RU2811419C2 - Nonlinear optical element with quasicontinuous circuit and method of its manufacture - Google Patents
Nonlinear optical element with quasicontinuous circuit and method of its manufacture Download PDFInfo
- Publication number
- RU2811419C2 RU2811419C2 RU2021116943A RU2021116943A RU2811419C2 RU 2811419 C2 RU2811419 C2 RU 2811419C2 RU 2021116943 A RU2021116943 A RU 2021116943A RU 2021116943 A RU2021116943 A RU 2021116943A RU 2811419 C2 RU2811419 C2 RU 2811419C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- crystal
- ordered
- srb
- pbb
- polarity
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Область техники настоящего изобретения Field of the present invention
[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.[001] The present invention relates to strontium tetraborate (SrB 4 O 7 or SBO) and lead tetraborate (PbB 4 O 7 or PBO) crystals having a bulk periodic domain/twin structure with alternating polarity, a method for producing the said crystals, and a solid-state laser high power containing crystals according to the present invention.
Уровень техники настоящего изобретенияBACKGROUND OF THE INVENTION
[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.[002] Lasers have played a key role in the development of many technological advances. There is a demand for laser tools operating in the ultraviolet UV range, including both near-visible UV (VIS) and particularly high-power long-range DUV, which is growing rapidly to meet the needs of industrial materials processing, medicine, and data storage. , optical communications, entertainment and other industries. Advances in semiconductor photolithography, mechanical micromachining and materials processing, for example, are driving demand for coherent light sources operating in the UV and DUV spectral ranges.
[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.[003] Some gas lasers, such as excimer lasers, can emit isolated waves of coherent light in the UV and DUV spectral ranges with high average output power. The use of a compact solid-state laser with beam conversion near 1 micron (μm) using nonlinear optical crystals (NLOs) can provide much higher efficiency and flexibility. The performance of solid-state lasers in the UV and DUV spectral ranges depends largely on advances in the growth and fabrication of efficient and reliable nonlinear optical (NLO) crystals over the past two decades.
[004] Для надежного преобразования частоты лазера требуются кристаллы NLO со следующими свойствами: большой коэффициент NLO (deff), 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.[004] Reliable laser frequency conversion requires NLO crystals with the following properties: high NLO coefficient (d eff ), wide transparency at the wavelength of interest, sufficiently high birefringence to ensure phase matching, small deflection effect, large angular, spectral and temperature bandwidth , high laser radiation resistance, ease of growth and significant size of the grown single crystal, low cost of the material, good chemical stability. In general, the ability to handle higher power densities, increased die length, and increased nonlinear coefficients result in higher UV conversion efficiency. However, in practice there are always some limitations associated with nonlinear crystals.
[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 (λcutoff) или широкую запрещенную энергетическую зону (Eg), 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.[005] Borate-based NLO crystals, such as barium borate (BBO), lithium borate (LBO), and cesium-lithium borate (CLBO), have long been recognized as a highly important family of NLO materials and have found widespread use in laser frequency conversion. The NLO borate crystal must have a relatively short ultraviolet absorption cutoff wavelength (λ cutoff ) or wide energy band gap ( Eg ) to ensure transmission in the UV and DUV spectral ranges. In addition, a large bandgap significantly reduces two-photon absorption or multiphoton absorption and thus in turn increases laser beam resistance in the crystal and leads to a reduction in unwanted thermo-optical effects. Linear absorption of borates is also usually very low.
[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.[006] Borates exhibit sufficiently high nonlinearity and, in some cases, moderate birefringence, which allows phase locking in the visible and ultraviolet ranges. However, as a rule, borates have very low thermal conductivity, which is a significant disadvantage for use in high-power lasers. In addition, most borate-based NLOs, such as BBO and LBO, exhibit hygroscopicity (BBO, LBO) or highly hygroscopicity (CLBO), making these crystals difficult to handle.
[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.[007] There is a group of borates, including, for example, SBO/PBO, which stands out on its own. They exhibit remarkable properties. First, they are characterized by a uniquely large (even among borates) bandgap of approximately 9 eV, and its cutoff wavelength in the ultraviolet region is approximately 130 nm. According to the experimental data obtained, SBO crystals have very low absorption at 1064 and 532 nm, amounting to only a few (less than 10 ppm/cm). It should exhibit high transparency in the UV and DUV spectral ranges. It has mechanical stability and is not hygroscopic. This crystal is easy to grow using Czochralski technology.
[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.[008] In addition, SBO crystals have a very high (for borates) thermal conductivity of approximately 16 W/m⋅K. This is an order of magnitude higher than BBO and LBO. Last but not least, the SBO crystal is one (if not the only) of the very few NLO crystals that does not have two-photon absorption at 266 nm (second harmonic at 532 nm). Combined with its unique optical transparency and high laser beam durability (LIDT), SBO is likely the only nonlinear material capable of withstanding sustained (pulsed and continuous) high power output operation at 266 nm wavelength and power densities that are typical for nonlinear conversion modes (approximately from 100 to 100 MW/cm 2 ). It would be an ideal material for generating ultraviolet radiation, but one minor feature makes it seemingly unsuitable: SBO crystals have very low birefringence. As a consequence, SBO (and PBO) does not provide phase matching for any nonlinear optical interaction.
[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.[009] Quasi-phase matching (QPM) technology based on a periodic crystal structure can be used in some significant cases where bulk phase matching is not possible. QPM technology is designed to compensate for the propagation of interacting waves in a nonlinear material at different velocities due to material dispersion. In the absence of phase matching, the interacting fundamental and harmonic waves collide with each other along the entire length of the NLO crystal due to dispersion. As a result, the harmonic intensity varies sinusoidally, that is, it does not accumulate, as illustrated by curve C in FIG. 1. In other words, a small portion of the power is first transferred from the fundamental wave to the harmonic wave, which is desirable, but the harmonic then gives the resulting fraction of the power back to the fundamental wave. Thus, the transfer of the power fraction is a periodic process with a half-cycle P/2 equal to the coherent length Lc, which is thus the distance over which the phase of the interacting waves changes by an angle 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. [010] To prevent this Sisyphean problem of redistributing power back and forth, the phase of the harmonic polarization wave can be changed by the angle π at point A in FIG. 1, where the power of the harmonic wave begins to be transferred to the main wave. As a result, the power will still combine into harmonics. This can be achieved by changing the sign of polarization of a crystal within the same crystal. Maximum efficiency is achieved by changing the polarization direction of the crystal at each coherence length Lc, which is the distance at which the phases of the corresponding fundamental and stimulated waves change by an angle of 180°. Thus, the sign reversal effectively restores the synchronization of the interaction between the waves, resulting in a continuous transfer of power to the harmonic wave, as shown by curve A in FIG. 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 [011] QPM technology finds wide application in ferroelectric materials such as the lithium niobate family or the potassium titanyl phosphate (KTP) family. There are also some other relatively exotic nonlinear ferroelectrics, such as LaBGeO 5 , which have very limited applications due to certain technical limitations. In all of these materials, periodic domain inversion is created by an external electric field in a process called polarization. However, the maximum limiting aperture (aperture ratio of the optical system) of nonlinear optical devices made from these materials does not exceed 0.5-1 mm at wavelengths in the visible and ultraviolet ranges. It should be noted that the domains in these materials have a typical size (coherent length), which determines the dispersion of the material. Typically, the coherent length is several microns. During the polarization process, the boundaries (separated by the small distance mentioned above) must extend into the material to a depth of several millimeters to produce a device with a reasonable optical aperture. These boundaries must be exactly parallel to each other to create such a structure. Otherwise destruction will occur
[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.[012] Unfortunately, ferroelectric materials are known for the phenomenon of domain expansion, the hallmark of which is non-parallel boundaries. During the polarization process, the boundaries of ferroelectric domains are not strictly parallel, which limits the size of the transparent aperture of ferroelectric structures.
[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.[013] Although the SBO (mm2) symmetry group supports ferroelectric properties in principle, this material, like many if not all borates, is most likely not ferroelectric. For a long time, periodically polarized structures in SBO were considered impossible. But attempts have been made to form a periodic structure in other non-ferroelectric materials. For example, direct connection of physically modified individual thin plates is known. But the thickness of the individual connected plates was much greater than required, and the technology did not find practical application.
[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.[014] The periodically ordered structure of QPM was also realized in a crystal of non-ferroelectric lithium tetraborate (Li 2 B 4 O 7 , LB2) during its recrystallization process. See Maeda et al., “Fabrication of QPM structure during ferroelectric borate crystal growth,” Applied Physics Express 6, 105101 (2013). The described method was implemented by means of a heater in the form of a platinum wire, melting a plate-shaped seed crystal, while the wire moved relative to the seed crystal, first in one direction and then in the opposite direction.
[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.[015] In addition to the complexity and low efficiency of the above method, the fabricated crystal has one fundamental problem. The minimum distance between twins, i.e. the crystal width, is reported to be about 100 μm, which is due to the smallest practical wire diameter. This is an unacceptably large number for generating light in the visible and ultraviolet ranges, where the width of each domain must be from 1 to 20 μm. Creating these short periods in SBO or direct wire melt PBO as described in the above article is not practical.
[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.[016] Periodic twinning of quartz under voltage was undertaken to create a device capable of producing ultraviolet light. The low nonlinearity of quartz and some technical limitations of the method did not bring any useful practical results.
[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.[017] A new practical approach to creating a periodic structure in a non-ferroelectric material is disclosed in US Patent No. 6,970,276. It describes the growth of OP-GaAs (Ordered Orientation GaAs). This material is not ferroelectric, but polar (and nonlinear). To create a periodic structure, a special ordered crystallization nucleus is obtained. The periodic structure is then grown by hydride vapor phase epitaxy (HVPE). These structures are used to convert light into infrared radiation. Unfortunately, materials of this class are opaque even in the visible range of the spectrum, not to mention the ultraviolet range. However, SBO (or other borate) material cannot be grown from the vapor phase using this or any similar method. It is also impossible to obtain a periodically ordered SBO crystallization nucleus using the described approach. In addition, with this approach, domain boundaries in OP-GaAs do not grow exactly in parallel, which limits the optical aperture of devices grown in this way.
[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.[001] As described above, the dimensions of the transparent aperture in periodically flipped crystals are limited to approximately 0.5 to 1 mm at the wavelength in question. This relatively small clear aperture requires tight beam focusing at a fundamental wavelength of less than 100 µm or less, which can be achieved with great difficulty using sophisticated beam guiding optics. Considering the above and other prior art sources, it is not surprising that the low pulsed (or continuous wave) output power of only approximately 1 W at a wavelength of about 266 nm becomes problematic when modern applications require power component of tens of watts. It should be noted that at a wavelength of less than 200 nm, output power on the order of milliwatts is considered very good. However, in many DUV applications, significantly higher power output is urgently needed.
[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.[002] It is common knowledge that, under certain conditions, domains of opposite polarity exist in some crystals. Unfortunately, since they occur spontaneously and are random and disordered, they are useless for any practical application.
[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.[003] If a periodic structure with perfectly parallel boundaries were created specifically at SBO, it would open up numerous possibilities in the field of high power ultraviolet lasers for all solid state laser applications at 266 nm and below 200 nm. It should also be noted that the periodic structure can also be used in acoustic optics and some other applications.
[004] На основании вышеизложенного существует потребность в кристалле SBO/PBO, изготовленном с периодической структурой доменов с переменной полярностью, обеспечивающей механизм QPM.[004] Based on the above, there is a need for an SBO/PBO crystal fabricated with a periodic domain structure with alternating polarity enabling a QPM mechanism.
[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.[005] In addition, there is a need for the above-mentioned SBO/PBO crystal with boundaries of corresponding uniform parallel domains, where the distances between domains are from 1 to 20 μm, and the corresponding domain boundaries deviate from each other by less than 1 micron at a distance of 10 mm.
[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.[006] In addition, there is a need for the above-mentioned SBO/PBO crystal having a limiting aperture of greater than 1 mm, and preferably greater than 5 mm, when operating in the VIS-UV-DUV spectral range.
[007] Кроме того, существует потребность в способе изготовления описанного выше кристалла SBO.[007] In addition, there is a need for a method for manufacturing the SBO crystal described above.
[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.[008] In addition, there is a need for a solid-state laser having a nonlinear frequency converter containing the above-mentioned SBO crystal and generating an output power of several watts to several hundred watts in the VIS-DUV spectral range.
Краткое раскрытие настоящего изобретенияBrief Disclosure of the Present Invention
[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. [009] In accordance with one aspect of the present invention, the SBO and PBO crystal of the present invention is configured with a plurality of domains that have highly parallel boundaries deviating from each other by less than 1 μm at a distance of 10 mm. These domains are fabricated with the corresponding periodically alternating polarity of the crystal axis, which provides the QPM mechanism.
[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.[010] In accordance with one feature of the subject matter of the present invention, the described SrB 4 O 7 or PbB 4 O 7 crystal is used as a nonlinear optical element with a QCW circuit used to generate from the fundamental frequency a higher harmonic selected from the group consisting of generation of the second harmonics, third harmonic generation, higher harmonic generation and optical parametric interactions.
[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.[011] According to the following feature, the SrB 4 O 7 or PbB 4 O 7 crystal according to the present invention is used as a crystallization nucleus for growing larger nonlinear SrB 4 O 7 or PbB 4 O 7 crystals.
[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. [012] The described nonlinear crystal of SrB 4 O 7 or PbB 4 O 7 contains domains, each of which has a thickness of from 0.2 μm to about 20 μm, whose restriction aperture has a diameter of from about 1 mm to about 5 see The described SBO/PBO crystal according to the first aspect may be characterized by all of the above features or any combination of features and any individual feature.
[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.[013] According to a further aspect of the present invention, a method for manufacturing an SBO/PBO crystal with a periodic structure according to the present invention includes arranging the surface of a block of the SBO/PBO crystal to form a plurality of equally sized alternating protected and unprotected regions with the same polarity sign on surfaces. The method then involves generating a perturbation on the ordered surface, thereby changing the sign of the crystal polarity of every other region, such that an SBO/PBO crystal containing multiple domains with alternating polarity and having QPM capability is obtained.
[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.[014] According to one feature of the described method, a layer of photoresist is applied to the surfaces before the ordering step. The desired period mask is then applied over the photoresist layer, resulting in multiple areas of exposed and covered photoresist that alternate with each other, followed by removal of the photoresist layer from the exposed photoresist areas. As a result, an ordered surface is characterized by protected and unprotected regions that alternate with each other.
[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.[015] According to another feature, the ordering step involves metallizing one or more ordered surfaces and then applying a layer of photoresist over the one or more metallized surfaces. The desired period mask is then applied over the photoresist layer, resulting in multiple areas of exposed and coated photoresist that alternate with each other. Finally, the layer of photoresist and metal in the areas with exposed photoresist is removed, resulting in the formation of ordered regions.
[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.[016] According to a further feature of the method in accordance with the second aspect, the perturbation generation step includes the initial structuring of an ordered surface with protected and unprotected regions of the chip block, resulting in formation on every second region.
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.This is followed by the step of creating a surface profile containing, for example, depressions or areas with modified properties or formations. A method in accordance with this feature involves generating an internal disturbance on an ordered surface of a crystal block. One of the probably unique methods is the Czochralski technology for growing ordered crystals with the generation of perturbation at the interface of the grown crystal. As a result, an SrB 4 O 7 /SrB 4 O 7 crystal grows with many domains with alternating polarity corresponding to ordered regions.
[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.[017] Alternatively, the perturbation generation step according to the following feature involves structuring an ordered surface that contains protected and unprotected regions. After this, an orderly surface is created, including shaping in every other area. The method according to this feature then involves applying an externally generated disturbance to structure the ordered surface, thereby changing the sign of the polarity of every other region. Finally, this technological stage is completed by the stage of growing an SrB 4 O 7 or PbB 4 O 7 crystal with multiple domains and alternating polarity.
[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.[018] In accordance with the described method, a disturbance can be generated by applying an external force to protected regions of an ordered surface, periodically changing the sign of the polarity of the domains. The SrB 4 O 7 or PbB 4 O 7 crystal obtained by the method according to the present invention can be used as a frequency converter in a laser system for second harmonic generation, third harmonic generation, higher harmonic generation and optical parametric interactions. Alternatively, this crystal can be used as a crystallization seed to produce a crystal according to the present invention, which is characterized by significantly larger dimensions.
[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.[019] The perturbation can be generated using mechanical stress, thermal stress, electric field, ion implantation, intravolume diffusion, ultraviolet radiation, x-ray radiation, or physical contact with the ordered surface of the secondary block of the SrB 4 O 7 or PbB 4 O 7 crystal. The regions present on the ordered surface of the chip block have a required thickness for VIS-UV-DUV light, which ranges from 0.5 µm to approximately 20 µm.
Краткое описание фигурBrief description of the figures
[020] Представленные выше и другие аспекты и признаки становятся более понятными и очевидными при рассмотрении в сочетании со следующими фигурами, где:[020] The above and other aspects and features become more clear and obvious when considered in conjunction with the following figures, where:
[021] на фиг. 1 представлена графическая иллюстрация принципа квазисинхронизма;[021] in FIG. 1 shows a graphic illustration of the principle of quasi-synchronism;
[022] на фиг. 2 представлено увеличенное изображение кристаллов SBO и PBO согласно настоящему изобретению;[022] in FIG. 2 is an enlarged view of SBO and PBO crystals according to the present invention;
[023] на фиг. 3 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ изготовления кристалла, представленного на фиг. 2, согласно предпочтительному варианту осуществления настоящему изобретению; [023] in FIG. 3 is a flowchart illustrating a manufacturing method for the chip shown in FIG. 2, according to a preferred embodiment of the present invention;
[024] на фиг. 4A-4D представлены схематические иллюстрации выбранных стадий способа согласно настоящему изобретению;[024] in FIG. 4A-4D are schematic illustrations of selected steps of the method according to the present invention;
[025] на фиг. 5 представлено выращивание кристалла SBO/PBO с доменной структурой, происходящей от зародыша кристаллизации, представленного на фиг. 2; и[025] in FIG. 5 shows the growth of an SBO/PBO crystal with a domain structure originating from the crystallization nucleus shown in FIG. 2; And
[026] на фиг. 6 представлено выращивание кристалла SBO/PBO с доменной структурой, происходящей от зародыша кристаллизации.[026] in FIG. Figure 6 shows the growth of an SBO/PBO crystal with a domain structure originating from a crystallization nucleus.
Подробное раскрытие настоящего изобретенияDetailed Disclosure of the Present Invention
[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.[027] The described concepts according to the present invention will now be discussed in detail. To the extent possible, the same or similar reference numerals are used in the figures and description to indicate the same or similar parts or steps. The figures are presented in a simplified form, far from being strictly to scale.
[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.[028] It is common knowledge that domains can have relatively flat/parallel boundaries that extend without noticeable significant deviation. It can be assumed that SBO/PBO may be one of these materials. According to data obtained by the applicants, this proposal was tested by obtaining an SBO crystal having planar boundaries that extend a distance of at least several millimeters. In one of the experimental samples of SBO/PBO crystals grown in accordance with the described method according to the present invention, the deviation of the passing boundaries at a distance of 10 mm did not exceed the detection limit (being 0.1 μm in this case). However, based on the data, it can be assumed that the deviation of twins in the described crystal is less than one period of the crystal lattice. As a result, indefinitely large apertures of QPM structures, which reach several centimeters, can be present in SBO/PBO crystals obtained using the method according to the present invention.
[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.[029] As shown in FIG. 2, the SBO or PBO crystal 10 according to the present invention is configured with a periodic structure of 12 domains 14 and 17 having respective opposite +/- polarities that alternate with each other. These domains have highly parallel boundaries. The periodic structure 12 allows the use of QPM technology to generate a higher harmonic wavelength relative to the fundamental wavelength, which includes second harmonic generation, third and higher harmonic generation, and optical parametric interactions. As a result of recent experiments carried out by the applicants, a crystal 10 having a volumetric periodic order has been obtained, which includes a sequence of equally sized three-dimensional domains 14 and 17 having corresponding positive and negative polarities, which alternate with each other, resulting in a crystal with a confining aperture, whose diameter is up to several centimeters. All domains are configured with the same thickness corresponding to the desired coherence length l and ranging from about 0.2 μm to about 20 μm. The crystal 10 can be used as an optical element, such as a frequency converter, contained in a laser that operates in a variety of frequency ranges. For example, the crystal 10 configured to frequency convert the output laser light in the DUV frequency range has a coherence length l ranging from 0.2 nm to about 5 nm. The volumetric order may extend through the entire thickness of the chip block 10 between the +C and -C surfaces or terminate at a distance from one of these surfaces.
[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.[030] In FIG. 3 and 4A-4D illustrate a multi-step method according to the present invention. Initial stage 32 in FIG. 3 involves producing the SBO/PBO single crystal block 10 shown in FIG. 4A, in accordance with techniques that are well known to one of ordinary skill in the art. The next step is to obtain one (or both) of the +C, -C, or any other polar surface with surface periodic order having the desired period. At this stage, alternative technologies are used, all of which lead to the formation of multiple parallel, identically sized adjacent regions 30, 32 (Fig. 4), which are formed, for example, on the +C surface and thus have the same polarity. However, the structure of every second region differs from the structure of adjacent regions. In other words, regions 30 are structurally different from regions 32. Various technologies can be used to implement such a configuration.
[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.[031] For example, one of the polar faces contains a layer of photoresist, which is shown at number 34 in FIG. 3. Thereafter, using any of the known methods, such as standard lithography or electron beam, a mask with the desired period is applied to the photoresist layer, which is represented by number 36 in FIG. 3. The photoresist layer is then removed from the exposed areas in step 38, leaving the die block 10 shown in FIG. 4B, with a surface order defined by alternating protected and unprotected regions 30, 32, as represented at step 40. As a result, the surface to be ordered contains a plurality of alternating regions of exposed photoresist and mask coating.
[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.[032] Alternatively, step 40, which forms the protected/unprotected regions 30, 32, can be carried out by applying a metal coating to one of the polar faces in step 42. Thereafter, a layer of photoresist is applied on top of the metal coating in step 44. B The steps 36 and 38 discussed above result in an ordered polar surface with protected and unprotected regions 30, 32 at step 40, as shown in FIG. 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.[033] The next step of the method according to the present invention involves producing a crystal 10 having bulk periodic order, in which domains 14 and 17 having different crystal polarities are present. There are several assumptions made and tested by applicants that are critical to the fabrication of the chip 10 shown in FIG. 4D, which is structurally identical to the crystal shown in FIG. 2. According to one assumption, any disturbance affecting regions 30 or 32 or the entire ordered surface +C of the chip block 10 shown in FIG. 4C, leads to a change in the polarity of the affected areas. According to the second assumption, the bulk order, which should be formed as a result of the surface order, acquires all the parameters of the surface order. In other words, the number of regions 30, 32, as well as the length and width of each region remain unchanged as volumetric order flows through the body of the crystal 10 shown in FIG. 4D, but the polarity of every second area changes. Thus, regions 30, 32 of crystal 10 grow into corresponding domains 14 and 17 that extend to the opposite polar surface -C of the crystal, with every other domain, for example 14, having a polarity that varies in the opposite manner to that of domains 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.[034] Consider in particular step 46 in FIG. 3, where the formation of a volumetric periodic order begins with profiling the surface of a single crystal or crystal block 10, shown in FIG. 4B, after the latter has been regularized in step 40. Creating a surface profile with the desired period can be accomplished using a variety of techniques. For example, it is possible to use a matrix with the desired order of formation of the same polarity on an ordered +C surface. The formation may include, for example, periodically alternating indentations and projections that create corresponding teeth on the surface of the chip block 10. In the case of a chip block 10 provided with the formation of regions 30, 32 that are structurally different from each other, alternative techniques can be implemented to change the polarity sign of one group of areas 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.[035] According to one of these technologies, a chip block 10 with a profiled surface is produced in step 46 for use as a crystallization seed for growing a large-size SBO/PBO crystal 10, which is carried out in step 56 shown in FIG. 3 and in fig. 4D and 5, by using, for example, Czochralski technology. The latter technology is one of many high-temperature methods for growing crystals from a melt. All other technologies, such as Bridgman technology, directed recrystallization, growth from solution with the introduction of crystallization nuclei on top and other technologies form part of the described object of the present invention. Consider again FIG. 4, wherein areas 30 of the die block 10 are formed with corresponding features, such as the indentations produced in step 46. Due to the elevated temperatures associated with any thermal crystal growth method, the formed features may disappear through melting. For this reason, the temperature at the interface between the nucleus/crystal 10 and the single crystal should be set at or below the known melting temperature.
[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.[036] However, it is important that as crystal growth continues, the nucleation stress at the interface between the crystallization nucleus 10 and the grown single crystal (Fig. 6) changes the polarity of regions 14 or regions 17 in the grown single crystal. As can be seen, the crystallization nucleus 10 has an order of regions 30, 32 with the same polarity, as indicated by the arrows directed in the same way, but the grown crystal 10 contains domains with corresponding opposite polarities. Once the crystal 10 is fabricated in step 56, it can be used as an optical element, such as a frequency converter, in step 100. Alternatively, the crystal 10 fabricated in step 56 can be further used as a crystallization seed for even larger crystals.
[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.[037] Alternatively, the surface-profiled chip 10 produced in step 46 may be subjected to an externally generated disturbance in step 48, as illustrated in FIG. 4C. For example, it may be a voltage generated mechanically or electrically, or using ion implantation (or intravolume diffusion), ultraviolet or x-ray radiation by any well known voltage generation method. Regardless of the origin and nature of the disturbance, it provides a reversal of the polarity of one group of regions 30 or 32, as represented in step 52. As in the operation described above, the crystal 10 can be used as an optical element in step 100 or used as a crystallization nucleus at step 56. But unlike the procedure described immediately above, the crystal block used in the Czochralski technology contains regions 30 and 32 having corresponding opposite polarities due to a previously applied external force. The grown single crystal acquires the structure of a die block 10. This particular technology is illustrated in FIG. 5. It should be noted that both polarity reversal technologies described above begin with profiling the ordered surface at step 46. However, there is an alternative technology that is described immediately below.
[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.[038] The chip block that is produced in step 40 is directly affected by a force generated by an external source, as shown in step 50 and illustrated in FIG. 6. This force is applied to the protected areas 30 or unprotected areas 32. The application of the external force continues until the selected areas 30 or 32 change initial polarity, as shown in step 52 and represented in FIG. 4D. Thus, the chip block 10 shown in FIG. 4D, contains domains 14 and 17 having alternating polarity. Thereafter, the chip block 10 shown in FIG. 4D can be used as a crystallization nucleus, as shown in step 56 and FIG. 4C if the chip size is 10 in FIG. 4D does not correspond to the desired dimensions, or can be used as received for the operation of the optical element at step 100. Applicants have demonstrated that such an ordered crystal obtained from a crystallization nucleus using any of the approaches described above can grow in the direction of the polar c-axis, non-polar axis a, in any direction between the c and a axes, as well as in the direction close to the a-c plane.
[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.[039] An experimental SBO crystal with a restrictive aperture diameter of 5 cm was recently grown using the method of the present invention. This particular size provides unique favorable conditions for the use of large diameter laser beams at pump wavelengths that impact a selected crystal surface, without expensive optical devices to guide the beam. The length of the SBO 10 crystal in the A-axis direction, which coincides with the beam propagation direction, is limited by the size of the ordered crystallization nucleus, which can extend in the direction of the crystallographic b-axis (Fig. 4D) so that the corresponding region increases. In contrast to known prior art publications, the boundaries of the respective domains 14 and 17 are perfectly parallel to each other.
[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.[040] Experimental crystals fabricated using any of the process steps described above and incorporated into lasers as a frequency converter have demonstrated power output at 266 nm ranging from 1 W to 10 W.
[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.[041] It should be understood that although the present invention has been presented by way of detailed description, the foregoing description is intended to illustrate and not to limit the scope of the present invention as defined by the scope of the appended claims. For example, although the present invention relates to the provision of a periodic structure containing alternating domains of equal width, it is ideally possible to apply the described method to the production of aperiodic structures or non-planar structures such as photonic crystals. Other aspects, advantages and modifications are within the scope of the following claims.
Claims (15)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US62/781,371 | 2018-12-18 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2021116943A RU2021116943A (en) | 2023-01-19 |
| RU2811419C2 true RU2811419C2 (en) | 2024-01-11 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001226196A (en) * | 2000-02-17 | 2001-08-21 | Tokin Corp | Terbium aluminum garnet single crystal and its producing method |
| JP2001244788A (en) * | 2000-02-29 | 2001-09-07 | Mitsubishi Materials Corp | Surface acoustic wave device and electronic device, manufacturing method for the surface acoustic wave, and manufacturing method for piezoelectric material for the surface acoustic wave |
| US6647033B1 (en) * | 2001-04-30 | 2003-11-11 | Sandia Corporation | Optical parametric osicllators with improved beam quality |
| RU2426824C2 (en) * | 2009-02-12 | 2011-08-20 | Михаил Александрович Гоник | Procedure for growing crystals by crucible-less method and device for its implementation |
| RU2527082C2 (en) * | 2009-10-21 | 2014-08-27 | Фуджикура Лтд. | Single crystal, method for producing same, optical insulator and optical processor using same |
| RU175819U1 (en) * | 2017-03-24 | 2017-12-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" | SOURCE OF NARROW-BAND THERAHZ RADIATION PRODUCED IN A LITHIUM NIOBAT CRYSTAL IN THE DIRECTION OF DISTRIBUTION OF EXCITING ULTRA-SHORT LASER PULSES |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001226196A (en) * | 2000-02-17 | 2001-08-21 | Tokin Corp | Terbium aluminum garnet single crystal and its producing method |
| JP2001244788A (en) * | 2000-02-29 | 2001-09-07 | Mitsubishi Materials Corp | Surface acoustic wave device and electronic device, manufacturing method for the surface acoustic wave, and manufacturing method for piezoelectric material for the surface acoustic wave |
| US6647033B1 (en) * | 2001-04-30 | 2003-11-11 | Sandia Corporation | Optical parametric osicllators with improved beam quality |
| RU2426824C2 (en) * | 2009-02-12 | 2011-08-20 | Михаил Александрович Гоник | Procedure for growing crystals by crucible-less method and device for its implementation |
| RU2527082C2 (en) * | 2009-10-21 | 2014-08-27 | Фуджикура Лтд. | Single crystal, method for producing same, optical insulator and optical processor using same |
| RU175819U1 (en) * | 2017-03-24 | 2017-12-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" | SOURCE OF NARROW-BAND THERAHZ RADIATION PRODUCED IN A LITHIUM NIOBAT CRYSTAL IN THE DIRECTION OF DISTRIBUTION OF EXCITING ULTRA-SHORT LASER PULSES |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Satyanarayan et al. | Potassium titanyl phosphate and its isomorphs: Growth, properties, and applications | |
| KR102728671B1 (en) | Method for preparing patterned SrB4BO7 and PbB4O7 crystals | |
| JP6753417B2 (en) | Optical device and optical device manufacturing method | |
| Zhu et al. | Dielectric superlattices for nonlinear optical effects | |
| Shur et al. | Recent achievements in domain engineering in lithium niobate and lithium tantalate | |
| JPH10503602A (en) | Fabrication of patterned polarized dielectric structures and devices | |
| WO1994023335A1 (en) | Diffusion bonded monolithic crystalline material for quasi-phase-matching | |
| Fejer et al. | Quasi-phase-matched interactions in lithium niobate | |
| JP7392792B2 (en) | Wavelength conversion optical device | |
| US8472106B2 (en) | Wavelength conversion element | |
| RU2811419C2 (en) | Nonlinear optical element with quasicontinuous circuit and method of its manufacture | |
| Mason et al. | Review of the development of nonlinear materials for mid-IR generation | |
| US6447606B2 (en) | Method for producing a single-crystalline film of KLN or KLNT | |
| US5744073A (en) | Fabrication of ferroelectric domain reversals | |
| RU2811967C1 (en) | Method for forming domain structure in crystal of strontium tetraborate or lead tetraborate, nonlinear optical converter and laser system based on it | |
| Roth | Stoichiometry and Domain Structure of KTP-Type Nonlinear Optical Crystals | |
| JP2002287191A (en) | Method for generating polarization reversal structure by femtosecond laser irradiation | |
| Schunemann | Quasi-phasematched semiconductors for nonlinear optical frequency conversion | |
| JP2965644B2 (en) | Manufacturing method of wavelength conversion optical element | |
| Kuo et al. | Microstructured semiconductors for mid-infrared nonlinear optics | |
| JP5975507B2 (en) | Method for producing paraelectric periodic twin crystals | |
| Pospelova et al. | PERIODICAL DOMAIN STRUCTURE IN LITHIUM NIOBATA MONOCRYSTALS | |
| Miyazawa et al. | Single crystal growth of ferroelectric LaBGeO5 for optical frequency conversion devices | |
| RU91768U1 (en) | DEVICE FOR LOCAL POLARIZATION OF NIOBATE AND LITHIUM TANTALATE | |
| JP2010008574A (en) | Wavelength conversion device using optical parametric oscillation |