НЕЛИНЕЙНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ С КВАЗИНЕПРЕРЫВНОЙ СХЕМОЙ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК G02F1/35 

Область техники настоящего изобретения

[001] Настоящее изобретение относится к кристаллам тетрабората стронция (SrB₄O₇ или SBO) и тетрабората свинца (PbB₄O₇ или PBO), имеющим объемную периодическую доменную/двойниковую структуру с чередующейся полярностью, к способу изготовления указанных кристаллов и к твердотельному лазеру высокой мощности, содержащему кристаллы согласно настоящему изобретению.

Уровень техники настоящего изобретения

[002] Лазеры сыграли ключевую роль в развитии многих технологических достижений. Существует спрос на лазерные инструменты, работающие в ультрафиолетовом диапазоне UV, включая как ближний к видимому диапазон UV (VIS), так и дальний диапазон DUV особенно мощного излучения, который стремительно растет, чтобы удовлетворить потребности, которые испытывают промышленная обработка материалов, медицина, хранение данных, оптическая связь, развлечения и другие отрасли. Достижения в области фотолитографии полупроводников, механической микрообработки и обработки материалов, например, стимулируют спрос на когерентные источники света, работающие в спектральных диапазонах UV и DUV.

[003] Некоторые газовые лазеры, такие как эксимерные лазеры, могут излучать изолированные волны когерентного света спектральных диапазонах UV и DUV с высокой средней выходной мощностью. Применение компактного твердотельного лазера с преобразованием излучения вблизи 1 микрона (мкм) с помощью нелинейных оптических кристаллов (NLO) может обеспечить гораздо более высокую эффективность и гибкость. Эксплуатационные характеристики твердотельных лазеров в спектральных диапазонах UV и DUV зависят в основном от достижений в выращивании и изготовлении эффективных и надежных нелинейных оптических (NLO) кристаллов за последние два десятилетия.

[004] Для надежного преобразования частоты лазера требуются кристаллы NLO со следующими свойствами: большой коэффициент NLO (d_eff), широкая прозрачность на интересующей длине волны, достаточно высокое двулучепреломление, обеспечивающее фазовый синхронизм, небольшой эффект отклонения, большая угловая, спектральная и температурная полоса пропускания, высокая лазерная лучевая стойкость, простота выращивания и значительный размер выращиваемого монокристалла, низкая стоимость материала, хорошая химическая устойчивость. Как правило, способность выдерживать более высокую плотность мощности, увеличенная длина кристалла и повышенные нелинейные коэффициенты приводят к более высокой эффективности преобразования в ультрафиолетовое излучение. Однако на практике всегда существуют некоторые ограничения, связанные с нелинейными кристаллами.

[005] Кристаллы NLO на основе боратов, таких как бораты бария (BBO), бораты лития (LBO) и бораты цезия-лития (CLBO), давно завоевали признание в качестве весьма важного семейство материалов NLO и находят широкое применение в преобразовании частоты лазера. Кристалл бората NLO должен иметь относительно короткую предельную длину волны поглощения ультрафиолетового излучения (λ_cutoff) или широкую запрещенную энергетическую зону (E_g), чтобы гарантировать пропускание в спектральных диапазонах UV и DUV. Кроме того, большая запрещенная зона значительно снижает двухфотонное поглощение или многофотонное поглощение и, таким образом, в свою очередь, увеличивает лазерную лучевую стойкость в кристалле и приводит к уменьшению нежелательных термооптических эффектов. Линейное поглощение боратов также обычно очень низкое.

[006] Бораты проявляют достаточно высокую нелинейность и в некоторых случаях умеренное двойное лучепреломление, что позволяет синхронизировать фазу в видимом и ультрафиолетовом диапазоне. Однако, как правило, бораты имеют весьма низкую теплопроводность, что является существенным недостатком для применения в мощных лазерах. Кроме того, большинство NLO на основе боратов, таких как BBO и LBO, проявляют гигроскопичность (BBO, LBO) или высокую гигроскопичность (CLBO), что затрудняет обращение с этими кристаллами.

[007] Существует группа боратов, включая, например, SBO/PBO, которая выделяется сама по себе. Они проявляют замечательные свойства. Во-первых, их характеризует уникально большая (даже среди боратов) ширина запрещенной зоны, составляющая приблизительно 9 эВ, а его предельная длина волны в ультрафиолетовом диапазоне составляет приблизительно 130 нм. Согласно полученным экспериментальным данным кристаллы SBO имеют очень низкое поглощение при 1064 и 532 нм, составляющее лишь несколько (менее чем 10 частей на миллион/см. Он должен проявлять высокую прозрачность в спектральных диапазонах UV и DUV. Он обладает механической устойчивостью и не является гигроскопичным. Этот кристалл легко вырастить с применением технологии Чохральского.

[008] Кроме того, кристаллы SBO имеют очень высокую (для боратов) теплопроводность, составляющую приблизительно 16 Вт/м⋅K. Это на порядок выше, чем у BBO и LBO. И последнее, но не менее важное заключается в том, что кристалл SBO является одним (если не единственным) из очень немногих кристаллов NLO, который не имеет двухфотонного поглощения при 266 нм (вторая гармоника с длиной волны 532 нм). В сочетании с уникальной оптической прозрачностью и высокой лазерной лучевой стойкостью (LIDT), вероятно, SBO представляет собой единственный нелинейный материал, способный выдерживать устойчивую (импульсную и непрерывную) работу с высокой выходной мощностью при длине волны 266 нм и значениях плотности мощности, которые характерны для режимов нелинейного преобразования (приблизительно от 100 до 100 МВт/см²). Он мог бы представлять собой идеальный материал для генерации ультрафиолетового излучения, но его делает, казалось бы, непригодным одна незначительная особенность: кристаллы SBO имеют очень низкое двулучепреломление. Как следствие, SBO (и PBO) не обеспечивает фазовый синхронизм для какого-либо нелинейного оптического взаимодействия.

[009] Технология фазового квазисинхронизма (QPM) на основе периодической кристаллической структуры может быть использована в некоторых существенных случаях, когда объемный фазовый синхронизм невозможен. Технология QPM предназначена для компенсации распространения взаимодействующих волн в нелинейном материале с различными скоростями из-за дисперсии материала. В отсутствие фазового синхронизма взаимодействующие основная и гармоническая волны сталкиваются друг с другом по всей длине кристалла NLO из-за дисперсии. В результате интенсивность гармоники изменяется синусоидально, то есть она не накапливается, как проиллюстрировано кривой C на фиг. 1. Другими словами, небольшая часть мощности сначала передается от основной волны к гармонической волне, что желательно, но затем гармоника отдает полученную долю мощности обратно основной волне. Таким образом, передача доли мощности представляет собой периодический процесс с полупериодом P/2, равным когерентной длине Lc, которая, таким образом, является расстоянием, на котором фаза взаимодействующих волн изменяется на угол π.

[010] Чтобы предотвратить эту сизифову задачу перераспределения мощности вперед и назад, фаза волны гармонической поляризации может быть изменена на угол π в точке A на фиг. 1, где мощность гармонической волны начинает передаваться основной волне. В результате этого мощность будет по-прежнему объединяться в гармонику. Этого можно добиться, изменив знак поляризации кристалла внутри того же кристалла. Максимальная эффективность достигается за счет изменения направления поляризации кристалла на каждой длине когерентности Lc, которая представляет собой расстояние, на котором фазы соответствующих основной и вынужденной волн изменяются на угол 180°. Таким образом, изменение знака эффективно восстанавливает синхронизацию взаимодействия между волнами, что приводит к непрерывной передаче мощности к гармонической волне, как показано кривой A на фиг. 1.

[011] Технология QPM находит широкое применение в сегнетоэлектрических материалах, таких как семейство ниобата лития или семейство титанилфосфата калия (KTP). Существуют и некоторые другие относительно экзотические нелинейные сегнетоэлектрики, такие как LaBGeO₅, которые находят весьма ограниченное применение вследствие некоторых технических ограничений. Во всех этих материалах периодическая инверсия доменов создается внешним электрическим полем в процессе, называемом поляризацией. Однако максимальная ограничительная апертура (светосила оптической системы) нелинейных оптических устройств, изготовленных из этих материалов, не превышает 0,5-1 мм на длинах волн в видимом и ультрафиолетовом диапазонах. Следует отметить, что домены в этих материалах имеют типичный размер (когерентную длину), что определяет дисперсия материала. Как правило, когерентная длина составляет несколько микрон. В процессе поляризации границы (разделенные указанным выше небольшим расстоянием) должны распространяться в материал на глубину нескольких миллиметров, чтобы получилось устройство с обоснованной оптической апертурой. Эти границы должны быть точно параллельны друг другу, чтобы создать такую конструкцию. В противном случае произойдет разрушение

[012] К сожалению, сегнетоэлектрические материалы известны явлением расширения доменов, признак которого представляет собой непараллельные границы. В процессе поляризации границы сегнетоэлектрических доменов не являются строго параллельными, что ограничивает размер прозрачной апертуры сегнетоэлектрических структур.

[013] Хотя группа симметрии SBO (mm2) в принципе поддерживает сегнетоэлектрические свойства, этот материал, как и многие, если не все бораты, наиболее вероятно не является сегнетоэлектриком. Долгое время периодически поляризованные структуры в SBO считались невозможными. Но были предприняты попытки образования периодической структуры в других несегнетоэлектрических материалах. Например, известно прямое соединение физически измененных отдельных тонких пластин. Но толщина отдельных соединенных пластин была намного больше, чем требовалось, и технология не нашла практического применения.

[014] Периодически упорядоченная структура QPM была также реализована в кристалле несегнетоэлектрического тетрабората лития (Li₂B₄O₇, LB2) в процессе его перекристаллизации. См. работу Maeda и др., «Изготовление структуры QPM в процессе выращивания сегнетоэлектрических кристаллов бората», Applied Physics Express 6, 105101 (2013). Описанный способ был реализован посредством нагревателя в форме платиновой проволоки, плавящей пластинчатый зародышевый кристалл, при этом проволока перемещалась относительно зародышевого кристалла сначала в одном направлении, а затем в противоположном направлении.

[015] Помимо сложности и низкой эффективности вышеупомянутого способа, изготовленный кристалл имеет одну фундаментальную проблему. Согласно сообщениям, минимальное расстояние между двойниками, то есть ширина кристалла, составляет около 100 мкм, что обусловлено наименьшим практически возможным диаметром проволоки. Это недопустимо большое число для генерации света в видимом и ультрафиолетовом диапазонах, когда ширина каждого домена должна составлять от 1 до 20 мкм. Создание этих коротких периодов в SBO или PBO с прямым плавлением от проволоки, как описано в вышеупомянутой статье, нецелесообразно.

[016] Периодическое двойникование кварца под напряжением было предпринято для создания устройства, способного производить ультрафиолетовый свет. Низкая нелинейность кварца и некоторые технические ограничения способа не принесли каких-либо полезных практических результатов.

[017] Новый практический подход к созданию периодической структуры в несегнетоэлектрическом материале раскрыт в патенте США № 6,970,276. В нем описано выращивание OP-GaAs (GaAs с упорядоченной ориентацией). Этот материал является не сегнетоэлектрическим, но полярным (и нелинейным). Для создания периодической структуры получают особый упорядоченный зародыш кристаллизации. Затем периодическая структура выращивается методом эпитаксии из гидридной паровой фазы (HVPE). Эти структуры находят применение для преобразования света в инфракрасное излучение. К сожалению, материалы этого класса являются непрозрачными даже в видимом диапазоне спектра, не говоря уже об ультрафиолетовом диапазоне. При этом материал SBO (или другой борат) невозможно выращивать из паровой фазы с применением этого или какого-либо подобного способа. Также невозможно получить периодически упорядоченный зародыш кристаллизации SBO применением описанного подхода. Кроме того, при таком подходе границы доменов в OP-GaAs не растут точно параллельно, что ограничивает оптическую апертуру выращенных таким способом устройств.

[001] Как описано выше, размеры прозрачной апертуры в периодически переворачиваемых кристаллах ограничены на уровне, составляющем приблизительно от 0,5 до 1 мм при рассматриваемой длине волны. Для этой относительно небольшой прозрачной апертуры требуется жесткая фокусировки луча при основной длине волны, не составляющей 100 мкм и меньше, что может быть получено с большой степенью трудности с применением сложной оптики направления луча. С учетом вышеупомянутых и других источников предшествующего уровня техники не оказывается неожиданным, что низкая импульсная (или непрерывная) выходная мощность, составляющая лишь приблизительно всего около 1 Вт при длине волны около 266 нм, становится проблематичной, в то время как для современных задач требуется мощность, составляющая десятки ватт. Следует отметить, что при длине волны, составляющей менее чем 200 нм, считается очень хорошей выходная мощность порядка милливатт. Однако во многих приложениях, связанных с диапазоном DUV, является остро необходимой значительно более высокая выходная мощность.

[002] Является общеизвестным, что при определенных условиях в некоторых кристаллах существуют домены противоположной полярности. К сожалению, поскольку они возникают самопроизвольно и являются случайными и неупорядоченными, они оказываются бесполезны для любого практического применения.

[003] Если бы периодическая структура с идеально параллельными границами была создана специально в SBO, это открыло бы многочисленные возможности в области применения ультрафиолетовых лазеров высокой мощности для всех применений твердотельных лазеров при длине волны 266 нм и ниже 200 нм. Также следует отметить, что периодическая структура может быть использована также в акустической оптике и некоторых других приложениях.

[004] На основании вышеизложенного существует потребность в кристалле SBO/PBO, изготовленном с периодической структурой доменов с переменной полярностью, обеспечивающей механизм QPM.

[005] Кроме того, существует потребность в вышеупомянутом кристалле SBO/PBO с границами соответствующих однородных параллельных доменов, где расстояния между доменами составляют от 1 до 20 мкм, и соответствующие границы доменов отклоняются друг от друга менее чем на 1 микрон на расстоянии 10 мм.

[006] Кроме того, существует потребность в вышеупомянутом кристалле SBO/PBO, имеющем ограничивающую апертуру, составляющую более чем 1 мм и предпочтительнее более чем 5 мм, при работе в спектральном диапазоне VIS-UV-DUV.

[007] Кроме того, существует потребность в способе изготовления описанного выше кристалла SBO.

[008] Кроме того, существует потребность в твердотельном лазере, имеющем нелинейный преобразователь частот, содержащий вышеупомянутый кристалл SBO, и генерирующий выходную мощность от нескольких ватт до нескольких сотен ватт в спектральном диапазоне VIS-DUV.

Краткое раскрытие настоящего изобретения

[009] В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения кристалл SBO и PBO согласно настоящему изобретению сконфигурирован с множеством доменов, которые имеют в высокой степени параллельные границы, отклоняющиеся друг от друга менее чем на 1 мкм на расстоянии 10 мм. Эти домены изготовлены с соответствующей периодически чередующейся полярностью оси кристалла, что обеспечивает механизм QPM.

[010] В соответствии с одним признаком объекта настоящего изобретения, описанный кристалл SrB₄O₇ или PbB₄O₇ используется в качестве нелинейного оптического элемента со схемой QCW, используемой для генерации из основной частоты высшей гармоники, выбранной из группы, которую составляют генерация второй гармоники, генерация третьей гармоники, генерация высших гармоник и оптические параметрические взаимодействия.

[011] В соответствии со следующим признаком, кристалл SrB₄O₇ или PbB₄O₇ согласно настоящему изобретению используется в качестве зародыша кристаллизации для выращивания более крупных нелинейных кристаллов SrB₄O₇ или PbB₄O₇.

[012] Описанный нелинейный кристалл SrB₄O₇ или PbB₄O₇ содержит домены, каждый из которых имеет толщину, составляющую от 0,2 мкм до приблизительно 20 мкм, у которых ограничительная апертура имеет диаметр, составляющий от приблизительно 1 мм до приблизительно 5 см. Описанный кристалл SBO/PBO согласно первому аспекту может быть охарактеризован всеми представленными выше признаками или любым сочетанием признаков и любым индивидуальным признаком.

[013] В соответствии со следующим аспектом настоящего изобретения, способ изготовления кристалла SBO/PBO с периодической структурой согласно настоящему изобретению включает упорядочение поверхности блока кристалла SBO/PBO, в результате чего образуется множество имеющих одинаковые размеры чередующихся защищенных и незащищенных областей с одинаковым знаком полярности на поверхности. После этого способ включает генерацию возмущения на упорядоченной поверхности, в результате чего изменяется знак полярности кристалла каждой второй области, таким образом, что получается кристалл SBO/PBO, содержащий множество доменов с чередующейся полярностью и имеющий способность QPM.

[014] Согласно одному признаку описанного способа перед стадией упорядочения на поверхности наносят слой фоторезиста. Затем маску с желательным периодом наносят поверх слоя фоторезиста, в результате чего образуется множество областей с открытым фоторезистом и покрытым фоторезистом, которые чередуются друг с другом, с последующим удалением слоя фоторезиста из областей с открытым фоторезистом. В результате этого упорядоченная поверхность характеризуется защищенными и незащищенными областями, которые чередуются друг с другом.

[015] Согласно другому признаку стадия упорядочения включает металлизацию одной или нескольких упорядоченных поверхностей и последующее нанесение слоя фоторезиста поверх одной или нескольких металлизированных поверхностей. После этого маску с желательным периодом наносят поверх слоя фоторезиста, в результате чего образуется множество областей с открытым фоторезистом и покрытым фоторезистом, которые чередуются друг с другом. Наконец, удаляют слой фоторезиста и металла в областях с открытым фоторезистом, что приводит к формированию упорядоченных областей.

[016] Согласно следующему признаку способа в соответствии со вторым аспектом стадия генерации возмущения включает начальное структурирование упорядоченной поверхности с защищенными и незащищенными областями блока кристалла, в результате чего образуется формирование на каждой второй области.

После этого осуществляется стадия создания поверхностного профиля, содержащего, например, углубления или области с модифицированными свойствами или формирования. Способ в соответствии с этим признаком включает генерацию внутреннего возмущения на упорядоченной поверхности блока кристалла. Один из вероятно уникальных способов представляет собой технология Чохральского для выращивания упорядоченных кристаллов с генерацией возмущение на границе раздела выращиваемого кристалла. В результате этого растет кристалл SrB₄O₇/SrB₄O₇ с множеством доменов с чередующейся полярностью, соответствующей упорядоченным областям.

[017] В качестве альтернативы, стадия генерации возмущения в соответствии со следующим признаком включает структурирование упорядоченной поверхности, которая содержит защищенные и незащищенные области. После этого создается упорядоченная поверхность, включая формирование в каждой второй области. Затем способ в соответствии с этим признаком включает применение внешнего генерированного возмущения для структурирования упорядоченной поверхности, в результате чего изменяется знак полярности каждой второй области. Наконец, эту технологическую стадию завершает стадия выращивания кристалла SrB₄O₇ или PbB₄O₇ с множеством доменов, имеющий чередующуюся полярность.

[018] В соответствии с описанным способом возмущение можно генерировать посредством приложения внешней силы к защищенным областям упорядоченной поверхности, периодически изменяя знак полярности доменов. Кристалл SrB₄O₇ или PbB₄O₇, полученный способом согласно настоящему изобретению, может быть использован в качестве частотного преобразователя в лазерной системе для генерации второй гармоники, генерации третьей гармоники, генерации высших гармоник и оптических параметрических взаимодействий. В качестве альтернативы, этот кристалл может быть использован в качестве зародыша кристаллизации для изготовления кристалла согласно настоящему изобретению, который отличается значительно более крупными размерами.

[019] Возмущение может быть генерировано с применением механического напряжения, термического напряжения, электрического поля, ионной имплантации, диффузии внутрь объема, ультрафиолетового излучение, рентгеновского излучения или физического контакта с упорядоченной поверхностью вторичного блока кристалла SrB₄O₇ или PbB₄O₇. Области, присутствующие на упорядоченной поверхности блока кристалла, имеют требуемую толщину для света VIS-UV-DUV, которая составляет от 0,5 мкм до приблизительно 20 мкм.

Краткое описание фигур

[020] Представленные выше и другие аспекты и признаки становятся более понятными и очевидными при рассмотрении в сочетании со следующими фигурами, где:

[021] на фиг. 1 представлена графическая иллюстрация принципа квазисинхронизма;

[022] на фиг. 2 представлено увеличенное изображение кристаллов SBO и PBO согласно настоящему изобретению;

[023] на фиг. 3 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ изготовления кристалла, представленного на фиг. 2, согласно предпочтительному варианту осуществления настоящему изобретению;

[024] на фиг. 4A-4D представлены схематические иллюстрации выбранных стадий способа согласно настоящему изобретению;

[025] на фиг. 5 представлено выращивание кристалла SBO/PBO с доменной структурой, происходящей от зародыша кристаллизации, представленного на фиг. 2; и

[026] на фиг. 6 представлено выращивание кристалла SBO/PBO с доменной структурой, происходящей от зародыша кристаллизации.

Подробное раскрытие настоящего изобретения

[027] Далее будут подробно рассмотрены описанные концепции согласно настоящему изобретению. Насколько это возможно, на фигурах и в описании используются одинаковые или аналогичные условные номера для обозначения означают одинаковые или аналогичные детали или стадии. Фигуры представлены в упрощенной форме, далекой от соблюдения точного масштаба.

[028] Общеизвестно, что домены могут иметь относительно плоские/параллельные границы, проходящие без заметного существенного отклонения. Можно предположить, что SBO/PBO может представлять собой один из указанных материалов. Согласно данным, полученным заявителями, это предложение было проверено посредством получения кристалл SBO, имеющий плоские границы, которые проходят расстояние, составляющее по меньшей мере несколько миллиметров. В одном из экспериментальных образцов кристаллов SBO/PBO, выращенных в соответствии с описанным способом согласно настоящему изобретению, отклонение проходящих границ на расстоянии 10 мм не превысило предела обнаружения (составляющего 0,1 мкм в этом случае). Однако на основании данных можно предположить, что отклонение двойников в описанном кристалле составляет менее чем один период кристаллической решетки. В результате этого неопределенно большие апертуры структур QPM, которые достигают нескольких сантиметров, могут присутствовать в кристаллах SBO/PBO, полученных с применением способа согласно настоящему изобретению.

[029] Как представлено на фиг. 2, кристалл SBO или PBO 10 согласно настоящему изобретению сконфигурирован с периодической структурой 12 доменов 14 и 17, имеющих соответствующие противоположные полярности +/-, которые чередуются друг с другом. Указанные домены имеют в высокой степени параллельные границы. Периодическая структура 12 допускает применение технологии QPM для генерации длины волны высшей гармоники по отношению к основной длине волны, что включает генерацию второй гармоники, генерацию третьей и высших гармоник, а также оптические параметрические взаимодействия. В результате недавних экспериментов, проведенных заявителями, был получен кристалл 10, имеющий объемный периодический порядок, который включает последовательность имеющих одинаковые размеры трехмерных доменов 14 и 17, имеющих соответствующий положительный и отрицательные полярности, которые чередуются друг с другом, и получается кристалл с ограничительной апертурой, у которой диаметр составляет вплоть до нескольких сантиметров. Все домены сконфигурированы с одинаковой толщиной, соответствующей желательной длине когерентности l и составляющей от приблизительно 0,2 мкм до приблизительно 20 мкм. Кристалл 10 может быть использован в качестве оптического элемента, такого как частотный преобразователь, содержащийся в лазере, который работает в разнообразных частотных диапазонах. Например, кристалл 10, сконфигурированный для преобразования частоты в выходном лазерном излучении в частотном диапазоне DUV, имеет длину когерентности l, составляющую от 0,2 нм до приблизительно 5 нм. Объемный порядок может проходить через всю толщину блока кристалла 10 между поверхностями +C и -C или заканчиваться на расстоянии от одной из указанных поверхностей.

[030] На фиг. 3 и 4A-4D проиллюстрирован многостадийный способ согласно настоящему изобретению. Начальная стадия 32 на фиг. 3 включает получение блока монокристалла SBO/PBO 10, представленного на фиг. 4A, в соответствии с технологиями, которые хорошо известны обычному специалисту в данной области техники. Следующая стадия предназначена для получения одной (или обеих) из поверхностей +C, -C, или любой другой полярной поверхности с поверхностным периодическим порядком, имеющим желательный период. На этой стадии использованы альтернативные технологии, все их которых приводят к образованию множества параллельных имеющих одинаковые размеры прилегающих областей 30, 32 (фиг. 4), которые образуются, например, на поверхности +C и, таким образом, имеют одинаковую полярность. Однако структура каждой второй области отличается от структуры прилегающих областей. Другими словами, в структурном отношении области 30 отличаются от областей 32. Для осуществления такой конфигурации могут быть использованы различные технологии.

[031] Например, одна из полярных граней содержит слой фоторезиста, который представлен под номером 34 на фиг. 3. После этого с применением любого из известных способов, таких как стандартная литография или электронный пучок, на слой фоторезиста наносят маску с желательным периодом, что представлено под номером 36 на фиг. 3. После этого слой фоторезиста удаляют с незащищенных областей на стадии 38, в результате чего остается блок кристалла 10, представленный на фиг. 4B, с поверхностным порядком, который определяют чередующиеся защищенные и незащищенные области 30, 32, как представлено на стадии 40. В результате этого поверхность, которая должна быть упорядочена, содержит множество чередующихся областей с открытым фоторезистом и покрытием посредством маски.

[032] В качестве альтернативы, стадия 40, на которой образуются защищенные/незащищенные области 30, 32, может быть осуществлена посредством нанесения металлического покрытия на одну из полярных граней на стадии 42. После этого слой фоторезиста наносят поверх металлического покрытия на стадии 44. В результате осуществления обсуждаемых выше стадий 36 и 38 образуется упорядоченная полярная поверхность с защищенными и незащищенными областями 30, 32 на стадии 40, как представлено на фиг. 4B.

[033] Следующая стадия способа согласно настоящему изобретению включает изготовление кристалла 10, имеющего объемный периодический порядок, в котором присутствуют домены 14 и 17, имеющие различные полярности кристалла. Существуют несколько предположений, высказанных и проверенных заявителями, которые имеют решающее значение для изготовления кристалла 10, представленного на фиг. 4D, который является в структурном отношении идентичным кристаллу, представленному на фиг. 2. В соответствии с одним предположением, любое возмущение, воздействующее на области 30 или 32 или на всю упорядоченную поверхность +C блока кристалла 10, представленного на фиг. 4C, приводит к изменению полярности подвергнутых этому воздействию областей. Согласно второму предположению объемный порядок, который должен быть образован в результате поверхностного порядка, приобретает все параметры поверхностного порядка. Другими словами, число областей 30, 32, а также длина и ширина каждой области остаются неизменными, поскольку объемный порядок проходит через тело кристалла 10, представленного на фиг. 4D, но полярность каждой второй области изменяется. Таким образом, области 30, 32 кристалла 10 прорастают в соответствующие домены 14 и 17, которые проходят к противоположной полярной поверхности -C кристалла, причем каждый второй домен, например, 14, имеет полярность, которая изменяется противоположным образом по отношению к полярности доменов 17.

[034] Рассмотрим, в частности, стадию 46 на фиг. 3, где формирование объемного периодического порядка начинается с профилирования поверхности монокристалла или блок кристалла 10, представленного на фиг. 4B, после упорядочения последнего на стадии 40. Создание поверхностного профиля с желательным периодом может быть осуществлено с применением разнообразных технологий. Например, оказывается возможным применение матрицы с желательным порядком формирования одинаковой полярности на упорядоченной поверхности +C. Формирование может включать, например, чередующиеся с желательным периодом углубления и выступы, которые создают соответствующие зубцы на поверхности блока кристалла 10. В случае блока кристалла 10, обеспеченного формированием областей 30, 32, отличающихся в структурном отношении друг от друга, могут быть осуществлены альтернативные технологии для изменения знака полярности одной группы областей 30, 32.

[035] Согласно одной из указанных технологий получается блок кристалла 10 с профилированной поверхностью на стадии 46 для применения в качестве зародыша кристаллизации в целях выращивания крупноразмерного кристалла SBO/PBO 10, что осуществляется на стадии 56, представленной на фиг. 3 и на фиг. 4D и 5, посредством применения, например, технологии Чохральского. Последняя технология представляет собой один из множества высокотемпературных способов выращивания кристаллов из расплава. Все другие технологии, такие как технология Бриджмена, направленная перекристаллизация, выращивание из раствора с внесением сверху зародышей кристаллизации и другие технологии составляют часть описанного объекта настоящего изобретения. Снова рассмотрим фиг. 4, где в областях 30 блока кристалла 10 сформированы соответствующие признаки, такие как углубления, полученные на стадии 46. Вследствие повышенных температур, связанных с любым способом термического выращивания кристаллов, сформированные признаки могут исчезать посредством плавления. По этой причине температуру на поверхности раздела между зародышем кристаллизации/кристаллом 10 и монокристаллом следует устанавливать на уровне или ниже известной температуры плавления.

[036] Однако важно, что в процессе продолжения выращивания кристалла напряжение зародышеобразования на поверхности раздела между зародышем кристаллизации 10 и выращиваемым монокристаллом (фиг. 6) изменяет полярность областей 14 или областей 17 в выращиваемом монокристалле. Как можно видеть, зародыш кристаллизации 10 имеет порядок областей 30, 32 с одинаковой полярностью, что показывают одинаковым образом направленные стрелки, но выращиваемый кристалл 10 содержит домены с соответствующими противоположными полярностями. Когда кристалл 10 изготовлен на стадии 56, он может быть использован в качестве оптического элемента, такого как частотный преобразователь, на стадии 100. В качестве альтернативы, кристалл 10, изготовленный на стадии 56, может быть далее использован в качестве зародыша кристаллизации для еще более крупных кристаллов.

[037] В качестве альтернативы, на кристалл 10 с профилированной поверхностью, полученный на стадии 46, может воздействовать внешнее генерированное возмущение на стадии 48, как проиллюстрировано на фиг. 4C. Например, оно может представлять собой напряжение, произведенное механическим или электрическим способом, или с применением ионной имплантации (или диффузии внутрь объема), ультрафиолетового или рентгеновского излучения любым хорошо известным способом генерации напряжения. Независимо от происхождения и природы возмущения, оно обеспечивает изменение знака полярность одной группы областей 30 или 32, как представлено на стадии 52. Как и в описанной выше операции, кристалл 10 может быть использован в качестве оптического элемента на стадии 100 или использован в качестве зародыша кристаллизации на стадии 56. Но в отличие от процедуры, описанной непосредственно выше, блок кристалла, используемый в технологии Чохральского, содержит области 30 и 32, имеющие соответствующие противоположные полярности вследствие предварительно приложенной внешней силы. Выращиваемый монокристалл приобретает структуру блока кристалла 10. Эта конкретная технология проиллюстрирована на фиг. 5. Следует отметить, что обе технологии изменения знака полярность, которые описаны выше, начинаются с профилирования упорядоченной поверхности на стадии 46. При этом существует альтернативная технология, которая описана непосредственно ниже.

[038] На блок кристалла, который получен на стадии 40, непосредственно воздействует сила, которую генерирует внешний источник, как показано на стадии 50 и проиллюстрировано на фиг. 6. Эта сила воздействует на защищенные области 30 или незащищенные области 32. Приложение внешней силы продолжается до тех пор, пока в выбранных областях 30 или 32 не изменится начальная полярность, как показано на стадии 52 и представлено на фиг. 4D. Таким образом, блок кристалла 10, представленный на фиг. 4D, содержит домены 14 и 17, имеющие чередующуюся полярность. После этого блок кристалла 10, представленный на фиг. 4D, может быть использован в качестве зародыша кристаллизации, как показано на стадии 56 и на фиг. 4C, если размер кристалла 10 на фиг. 4D не соответствует желательным размерам, или может быть использован в полученном виде для функционирования оптического элемента на стадии 100. Заявители продемонстрировали, что такой упорядоченный кристалл, полученный из зародыша кристаллизации с применением любого из описанных выше подходов, может расти в направлении полярной оси c, неполярной оси a, в любом направлении между осями c и a, а также в направлении, близком к плоскости a-c.

[039] Экспериментальный кристалл SBO с ограничительной апертурой диаметром 5 см, недавно был выращен с применением способа согласно настоящему изобретению. Этот конкретный размер обеспечивает уникальные благоприятные условия для применения имеющих большой диаметр лазерных пучков при длине волны накачки, которая воздействует на выбранную поверхность кристалла, без дорогостоящих оптических устройств для направления пучка. Длина кристалла SBO 10 в направлении оси A, которое совпадает с направлением распространения пучка, ограничена размерами упорядоченного зародыша кристаллизации, который может проходить в направлении кристаллографической оси b (фиг. 4D), чтобы увеличивалась соответствующая область. В отличие от известных публикаций предшествующего уровня техники, границы соответствующих доменов 14 и 17 являются идеально параллельными по отношению друг к другу.

[040] Экспериментальные кристаллы, изготовленные с применением любой из описанных выше технологических стадий и внедренные в лазеры в качестве частотного преобразователя, продемонстрировали выпускную мощность при 266 нм, составляющую от 1 Вт до 10 Вт.

[041] Следует понимать, что хотя настоящее изобретение было представлено посредством подробного описания, приведенное выше описание предназначено для иллюстрации, но не для ограничения объема настоящего изобретения, определяемого объемом прилагаемой формулой изобретения. Например, хотя настоящее изобретение относится к обеспечению периодической структуры, содержащей чередующиеся домены одинаковой ширины, оказывается идеально возможным применение описанного способа для изготовления апериодических структур или неплоских структур, таких как фотонные кристаллы. Другие аспекты, преимущества и модификации находятся в пределах объема следующей формулы изобретения.

Изобретение относится к нелинейным оптическим элементам с квазинепрерывной схемой и способу их изготовления. Нелинейный оптический элемент на основе кристалл SrB₄O₇ или PbB₄O₇ сконфигурирован с множеством доменов с соответствующей периодически чередующейся полярностью оси кристалла, таким образом, что оптический элемент способен проявлять фазовый квазисинхронизм (QPM). Оптический элемент изготовлен способом, включающим упорядочение поверхности блока кристалла SrB₄O₇ или PbB₄O₇, в результате чего образуются упорядоченные имеющие одинаковые размеры области с одинаковым знаком полярности на поверхности. Способ дополнительно включает создание возмущения на упорядоченной поверхности, что приводит к изменению знака полярности кристалла каждой второй области, и образуется кристалл SrB₄O₇ или PbB₄O₇, содержащий множество доменов с чередующейся полярностью, при этом домены задают объемную периодическую структуру кристалла, позволяющую реализовать механизм фазового квазисинхронизма. Технический результат - создание нелинейного кристалла с периодической структурой, обеспечивающей механизм фазового квазисинхронизма. 2 н. и 13 з.п. ф-лы., 6 ил.

1. Нелинейный оптический элемент с квазинепрерывной схемой (QCW), содержащий кристалл SrB₄O₇ или PbB₄O₇, сконфигурированный с множеством упорядоченных доменов с соответствующей периодически чередующейся полярностью оси кристалла, что обеспечивает фазовый квазисинхронизм (QPM) в кристалле SrB₄O₇ или PbB₄O₇, причем домены задают объемную периодическую структуру кристалла SrB₄O₇ или PbB₄O₇, обеспечивающую фазовый квазисинхронизм.

2. Оптический элемент по п. 1, причем кристалл сконфигурирован как нелинейный оптический элемент с QPM, используемый для преобразования основной частоты в высшую гармонику, выбранную из группы, которую составляют генерация второй гармоники, генерация третьей гармоника, генерация высших гармоник, и оптических параметрических взаимодействий.

3. Оптический элемент по п. 1, причем кристалл сконфигурирован в качестве зародыша для выращивания более крупного нелинейного кристалла SrB₄O₇ или PbB₄O₇.

4. Оптический элемент по п. 1, в котором толщина каждого домена для света ультрафиолетового диапазона (UV) и ближнего к видимому ультрафиолетового диапазона (DUV) находится в диапазоне от 0,2 мкм до приблизительно 20 мкм.

5. Оптический элемент по п. 1, дополнительно имеющий ограничительную апертуру с минимальным диаметром, который составляет от приблизительно 1 мм до приблизительно 5 см.

6. Способ изготовления нелинейного оптического элемента с квазинепрерывной схемой (QCW), содержащего тетраборат стронция (SrB₄O₇) или тетраборат свинца (PbB₄O₇), включающий: упорядочение поверхности блока кристалла SrB₄O₇ или PbB₄O₇, в результате чего образуется множество чередующихся защищенных и незащищенных имеющих одинаковые размеры областей с одинаковым знаком полярности на поверхности; генерацию возмущения на упорядоченной поверхности, в результате чего изменяется знак полярности кристалла каждой второй области, таким образом, что получается блок SrB₄O₇ или PbB₄O₇ с объемной периодической структурой, содержащий множество упорядоченных параллельных доменов с чередующейся полярностью, обеспечивая нелинейный кристалл, который позволяет обеспечить фазовый квазисинхронизм (QPM).

7. Способ по п. 6, в котором стадия упорядочения включает: нанесение слоя фоторезиста на поверхность перед упорядочением, нанесение маски с желательным периодом поверх слоя фоторезиста, в результате чего образуется множество областей с открытым фоторезистом и покрытым фоторезистом, которые чередуются друг с другом, и удаление слоя фоторезиста из областей с открытым фоторезистом, в результате чего образуются защищенные и незащищенные области на поверхности.

8. Способ по п. 6, в котором стадия упорядочения включает: металлизацию упорядоченной поверхности, нанесение слоя фоторезиста поверх металлизированной поверхности, нанесение маски с желательным периодом поверх слоя фоторезиста, в результате чего образуется множество областей с открытым фоторезистом и покрытым фоторезистом, которые чередуются друг с другом, и удаление слоя фоторезиста и металла из областей с открытым фоторезистом, в результате чего образуются упорядоченные области.

9. Способ по п. 6, в котором стадия генерации возмущения включает: структурирование упорядоченной поверхности с защищенными и незащищенными областями блока кристалла, в результате чего образуется формирование на каждой второй области, генерацию внутреннего возмущения на упорядоченной поверхности блока кристалла с применением технология высокотемпературного расплава, в результате чего растет кристалл SrB4O7 или PbB4O7 с множеством доменов с чередующейся полярностью, соответствующих упорядоченным областям, причем в качестве высокотемпературной технологии выбрана технология Чохральского, Бриджмена, направленной перекристаллизации или выращивания из раствора с внесенными сверху зародышами кристаллизации.

10. Способ по п. 6, в котором стадия генерации возмущения включает: структурирование упорядоченной поверхности, имеющей защищенные и незащищенные области, в результате чего образуется формирование на каждой второй области, применение внешнего генерированного возмущения к структурированной упорядоченной поверхности, в результате чего изменяется знак полярности каждой второй области, и применение технологии высокотемпературного расплава, в результате чего растет кристалл SrB₄O₇ или PbB₄O₇ с множеством доменов с чередующейся полярностью, соответствующих полярности соответствующих областей, причем в качестве высокотемпературной технологии выбрана технология Чохральского, Бриджмена, направленной перекристаллизации или выращивания из раствора с внесенными сверху зародышами кристаллизации.

11. Способ по п. 6, в котором стадия генерации возмущения включает применение внешней силы к защищенным областям упорядоченной поверхности, в результате чего изменяется знак полярности каждой второй области.

12. Способ по п. 11, дополнительно включающий применение технологии высокотемпературного расплава, в результате чего этого растет кристалл SrB₄O₇ или PbB₄O₇ с множеством доменов с чередующейся полярностью, соответствующих полярности соответствующих областей, посредством применения блока кристалла с возмущенной упорядоченной поверхностью в качестве зародыша кристаллизации в технологии высокотемпературного расплава, причем в качестве высокотемпературной технологии выбрана технология Чохральского, Бриджмена, направленной перекристаллизации или выращивания из раствора с внесенными сверху зародышами кристаллизации, причем зародыш кристаллизации представляет собой прямоугольник, удлиненный в направлении распространения света, которое соответствует одной из осей блока кристалла, в результате чего становится максимальным выход из монокристалла.

13. Способ по п. 11, включающий введение сформированного кристалла SrB₄O₇ или PbB₄O₇ в лазерную систему для генерации гармоники основной длины волны, причем гармоника выбрана из группы, которую составляют генерация второй гармоники, генерация третьей гармоники, генерация высшей гармоники и оптические параметрические взаимодействия.

14. Способ по п. 10, в котором генерация возмущения включает применение механического напряжения, термического напряжения, электрического поля, ионной имплантации, диффузии внутрь объема, ультрафиолетового излучения, рентгеновского излучения или физического контакта с упорядоченной поверхностью вторичного блока кристалла SrB₄O₇ или PbB₄O₇, причем вводимые в контакт упорядоченные поверхности соответствующих блоков кристаллов имеют противоположные полярности.

15. Способ по п. 6, в котором области, присутствующие на упорядоченной поверхности блока кристалла имеют требуемую толщину для света ультрафиолетового диапазона (UV), ближнего к видимому ультрафиолетовому диапазона (VIS) и дальнего ультрафиолетового диапазона (DUV), составляющую от 0,5 мкм до приблизительно 20 мкм.