濟南量子技術(shù)研究院發(fā)現光學(xué)超晶格制備新途徑

  日前，濟南量子技術(shù)研究院與山東大學(xué)合作，設計并構建了一種實(shí)時(shí)監測裝置用于探究周期極化鈮酸鋰(PPLN)晶體的鐵電疇反轉動(dòng)力學(xué)，并通過(guò)設計新型微納電極結構，獲得更高成核密度，用于制備高精度、高靈活性的周期極化鈮酸鋰晶體，為量子通信、光電對抗、激光顯示、生物檢測等領(lǐng)域的應用帶來(lái)新的契機。

  該研究成果發(fā)表在國際著(zhù)名期刊《Small》(JCR一區，IF=13.281)上，文章第一作者為濟南量子技術(shù)研究院與山東大學(xué)聯(lián)合培養博士生劉齊魯，通訊作者為研究院王東周副研究員、劉宏研究員和山東大學(xué)桑元華教授。

圖1 實(shí)時(shí)監測裝置圖以及實(shí)時(shí)監測結果 

  光學(xué)超晶格晶體是一種重要的非線(xiàn)性光學(xué)頻率轉換晶體，具有頻率轉換效率高、設計自由、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現基質(zhì)晶體透光范圍內任何波長(cháng)的激光輸出?；?A href="http://joq5k4q.cn/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e9%93%8c%e9%85%b8%e9%94%82&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">鈮酸鋰鐵電疇的光學(xué)超晶格結構(周期極化鈮酸鋰，PPLN)是非線(xiàn)性倍頻、合頻、差頻、光參量振蕩應用的重要器件，廣泛應用于量子通信、光電對抗、單光子成像等技術(shù)領(lǐng)域。但是由于疇結構調控動(dòng)力學(xué)不明確，實(shí)現精確的超晶格結構一直是制備特定光學(xué)應用的主要障礙。

  如何實(shí)時(shí)監測鈮酸鋰光學(xué)超晶格的制備過(guò)程，探索疇生長(cháng)動(dòng)力學(xué)以獲得高精度的超晶格結構是關(guān)鍵問(wèn)題之一。

圖2 普通電極與多孔電極結構局域電場(chǎng)有限元分析 

  為了研究鐵電疇反轉動(dòng)力學(xué)，針對固體透明電極外加電場(chǎng)極化方法在高溫下的極化過(guò)程監測，團隊設計并構建了一套簡(jiǎn)便的實(shí)時(shí)監測系統，用于原位觀(guān)察鈮酸鋰周期極化過(guò)程。針對實(shí)時(shí)監測系統的高精度監測，作者討論了不同極化狀態(tài)下的疇成核、生長(cháng)和全局監測。

  結合有限元分析，疇的成核和生長(cháng)與電場(chǎng)分布密切相關(guān)。團隊提出了一種多孔電極結構，可以更有效、更可控地利用局域電場(chǎng)，從而獲得更高的疇核密度和更高的均勻性。采用多孔電極結合實(shí)時(shí)監測系統，獲得了2 mm厚的高質(zhì)量PPLN晶體。采用單共振光學(xué)參量振蕩技術(shù)實(shí)現了1064.2 到3402.4 nm的非線(xiàn)性光轉換，非線(xiàn)性光效率高達26.2%。這項工作為精密超晶格結構的制備提供了一條有效的途徑。

圖3 普通電極與多孔電極結構以及極化結果比較 

本工作得到山東省自然科學(xué)基金、濟南高新區、山東大學(xué)晶體材料國家重點(diǎn)實(shí)驗室和濟南市“5150”引才倍增創(chuàng )新人才項目的支持。 論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202202761