[发明专利]铁电材料内部纳米极化系统及极化方法和退极化方法

说明书

本发明公开了一种铁电材料内部纳米极化系统及极化方法和退极化方法，极化系统包括飞秒激光器、半波片、偏振分束器、4f光学系统、光快门、二向色镜、由一维纳米位移台驱动的显微物镜、由三维纳米位移台驱动的样品台、照明模块和成像模块，极化方法和退极化方法基于极化系统实现。本发明精度更高、可以进行三维重构。

技术领域

本发明涉及极化技术，尤其涉及一种铁电材料内部纳米极化系统及极化方法和退极化方法。

背景技术

非线性光学作为现代光学的一个重要分支，在信息通讯、信息存储、成像、传感等领域有着广泛的应用。在非线性过程中，例如频率转换过程，大量用到非线性光学材料。然而，材料固有的色散特性极大地限制了转换效率。而具有周期性二阶非线性系数的非线性光子晶体，能够提供倒格矢来弥补频率转换中的波矢失配，这一匹配方式也被称为准相位匹配。非线性光子晶体需要通过人为调控非线性晶体的铁电畴取向，使其二阶非线性系数呈现周期性分布。

制备非线性光子晶体最常用的方法是电极化，这一方法稳定性好，精度高，几乎适用于所有铁电材料，因此得到了广泛应用。利用紫外曝光可以获得微米量级的畴结构，利用电子束曝光可以获得亚微米量级的畴结构，受衍射极限的限制，理论上无法实现无限小的畴反转。此外，还有紫外极化、化学扩散、扫描探针极化、电子束极化、晶体生长等技术也得到了应用，但这些方法都只能制备一维或二维非线性光子晶体。三维纳米非线性光子晶体的制备还存在巨大的挑战。

飞秒激光直写技术因具有在透明材料中定点加工特点，成为了克服这一难题的最佳选择。飞秒激光直写技术是指利用显微物镜将激光脉冲聚焦于材料内部，与材料发生相互作用，再通过纳米位移台对加工位置和速度进行控制，从而实现对材料的定点加工。飞秒激光直写技术根据其与物质相互作用的机制可以分为冷加工和热加工，一般来说，低重频的飞秒激光由于其脉冲间隔大，加工时几乎没有热积累，被称为冷加工；高重频的飞秒激光脉冲间隔小，热积累占主导地位，被称为热加工。近年来，飞秒加工技术在光学领域得到了广泛应用，如在材料内部加工波导、在材料表面加工相位板等具有三维空间结构的微纳光子器件。不过现有技术中的飞秒纳米直写技术不可以重构、无法突破衍射极限，且直写精度有待进一步提高。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种精度更高、可以重构的铁电材料内部纳米极化系统及极化方法和退极化方法。

技术方案：本发明所述的铁电材料内部纳米极化系统包括飞秒激光器、半波片、偏振分束器、4f光学系统、光快门、二向色镜、由一维纳米位移台驱动的显微物镜、由三维纳米位移台驱动的样品台、照明模块和成像模块，所述飞秒激光器、半波片、偏振分束器、4f光学系统、光快门、二向色镜沿光路方向依次从前到后设置，所述显微物镜位于二向色镜的反射面后方，所述样品台位于所述显微物镜下方，所述照明模块位于所述样品台下方，所述成像模块位于所述二向色镜的透射面后方。其中，所述照明模块包括宽谱白光源和位于宽谱白光源和样品台之间的准直器。所述成像模块包括沿光路从前到后设置的反射镜、凸透镜和相机。

本发明所述的铁电材料内部纳米极化方法基于上述系统，该方法具体包括：

将铁电材料的铁电轴平行于样品台表面放置；

调节飞秒激光器的入射光功率，诱导铁电材料体内形成微界面；

调节一维纳米位移台，使其驱动的显微物镜将光斑聚焦于铁电材料内部，并锁定位置；

获取显微物镜聚焦光斑移动方向为+z面指向-z面时可得到的单次最大极化宽度w_max；

获取显微物镜聚焦光斑移动方向为垂直于铁电材料铁电轴时可得到的单次最小极化宽度w_min；