濟南量子技術(shù)研究院發(fā)現(xiàn)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(shè)計并構(gòu)建了一種實時監(jiān)測裝置用于探究周期極化鈮酸鋰(PPLN)晶體的鐵電疇反轉(zhuǎn)動力學(xué)，并通過設(shè)計新型微納電極結(jié)構(gòu)，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(yīng)用帶來新的契機。

  該研究成果發(fā)表在國際著名期刊《Small》(JCR一區(qū)，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(yǎng)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 實時監(jiān)測裝置圖以及實時監(jiān)測結(jié)果 

  光學(xué)超晶格晶體是一種重要的非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換晶體，具有頻率轉(zhuǎn)換效率高、設(shè)計自由、體積小、成本低等優(yōu)點，可以實現(xiàn)基質(zhì)晶體透光范圍內(nèi)任何波長的激光輸出。基于鈮酸鋰鐵電疇的光學(xué)超晶格結(jié)構(gòu)(周期極化鈮酸鋰，PPLN)是非線性倍頻、合頻、差頻、光參量振蕩應(yīng)用的重要器件，廣泛應(yīng)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(jié)構(gòu)調(diào)控動力學(xué)不明確，實現(xiàn)精確的超晶格結(jié)構(gòu)一直是制備特定光學(xué)應(yīng)用的主要障礙。

  如何實時監(jiān)測鈮酸鋰光學(xué)超晶格的制備過程，探索疇生長動力學(xué)以獲得高精度的超晶格結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵問題之一。

圖2 普通電極與多孔電極結(jié)構(gòu)局域電場有限元分析 

  為了研究鐵電疇反轉(zhuǎn)動力學(xué)，針對固體透明電極外加電場極化方法在高溫下的極化過程監(jiān)測，團隊設(shè)計并構(gòu)建了一套簡便的實時監(jiān)測系統(tǒng)，用于原位觀察鈮酸鋰周期極化過程。針對實時監(jiān)測系統(tǒng)的高精度監(jiān)測，作者討論了不同極化狀態(tài)下的疇成核、生長和全局監(jiān)測。

  結(jié)合有限元分析，疇的成核和生長與電場分布密切相關(guān)。團隊提出了一種多孔電極結(jié)構(gòu)，可以更有效、更可控地利用局域電場，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(jié)合實時監(jiān)測系統(tǒng)，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)實現(xiàn)了1064.2 到3402.4 nm的非線性光轉(zhuǎn)換，非線性光效率高達(dá)26.2%。這項工作為精密超晶格結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)以及極化結(jié)果比較 

本工作得到山東省自然科學(xué)基金、濟南高新區(qū)、山東大學(xué)晶體材料國家重點實驗室和濟南市“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