸鋰薄膜(lithium?niobate?on?insulator，或lnoi)上制備周期性的疇反轉結構，并利用精密金剛石刀切割技術(金剛石刀總共切割2次)或酸刻蝕輔助飛秒激光直寫技術(激光總共掃描2次)，沿著周期結構排布的方向在鈮酸鋰薄膜上制備出脊型光波導，進而在波導中實現(xiàn)特定波長下的二次諧波產(chǎn)生。該方法操作簡單、成本低、質(zhì)量高。

5、但是，這種方法是利用飛秒激光誘導鐵電疇反轉技術來制備周期性的鐵電疇結構，該技術需要精確控制飛秒激光能量非常接近但不超過鐵電晶體損傷閾值，靠熱電場誘導激光焦點附近的鐵電晶體疇發(fā)生反轉(非線性系數(shù)由1變?yōu)?1)，在鐵電疇反轉區(qū)域仍然能夠保持單晶原有的光學非線性，對加工參數(shù)和實驗條件的穩(wěn)定性要求相對嚴格；此外，該方法基于多重掃描技術來調(diào)控準相位匹配周期大小及占空比，導致加工成百上千個周期性疇結構所用時間較長；最后，利用該方法盡管能夠實現(xiàn)片上(on-chip)高集成度的頻率轉換光子器件制備和集成，并能夠實現(xiàn)特定波長下的倍頻信號產(chǎn)生，但是很難滿足工業(yè)生產(chǎn)中對激光頻率轉換器件高功率和高穩(wěn)定性的相關需求。

6、因此，如何提供一種對加工參數(shù)和實驗條件要求相對寬松、加工時間更短、穩(wěn)定性高且抗光損傷能力更強(即耐受更高、更強激光)的頻率轉換結構元件，并實現(xiàn)特定波長下的頻率轉換，是本領域技術人員亟需解決的問題。

技術實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于磷酸鈦氧鉀晶體的周期性疇擦除結構元件制備方法及其產(chǎn)品，用于至少解決背景技術中的部分技術問題。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

3、本發(fā)明一方面公開了一種基于磷酸鈦氧鉀晶體的周期性疇擦除結構元件制備方法，包括以下步驟：

4、s1.利用沿晶體z向垂直入射磷酸鈦氧鉀晶體的飛秒激光條形光束，將所述磷酸鈦氧鉀晶體中飛秒激光輻照區(qū)域的鐵電疇進行擦除，生成疇擦除結構；并沿所述磷酸鈦氧鉀晶體的y向平移飛秒激光輻照區(qū)域，得到沿y向排布的周期性疇擦除結構；

5、s2.基于飛秒激光對所述磷酸鈦氧鉀晶體的近表面進行燒蝕，并沿所述磷酸鈦氧鉀晶體的y向進行掃描，制備出兩條平行且貫穿所述周期性疇擦除結構的空氣槽；

6、s3.基于飛秒激光在兩條平行的空氣槽之間，沿所述磷酸鈦氧鉀晶體的y向，掃描制備若干平行的折射率降低型改性刻痕，得到脊型光波導的導波區(qū)域；

7、s4.對與磷酸鈦氧鉀晶體y向垂直的兩個端面，進行光學拋光處理，最終得到磷酸鈦氧鉀晶體周期性疇擦除結構元件。

8、進一步地，本發(fā)明方法步驟s1中，沿晶體z向垂直入射磷酸鈦氧鉀晶體的飛秒激光條形光束通過以下步驟獲取：

9、利用空間光調(diào)制器將飛秒激光高斯光束整形為飛秒激光條形光束，并將所述飛秒激光條形光束經(jīng)過顯微物鏡進行匯聚，得到沿晶體z向垂直入射磷酸鈦氧鉀晶體的飛秒激光條形光束。

10、進一步地，本發(fā)明方法步驟s1中，生成的周期性疇擦除結構中，單周期內(nèi)疇擦除結構的占空比為0.5。

11、進一步地，本發(fā)明方法步驟s2中，制備的每條空氣槽的溝槽深度16μm，跨度為2μm，兩條平行空氣槽的橫向間隔為12μm。

12、本發(fā)明另一方面公開了一種基于磷酸鈦氧鉀晶體的周期性疇擦除結構元件，包括：磷酸鈦氧鉀晶體，所述磷酸鈦氧鉀晶體的通光方向為沿著晶體y向，所述磷酸鈦氧鉀晶體的內(nèi)部設置有沿y向排布有周期性疇擦除結構，所述磷酸鈦氧鉀晶體的表面設置有貫穿所述周期性疇擦除結構的脊型光波導結構，所述脊型光波導結構的通光方向沿著所述磷酸鈦氧鉀晶體的y向。

13、優(yōu)選的，在本發(fā)明公開的周期性疇擦除結構元件中，所述周期性疇擦除結構中，單周期內(nèi)疇擦除結構的占空比為0.5。

14、優(yōu)選的，在本發(fā)明公開的周期性疇擦除結構元件中，所述磷酸鈦氧鉀晶體為z切磷酸鈦氧鉀晶體。

15、優(yōu)選的，在本發(fā)明公開的周期性疇擦除結構元件中，所述脊型光波導結構的底部設置有寬度為2μm，深度為4μm的飛秒激光誘導的折射率降低型刻痕。

16、本發(fā)明還公開了一種磷酸鈦氧鉀晶體頻率轉換器，包括沿光束傳輸方向依次設置的近紅外脈沖激光器、半波片、光纖耦合輸入端、磷酸鈦氧鉀晶體周期性疇擦除結構元件、光纖耦合接收端和濾光片，其中，所述磷酸鈦氧鉀晶體周期性疇擦除結構元件基于本發(fā)明任意一項所述的基于磷酸鈦氧鉀晶體的周期性疇擦除結構元件制備方法得到。

17、經(jīng)由上述的技術方案可知，與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明公開提供了一種基于磷酸鈦氧鉀晶體的周期性疇擦除結構元件制備方法及其產(chǎn)品，具有以下有益效果：

18、本發(fā)明利用整形后的飛秒激光“條形”光束在z切磷酸鈦氧鉀晶體近表面制備周期性疇擦除結構，通過設計并優(yōu)化飛秒激光“條形”光束的寬度，使單周期內(nèi)疇擦除結構的占空比達到0.5，可以在滿足相位匹配的條件下，更加快速高效地制備周期性疇結構并實現(xiàn)特定波長下的非線性頻率轉換；

19、本發(fā)明是在飛秒激光誘導的周期性疇擦除結構中集成了飛秒激光直寫的脊型光波導結構，可以大幅度提升非線性頻率轉換的效率；本發(fā)明采用飛秒激光誘導鐵電疇擦除技術，該技術中聚焦的飛秒激光在鐵電晶體內(nèi)部產(chǎn)生的熱效應較小，可以忽略不計，在激光焦點處，鐵電晶體的非線性可能被完全擦除(非線性系數(shù)由1變?yōu)?)或部分擦除(非線性系數(shù)大于0小于1)，在疇擦除區(qū)域，完美單晶變?yōu)橥耆蔷?完全擦除)或部分非晶(部分擦除)。與飛秒激光誘導疇反轉(非線性系數(shù)由1變?yōu)?1)技術相比，本技術對加工參數(shù)和實驗條件的要求相對寬松(完全擦除或部分擦除均可)，更加易于制備周期性鐵電疇結構和實現(xiàn)非線性頻率轉換；此外，本發(fā)明選用z切磷酸鈦氧鉀晶體材料平臺，該非線性晶體材料具有透過光譜范圍寬、抗光損傷能力強、非線性系數(shù)大、化學性質(zhì)穩(wěn)定等特點，更加有利于實現(xiàn)高功率、高效率和高穩(wěn)定性的頻率轉換器件制備；

20、本發(fā)明公開的基于磷酸鈦氧鉀晶體周期性疇擦除結構的頻率轉換器，具有制造過程簡單、制備速度快、輸出功率高、轉換效率高、穩(wěn)定性好、集成度高和光束質(zhì)量好等特點，并且可以實現(xiàn)特定波長下的非線性頻率轉換，在激光技術、集成光學、非線性光學等領域將會有廣泛的應用。