山東大學Laser & Photonics Reviews：聲表面波輔助鈮酸鋰晶體周期極化

日前，山東大學晶體材料國家重點實驗室劉宏教授、桑元華教授、李妍璐教授與濟南量子技術研究院/合肥國家實驗室王東周研究員合作，提出了一種基于聲表面波輔助的鈮酸鋰（LN）晶體外加電場極化的鐵電疇調控方案。通過在LN晶體表面配置叉指換能器并施加正弦波激勵電壓，實現了穩定的聲表面波輸出，并利用聲表面波調控極化，明顯改善了疇結構的均勻性。聲表面波通過激活離子可以獲得更高成核密度，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、生物檢測等領域的應用帶來新的契機。該研究成果發表在光學領域知名期刊《Laser & Photonics Reviews》（JCR一區，IF=11.3）上。

基于鈮酸鋰鐵電疇結構的周期極化鈮酸鋰晶體（Periodically poled lithium niobate, PPLN）是非線性倍頻、合頻、差頻、光參量振蕩應用的重要器件，其具有頻率轉換效率高、設計自由、體積小、成本低等優點，可以實現基質晶體透光范圍內任何波長的激光輸出，現已廣泛應用于量子通信、光電對抗、單光子成像等技術領域。因此，精準構建鈮酸鋰晶體鐵電疇結構對于拓展PPLN在可見光和近紫外范圍內的非線性頻率轉換應用具有重要意義。然而，在外加電場極化過程中，特別是小周期（<10 μm）PPLN晶體極化過程中，鈮酸鋰晶體鐵電疇易橫向擴張，難以精確控制其疇結構。

圖1 聲表面波輔助極化裝置

LN晶體作為一種優異的壓電晶體，可以產生攜帶能量和動量的聲表面波（Surface Acoustic Wave, SAW）。近年來，基于LN晶體的SAW在無線通信、光子學、生物醫學、量子科學等領域被廣泛關注，研究團隊利用鈮酸鋰晶體壓電特性，在晶體表面構建叉指換能器并施加激勵電壓產生聲表面波。借助第一性原理模擬深入分析了聲表面波對LN晶體內部形變及內電場的影響，揭示了聲表面波對LN鐵電疇反轉調控的作用機理，即聲表面波可以促使局部離子活化，實現對疇結構均勻性的優化，最終實現了對鈮酸鋰鐵電疇的精確調控這項工作為光學超晶格結構的精準制備提供了一條有效的途徑，對量子通信、光場調控、激光顯示、生物檢測等領域具有重要意義。

圖2 聲表面波對極化過程的影響

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/lpor.202400248

該工作得到了國家自然科學基金委、中國博士后基金會、山東省、山東大學等支持。