工 学 硕 士 学 位 论 文近 化 学 计 量 比 钽 酸 锂 晶 体 生 长 及 相 关 准 相位 匹 配 器 件 的 研 究张 学 锋哈 尔 滨 工 业 大 学2008 年 11 月国 内 图 书 分 类 号 ： O437.2国 际 图 书 分 类 号 : 535硕 士 学 位 论 文近 化 学 计 量 比 钽 酸 锂 晶 体 生 长 及 相 关 准 相位 匹 配 器 件 的 研 究硕 士 研 究 生：张 学 锋导 师 ： 吕 志 伟 教 授副 导 师：赵 业 权 教 授申 请 学 位：工 学 硕 士学 科 、 专 业：物 理 电 子 学所 在 单 位：大 庆 佳 昌 科 技 有 限 公 司答 辩 日 期： 2008 年 11 月 14 日授 予 学 位 单 位 ： 哈 尔 滨 工 业 大 学Classified Index: O437.2U.D.C.: 535Dissertation for the Master Degree in EngineeringSTUDY OF THE GROWTH OF NEARSTOICHIOMETRIC LiTaO3 CRYSTAL ANDQUASI-PHASE MATCHING COMPONENTCandidate： Zhang XuefengSupervisor： Prof. Lv ZhiweiAssociate Supervisor： Prof. Zhao YequanAcademic Degree Applied Master of Engineeringfor：Speciality： Physical ElectronicsUnit： Daqing Jachang Technology Co.,LtdDate of Oral Examination： November, 14th, 2008University： Harbin Institute of Technology摘 要摘 要提 出 准 相 位 匹 配 的 概 念 已 经 有 半 个 多 世 纪 ,在 这 半 个 多 世 纪 里 人 们 在 这个 课 题 上 作 了 大 量 的 工 作 ,发 表 论 文 上 千 篇 ,无 论 从 理 论 到 实 际 的 器 件 制 作 都进 行 了 比 较 深 入 的 研 究 ,但 在 实 际 应 用 方 面 ,尤 其 产 品 的 商 业 化 方 面 却 没 有 大的 进 展 ,这 主 要 受 限 于 制 取 光 学 超 晶 格 (准 相 位 匹 配 材 料 )结 构 的 材 料 。 过 去 人们 制 取 这 种 结 构 的 材 料 主 要 集 中 在 同 成 份 的 钽 酸 锂 (CLT) 、 同 成 份 的 铌 酸 锂(CLN) 、 磷 酸 氧 钛 钾 (KTP)等 材 料 上 。 对 于 CLT、 CLN 这 两 种 材 料 存 在 的 主要 问 题 是 有 比 较 高 的 矫 顽 场 ， 只 能 制 作 通 光 面 比 较 小 的 产 品 ， 另 外 这 两 种 材料 的 光 损 伤 阈 值 都 比 较 的 低 。 对 于 KTP 晶 体 ， 传 统 的 生 长 方 法 是 助 熔 剂 生长 ， 这 种 晶 体 由 于 助 熔 剂 离 子 的 进 入 引 起 了 较 大 的 电 导 率 ， 而 无 法 用 外 部 电场 极 化 。 这 几 年 材 料 上 主 要 的 工 作 都 集 中 在 改 进 这 些 材 料 本 身 的 缺 点 上 。 生长 化 学 计 量 比 的 钽 酸 锂 和 铌 酸 锂 (SLT 、 SLN) 就 是 改 进 材 料 性 能 的 主 要 方面 ， 这 种 晶 体 损 伤 阈 值 大 都 提 高 了 1-2 个 数 量 级 ， 矫 顽 场 下 降 1 个 数 量 级 到2000V/mm 左 右 ， 另 外 一 个 重 要 的 改 进 是 用 水 溶 液 法 生 长 KTP 晶 体 ， 保 留KTP 晶 体 原 有 的 性 能 外 ， 减 小 了 电 导 率 。 在 这 两 方 面 都 取 得 了 大 的 进 展 ，都 有 成 功 的 例 子 ， 但 由 于 生 长 方 法 的 原 因 ， 生 长 的 晶 体 都 过 于 昂 贵 ， 影 响 了产 品 的 商 业 化 应 用 。 本 文 就 从 寻 找 一 种 比 较 简 单 实 用 的 方 法 ， 生 长 成 本 比 较低 的 化 学 计 量 比 的 LT 晶 体 ， 来 制 作 介 电 超 晶 格 结 构 ， 涉 及 的 主 要 内 容 有 ：1） 用 助 熔 剂 法 生 长 化 学 计 量 比 的 LT 晶 体 ,解 决 大 尺 寸 、 组 分 均 匀 的 化学 计 量 比 LT 晶 体 的 原 料 配 比 和 生 长 ， 及 晶 体 的 后 续 处 理 方 法 。2） 从 理 论 上 探 讨 了 相 位 匹 配 和 准 相 位 匹 配 ,并 结 合 化 学 计 量 比 LT 晶 体的 实 际 ,设 计 了 产 生 3-5 m 波 长 激 光 的 超 晶 格 结 构 和 相 应 的 调 谐 方 式 。3） 设 计 制 作 了 准 相 位 匹 配 结 构 所 用 的 任 意 波 形 发 生 器 和 高 压 放 大 器 。4） 对 电 场 极 化 反 转 铁 电 体 的 机 理 和 技 术 关 键 进 行 了 深 入 的 研 究 ， 进 行了 相 应 的 极 化 反 转 试 验 ,并 用 制 做 的 样 品 进 行 了 倍 频 试 验 。关 键 词 近 化 学 计 量 比 钽 酸 锂 ； 准 相 位 匹 配 ； 周 期 极 化 钽 酸 锂 ； 光 学 参 量振 荡 器-I-AbstractAbstractThe concept of quasi-phase matching has been presented for half a century.Much research effort, not only theoretical but also practical, has been done andhundreds of papers have been published. But little progress has been achieved onthe aspect of practical application, especially commercial product. The onlyreason is that super crystal lattice material is difficult to obtain, which are usuallylimited at congruent LiTaO3 (CLT), congruent LiNbO3 (CLN), KTiOPO4 (KTP).Because of CLT and CLNs high coercive force and low light injury threshold,the only component with little masking aperture can be produced. For KTP, dueto its high electric conductivity which is lead by fluxing medium during thecourse of growth, it is very hard to polarized just utilize outer electric field.Owing to such reasons mentioned above, much attention about material focus onimprove their own shortcoming, Such as the growth of Near stoichiometricLiTaO3 (SLT) and Near stoichiometric LiNbO3 (SLN), which not only raise lightinjury threshold value up to 12 order but also bring coercive force down 1 orderof magnitude to about 2000V/mm. KTP crystal grown by aqua-solution method isalso appeared which reserves original characteristic except high electricconductivity. Though positive progress has been achieved but its expensive costs,caused by growing directions, has a bad effect on commercial application. Tosolve this problem, a new method of growing LT crystal used to produce quasi-phase structure with low cost is presented. Major contents include such aspects asfollow:1) To obtain LT crystal with heavy gauge and uniform component grown byImproved fluxing medium method, mixture ratio of raw material is studied andoptimum value is gained. Processing method of subsequent crystal is alsopresented.2) Theory of phase matching and quasi-phase matching is studied.Superlattice structure with wavelength of 3-5m and its tuning mode are bothdesigned, which combined with practical situation of LT crystal.3) High voltage Amplifier which can generate custom-built waveformused at quasi-phase matching structure is designed and manufactured.- II -Abstract4) The mechanics and key technique of ferrolectrics reverse underpolarization electric field is deeply researched. Corresponding experiments aboutpolarization reversal with prototype samples have been done and satisfied resultis achieved.Keywords Near stoichiometric LiTaO3 (SLT), Quasi-phase matching (QPM),Period-poling LiTaO3, Optical parametric oscillator (OPO)- III