作者： 时间：2024-09-27
日本OXIDE提供一种通过掺Mg以提高短波长范围内光透过率的锂钽酸盐单晶的PPSLT专利（PPMgSLT专利号：JP4569911）。具体是在锂钽酸盐单晶材料中含有重量比0.1 wt%以上的Mg，并将Fe的混入量控制在重量比10 ppm以下。通过这种方式，不仅提高了蓝光在短波长范围内的光透过率，还使基本吸收边向短波长方向移动。
日本OXIDE PPSLT专利日文名称为“タンタル酸リチウム単結晶、単結晶基板および光素子”，日本OXIDE PPSLT专利中文名称为钽酸锂单晶、单晶基板及钽酸锂光功能器件，PPMgSLT专利号是JP4569911。本文主要介绍日本OXIDE PPMgSLT钽酸锂单晶、单晶基板及钽酸锂光功能器件的专利，缺失专利相关的图片。欢迎找我们索要专利原理，如发现有翻译错误或不准确的地方，欢迎指正。
摘要
目的：提供一种通过掺Mg以提高短波长范围内光透过率的锂钽酸盐单晶。
结构：在锂钽酸盐单晶材料中含有重量比0.1 wt%以上的Mg，并将Fe的混入量控制在重量比10 ppm以下。通过这种方式，不仅提高了蓝光在短波长范围内的光透过率，还使基本吸收边向短波长方向移动。
详细说明
【0001】
【产业上的利用领域】本发明涉及一种用于光记录、测量等领域的第二谐波生成（SHG）光源的单晶光路部件，特别是掺了镁（Mg）以提高短波长区域光透过率的钽酸锂单晶，并且涉及一种用于光路、单晶基板及钽酸锂光功能器件。
【0002】
【现有技术】一般来说，在光记录等领域中，为了提高记录密度，强烈希望激光光源的波长能够缩短。也就是说，波长越短，越能实现高记录密度，因此目前要求提供280-400nm范围的从蓝色到近紫外线的激光光源。作为这种光源，正在关注通过导波型SHG元件将波长为830nm的半导体激光转换为一半波长即415nm的蓝色光。例如，在《Electronics Letters》第25卷第11期（1989年）的731-732页中讨论了一种使用极性反转进行相位匹配的方法。
【0003】作为用于此SHG元件的单晶光路部件，传统上已经知道具有高非线性光学常数的铌酸锂（以下简称LN）单晶（参见美国专利3,262,058号和3,665,205号公告）。为了制造这种SHG元件，例如如图4所示，在LiNbO3基板上通过Ti扩散制作周期性光栅，然后加热到约1100℃反转仅周期性光栅层的极化，随后通过质子交换法制备光波导，注入基波并取出SHG光。然而，这种LN单晶的基础吸收边在320nm附近，即光透过率为零的点，这意味着其无法用于当前需要的280nm以下的短波长区域，这成为一个问题。
【0004】对此，如《日经新材料》（1991年11月4日刊）第45-60页中所述，近年来，报告指出通过质子交换法可以形成低损耗的光波导，因此钽酸锂（以下简称LT）单晶由于其优异的抗光损伤强度，作为通过准相位匹配方式生成第二谐波的波长转换元件的基板材料受到了关注。
【0005】这种LT单晶与LN单晶具有相同的钙钛矿结构，熔点约为1650℃，居里温度约为600℃，是一种铁电体晶体，通常在还原气氛中或含氧还原气氛中使用铱坩埚，通过从熔体中采用提拉法（Czochralski法）生长。由于生长的单晶通常处于多畴状态，因此通过将晶体温度保持在居里温度以上，并在大气或氧气气氛中通过施加电场的缓慢冷却法进行单畴化处理。之后，将晶体加工成晶片并大量用作表面声波器件的基板。通常，由于从坩埚中混入的贵金属、过渡金属及原材料、炉内耐火材料等杂质的混入，晶体可能呈现棕色或淡黄色，但作为表面声波器件的基板使用没有问题。然而，由于这种LT单晶的双折射率较低，因此传统上在光学用途上并未得到广泛使用。使用这种LT基板时，例如如《Appl. Phys. Lett.》第58卷第24期（1991年）第2732-2734页中所述，通过质子交换法代替Ti扩散法制作周期性光栅，并加热至约600℃仅反转周期性光栅层的极化，钽酸锂周期极化，随后通过质子交换法制备光波导的方法也在尝试中。此方法如图5所示。在这种光元件中，光波导的宽度约为4μm，波导深度约为2μm，波长约为433nm的SHG光输出约为15mW，因此其光功率密度达到了约188KW/cm²的高值。
【0006】关于LT（钽酸锂）单晶的其他发明，例如在日本特公昭60-32843号公告中，描述了在添加不超过10mol% MgO的LT基板上形成LT导波路的技术。这项发明旨在通过掺MgO降低折射率，进而相对提高导波路的折射率，从而达到限制光线的效果。此外，具有约350nm基吸收边的钛酸磷酸钾单晶（以下简称KTP单晶）也广泛应用于稍长波长的绿色激光生成中（参见美国专利5,039,187号公告）。
【0007】【发明要解决的问题】然而，通过上述现有技术制造的钽酸锂单晶由于贵金属、过渡金属等从坩埚中混入，以及原材料、炉内耐火材料等带来的杂质污染，导致晶体呈现褐色或淡黄色，并在可见光区域存在光吸收，因此无法应用于使用可见光的光元件。此外，这些杂质也会降低抗光损伤强度，成为阻碍光学用途实用化的重大问题。主要的光吸收原因被认为是晶体中含有的铁等过渡金属杂质，尽管将这些杂质的含量减少到1ppm以下确实可以提高透过率，但完全消除杂质非常困难。其原因在于，对于氧化物单晶的生长，可购得的原料纯度约为4N到5N左右，此外坩埚材料和炉内耐火材料等也会向生长的晶体中引入杂质，因此很难达到半导体那样的高纯度水平，从而使杂质减少存在极限。此外，根据生长条件和热处理条件，氧缺陷也可能被引入晶体中，这也会导致着色和光吸收。
【0008】近年来开发的小型轻量化蓝光源，因钽酸锂单晶基板在可见光区域的光吸收较大或基吸收边位于280nm以上的长波长侧等原因，产生的SHG光的波长最多被限制在约400nm左右。此外，发明者发现，尽管LT单晶的基吸收边约在270nm附近，短波长区域的使用潜力较大，但在280-400nm波段内的光透过率显著下降，这一问题十分严重。此外，对于用于光路部件，尤其是光能量密度较高的导波路的材料，光损伤（光诱导折射率变化）问题也日益凸显，然而由于以前主要用于SAW（表面声波）用途，这一问题并未得到广泛改进和研究。
【0009】此外，虽然据称上述现有技术制造的钽酸锂单晶的抗光损伤强度比铌酸锂单晶更高，但发明者发现，钽酸锂单晶反而比铌酸锂单晶更容易受到光损伤，光学用途中的波长转换元件在实际应用时会出现光损伤，这成为阻碍实用化的重大问题。这里所说的光损伤是指因激光照射导致晶体的局部折射率发生变化的现象，称为光诱导折射率变化。光损伤的产生原因被认为是由晶体中的过渡金属杂质引起的，特别是通过晶体内Fe离子（铁离子）的价态变化来解释该现象。即，当光以非平行于晶体Z轴（光轴）的方向入射时，光强较强的照射区域内的Fe²⁺离子被激发，释放电子并转变为Fe³⁺。这些电子随后被晶体中非照射区域或光照较弱的区域中的其他Fe³⁺捕获，并转变为Fe²⁺。这种现象的总体效应表现为空间电荷分布的变化，进而通过晶体本身的电光效应表现为局部折射率分布的不均匀性。当将晶体用作光调制器或波长转换元件等光学用途的基板时，由于光照区域的折射率变化，导致器件无法稳定工作，或无法充分发挥晶体的固有特性，从而引发严重的问题。
【0010】这种光损伤在使用的光波长越短时越明显，因此，使用短波长光的元件用途中，光损伤问题更加严重。这种光损伤在铌酸锂单晶中尤为突出，而钽酸锂单晶的抗光损伤强度据说比铌酸锂单晶更强。到目前为止，钽酸锂单晶主要用于表面声波元件用途中，在这些用途中，晶体内部的亚晶界和过渡金属杂质等虽然含量较高，但对元件特性影响不大。然而，在光学用途中，由于光损伤的发生，导致元件特性的工作不稳定，光在亚晶界部分被散射等问题出现。此外，虽然传统上被认为有利于提高抗光损伤强度的电场退火法，在元件的功率密度较大时仍然会发生光损伤，效果并不理想。因此，在使用短波长光的元件用途中，难以获得足够满足抗光损伤强度的晶体。
【0011】另外，当使用铌酸锂单晶作为基板时，由于铌酸锂单晶的基吸收边在320nm附近，因此在400nm处会受到基吸收边的影响，光透过性较差，比钽酸锂更难生成短波长光。因此，为了开发更短波长的光源，需要在短波长区域具有优良光透过性的单晶基板材料，但传统的钽酸锂单晶由于杂质引起的光吸收以及氧缺陷引起的着色光吸收等问题，在短波长区域缺乏最优的单晶光路材料。此外，KTP单晶的基吸收边在350nm附近，比LN单晶更不适用于短波长区域。
【0012】本发明着眼于上述问题，并为有效解决这些问题而创立。本发明的目的是提供一种通过掺Mg来提高短波长区域光透过率的钽酸锂单晶，其制造方法以及利用该单晶的光元件。本发明旨在解决上述传统钽酸锂单晶中的光吸收问题，通过含有0.1wt%以上的Mg来提供具有优良光透过性和抗光损伤特性的钽酸锂单晶，进一步将该单晶用于SHG元件（通过将激光光源发出的光作为基波，经过非线性光学晶体产生第二谐波的元件），或用于光调制元件（将激光光源发出的光引入电光学晶体，通过电光效应控制光的强度和相位），作为基板材料，从而稳定地制造和操作光元件。
【0013】
【为解决问题的方法】为了实现上述目的，本发明提供了一种包含0.1wt%以上Mg并将Fe含量控制在10ppm以下的钽酸锂单晶光路部件，从而提高在280~400nm波段的光透过率，使其适用于光路部件。在本发明中，Mg的加入可以提高短波长区域的光透过率，如果Mg的重量比低于0.1wt%，则难以获得预期效果。此外，当Fe的重量比超过10ppm时，会在280~400nm波段产生光吸收，从而降低光透过率，这样的情况是不理想的。
【0014】进一步地，在本发明中，Mg的含量最好为0.2~1wt%。当Mg含量达到0.2wt%以上时，改善效果显著，但如果超过1.2wt%，则可能导致内部应变增大，从而使晶体更容易出现裂纹。Mg可以以MgO的形式在原料混合阶段添加，也可以直接加入到坩埚中。此外，本发明中Mg和Fe的含量分别通过以下公式计算：（Mg含量）/（LiTaO3含量+Mg含量），（Fe含量）/（LiTaO3含量+Fe含量）。
【0015】此外，为了实现钽酸锂单晶在光学元件应用中的高质量，通过减少杂质、减少亚晶界等措施进行质量优化，发现钽酸锂的抗光损伤性并不如传统观念中认为的那么强，实际上低于铌酸锂单晶的抗光损伤性。尽管减少铁等过渡金属杂质的含量或通过对生长晶体进行热处理和氧化处理可以改善抗光损伤性，但仍然不足以满足光学元件应用的要求。
【0016】因此，为了实现上述目的，本发明者采用了在钽酸锂单晶中掺1mol%以上的MgO以提高其光透过特性和抗光损伤特性的措施。与未掺MgO的情况相比，掺1mol%以上的MgO可以显著提高在280~400nm波长范围内的光透过性，并且使其对光损伤更加耐受。此外，最好在2mol%以上掺MgO的钽酸锂单晶，其基础吸收端会向短波长方向移动，晶体的着色现象会消失，晶体会变为无色透明。
【0017】为了进一步实现目标，本发明者将获得的光透过性优异的钽酸锂单晶加工成晶圆，并作为光学元件的基板，周期性地反转钽酸锂单晶的极化方向，钽酸锂周期极化，以实现理想的钽酸锂极化反转晶格，从而以SHG（第二次谐波生成）元件的原始效率生成SHG光。通过上述构造，可以显著改善晶体的光透过特性和抗光损伤强度，且获得的晶体具有提高的抗光损伤强度和均匀性，特别适用于使用短波长光的波长转换元件、光调制器、光偏转器等各种光学元件的稳定操作。
【0018】在实施本发明时，不限定单晶生长的方法，通常采用的是楚克拉尔斯基法，但也可以使用布里奇曼法、浮区法或纤维摆放法等。使用包含双层坩埚的熔体容器、设在双层坩埚外周的加热装置、以及将种晶体接触到熔体内并提拉以获得单晶的钽酸锂单晶制造装置，可以更容易地生长出均质的大型单晶。
【0019】此外，作为原料的Li₂CO₃和Ta₂O₅的配比通常是采用共熔成分，因为这种配比容易得到高质量的单晶，从单晶生长的角度来看是理想的。然而，根据不同的元件应用，有时需要改变单晶基板的折射率。在这种情况下，通过调整Li₂CO₃和Ta₂O₅的配比，可以获得所需的单晶基板。此外，这些元素的添加最好在混合时进行，以便均匀化原料，也可以在原料熔融体中掺。
【0020】在本发明中，掺Mg提高了短波长范围的光透过率，并抑制了光损伤，其原因本发明者推测如下。Fe在晶体中以Fe²⁺和Fe³⁺离子的形式存在，Fe³⁺离子在约300nm附近有特定的吸收，Fe²⁺离子在约380nm附近有特定的吸收，这些吸收会减少短波长范围的光透过率。此外，光照射会使Fe²⁺离子中的电子激发到导带，这些电子在晶体中移动并被非照射区域的Fe³⁺离子捕获，产生内部电场，从而导致光损伤的发生。
【0021】因此，减少Fe杂质对于提高光透过率和抑制光损伤至关重要，但考虑到目前可获得的原料和坩埚的纯度，完全消除Fe杂质在实际中是不可能的。另一方面，掺Mg被认为会取代晶体中的Li位点，由于Li和Mg的价数不同，Mg可以从Fe²⁺中夺取电子，使其变成Fe³⁺。即，通过掺Mg，可以将晶体中的Fe杂质的价数从2价变为3价。因此，380nm附近的Fe²⁺引起的宽吸收减少，从而有助于提高该波长范围内的光透过率。此外，Fe²⁺的数量减少会使得光照射时激发到导带的电子减少，从而降低光损伤的发生几率。另外，Mg的添加还会在晶体中形成浅能级，从而提高晶体的电导率。因此，这种添加对光照射下在晶体内部形成的电场有中和作用，从而进一步减轻光损伤。
【0022】
以下通过实施例对本发明进行更详细的说明。
（实施例1）试样按照以下方法制备。首先，称量Li₂CO₃：521.2克、Ta₂O₅：3471.2克和MgO：7.6克，将这4公斤的LiTaO₃原料（这些原料的纯度为4N）混合，然后在1100℃下预烧约5小时。在这种情况下，MgO的添加量的摩尔比为MgO/（LiTaO₃ + MgO），即1.3摩尔％。然后，将该原料放入直径100毫米、高度100毫米的铱坩埚中，通过高频加热将其熔化，形成熔融液体，然后进行种晶，最终在约3天内在所定方位中生长出直径50毫米、长度70毫米的单晶。
【0023】此时的生长速度为1-2毫米/小时，旋转速度为10-20转/分钟。接下来，对上述方法生长的晶体进行单一极化处理。将晶体与非反应性导电粉末介质隔开，设置与晶体Z轴方向对向的例如Pt电极板，然后将其插入电炉中进行单一极化处理。之后，从每个晶体中切割出各个棱面平行于X轴、Y轴和Z轴的10×10×10毫米³的立方体块，并对其每个面进行镜面抛光。或者，从每个晶体中制成2英寸的晶圆。用EPMA法分析所生长的LT晶体，Mg含量为0.1重量百分比。此外，用原子吸光法分析得到的Fe杂质浓度为2 ppm。
【0024】在上述说明中，我们在原料称量阶段加入了MgO，但这并不限制于此。以下所述的方法也可以，即在混合烧结LiTaO₃原料后，再单独掺MgO。具体而言，首先称量Li₂CO₃：546克和Ta₂O₅：3454克，混合后在1100℃下预烧约5小时以制备LiTaO₃原料。然后，将该原料中掺MgO：36克，放入直径100毫米、高度100毫米的铱坩埚中，通过高频加热熔化，形成熔融液体，然后进行种晶，并以类似前述的方法生长单晶。用EPMA法分析所生长的单晶，Mg含量为0.6重量百分比。此外，用原子吸光法分析得到的Fe杂质浓度为2.5 ppm。此时MgO的添加量为6mol％。这样，我们生长了不同Mg重量比的各种单晶。在这种情况下，Fe的重量比均在10 ppm以下。
【0025】对这些生长的各种单晶的光透过特性进行了调查。结果如图1所示。为了进行比较，图1中也包括了未掺Mg的单晶特性。含有18 ppm Fe的未掺Mg的LT晶体在300〜500 nm的宽波长范围内有很大的光吸收。当将铁等过渡金属杂质减少到2 ppm时，虽然光吸收在300〜500 nm范围内较少，但400 nm以下的光吸收仍然较大，因此在400 nm以下的蓝色SHG光的发生基板中，其光透过性仍然不够理想。
【0026】在掺少量Mg的晶体中，基底吸收边缘向短波长方向移动，随着MgO添加量的增加，基底吸收边缘进一步向短波长方向移动。特别是，当Mg的含量在0.1重量百分比以上时，波长280〜400 nm范围内的光透过率显著提高，并且基底吸收边缘明显向短波长方向移动。在这种情况下，如果Fe的含量超过10 ppm，则在波长280〜400 nm范围内会产生较大的光吸收，导致光透过率降低，因此是不理想的。此外，当Mg的含量超过0.2重量百分比时，改进效果显著，光透过率上升，但如果超过1.2重量百分比，晶体内部应力会增加，容易产生裂纹，这也是不理想的。此外，含有Mg的晶体的耐光损伤强度也得到了提高。
【0027】（实施例2）在上述实施例中，重点讨论了晶体中Mg的重量比，但也可以按以下方式配置，掺1mol％以上的MgO。样品的制造方法如下。首先，通过Czochralski法，在直径100毫米、深度120毫米的铱制坩埚中加入约5公斤的LiTaO₃原料粉（用于生长的原料是纯度为4N的Li₂O、Ta₂O₅、MgO粉末的混合物），通过高频加热熔化，形成熔融液体，然后进行种晶，并在预定方位上约3天内生长2英寸的单晶。这时的生长速度为1〜2 mm/h，旋转速度为10〜20 rpm。接下来，对生长的晶体进行单一极化处理。通过非反应性导电粉末将晶体与电极板（例如Pt电极板）对准，使其与晶体的Z轴方向对齐，插入电炉中进行单一极化处理。之后，从每个晶体中切割出各边平行于X轴、Y轴和Z轴方向的10×10×10 mm³的方块，并对每个面进行镜面抛光。或者，从每个晶体中制成2英寸的晶圆。通过这种方式准备了钽酸锂单晶，并对其光透过性进行了检查。
【0028】这些结果的例子见图2。含有几ppm到数十ppm的铁等过渡金属杂质的SAW级钽酸锂单晶在300〜500 nm的宽波长范围内有很大的光吸收。将铁、锰、铬等过渡金属杂质减少到1 ppm以下的钽酸锂单晶（称为光学级）相比于含铁较多的晶体，300〜500 nm的光吸收有所减少，但在400 nm以下仍存在吸收，因此作为400 nm以下蓝色SHG光的生成基板，其光透过性仍然不足。此外，掺1 mol% MgO的晶体中，基底吸收边缘向约2 nm的短波长方向移动，增加MgO的添加量则基底吸收边缘进一步向短波长方向移动。特别是，掺MgO的显著效果是280〜400 nm波长范围内光透过率的提高，使用这种基板可以实现以800 nm以下的基本光，例如780 nm的半导体激光器发射的390 nm光的SHG器件。
【0029】因此，使用实施例1中制造的含Mg的钽酸锂单晶、通过本实施例中的掺MgO提高光透过性的钽酸锂单晶以及无添加的钽酸锂单晶作为基板，按照图3所示的方法形成钽酸锂极化反转光栅。如图3（a）所示，准备一个用钽酸锂基板的−Z（c）面进行抛光的基板11。如图3（b）所示，在基板11的−Z面上，采用30 nm的溅射法沉积一层Ta膜51。如图3（c）所示，在Ta膜51上旋涂光刻胶52，使用具有开窗的光掩模，通过常规的光刻技术对光刻胶52进行图案化。光掩模的图案周期与生成SHG光的周期相匹配，范围为1〜10 μm。如图3（d）所示，以图案化的光刻胶52作为掩模，使用CF₃Cl气体的RIE干法刻蚀或湿法刻蚀对Ta膜51进行图案化。如图3（e）所示，使用丙酮去除光刻胶52，并用磷酸进行260℃、30〜60分钟的质子交换，形成质子交换区域或交换层16。如图3（f）所示，用NaOH水溶液对Ta膜51进行刻蚀。然后，使用常规的质子交换法在基板表面制作光波导。最后，通过光学抛光导波导端面来制造SHG器件。
【0030】在上述的钽酸锂极化反转光栅上制作了光波导，并制造了长度为1 cm的SHG器件。作为基波光源，使用了钛宝石激光器，将波长为820 nm的基波入射到制造的SHG器件中，得到了410 nm的蓝色SHG光。在这种情况下，当极化反转光栅的断面为矩形，并且极化反转区域的深度大于周期方向的宽度时，SHG光输出为15 mW，获得了高输出的SHG光，功率密度为165 kW/cm²，输出稳定。此外，当改变极化反转光栅的周期，钽酸锂周期极化，并将波长为780 nm的半导体激光器作为基波，评估SHG光的输出时，使用掺MgO的钽酸锂单晶作为基板的器件，得到了约1.5 mW的SHG光输出。而使用无添加的钽酸锂单晶作为基板的器件，由于基板的光吸收较大，仅得到了0.7 mW的SHG光输出。
【0031】在上述掺了MgO的钽酸锂单晶的极化反转光栅上制作了光波导，并制造了长度为1 cm的SHG器件。作为基波光源，使用了钛宝石激光器，将波长为820 nm的基波入射到制造的SHG器件中，得到了410 nm的蓝色SHG光。在这种情况下，当极化反转区域的深度大于周期方向的宽度时，SHG光输出为15 mW，获得了高输出的SHG光，功率密度为165 kW/cm²，输出稳定。另一方面，当极化反转光栅的断面为半圆形，且极化反转区域的深度小于周期方向的宽度时，获得了9 mW的SHG光。
【0032】由此可以看出，当在钽酸锂单晶中形成极化反转光栅，并且极化反转区域的深度大于周期方向的宽度时，光入射方向上的极化反转部分与非反转部分的形状比为1:1，这对于高效率的SHG（第二谐波生成）器件非常有用。通过本发明的掺MgO，提高了耐光损伤强度的晶体作为基板，制造了一个光调制器，将激光光源发出的光入射到电光晶体中以改变光的相位，并确认了其操作的稳定性。
【0033】（实施例3）接下来，研究掺Mg对耐光损伤的影响。首先，按照以下方法制作试样。使用Czochralski法，在直径为100 mm、深度为120 mm的铱制坩埚中加入约5 kg的LiTaO₃原料粉（所用原料为纯度4N的Li₂O、Ta₂O₅与纯度为3N至4N的MgO粉末混合而成），通过高频加热将其熔化，形成熔体，然后进行种晶操作，并在指定方位上生长约3天的2英寸单晶。此时的生长速度为1〜3 mm/h，旋转速度为10〜30 rpm。接着，对上述方法所制得的结晶体进行单一分域化处理。将结晶体与非反应性导电粉末介质结合，例如设置Pt电极板，与电炉一起进行单一分极化处理。随后，从每个结晶体中切割出各边平行于X轴方向、Y轴方向及Z轴方向的10×10×10 mm³的方形块，并对其各面进行镜面抛光。或者，从每个结晶体中制作2英寸的晶圆。通过这种方式准备钽酸锂单晶，并调查其耐光损伤强度的提高情况。
【0034】耐光损伤强度的测定方法是将波长为0.488μm、输出功率为300mW、光束直径为1.4mm的强力氩激光器的光束射入晶体中，通过较弱的1mW氦氖激光器检测由此引发的光损伤，即折射率的变化。图6示出了这些结果的例子。含有大量铁等过渡金属杂质的SAW等级钽酸锂单晶，在功率密度为20W/cm²的氩激光照射下，会产生非常大的光损伤，折射率也会发生较大变化。将杂质降低至原来的五分之一，并减少晶体中的小倾角粒界的钽酸锂单晶（称为光学等级）相较于含铁量较高的晶体，光损伤有所减少，但与含铁量为3ppm的SAW等级铌酸锂单晶相比，光损伤仍然易发生两倍以上。这一结果与传统报告认为钽酸锂单晶比铌酸锂单晶耐光损伤的说法完全不同。此外，对于掺了MgO的钽酸锂单晶，随着MgO添加量的增加，光损伤发生的难度逐渐降低。当MgO添加量达到2mol％以上时，通过将铁的含量降低至1ppm以下，可以将光损伤强度提高到与光学等级铌酸锂单晶相当或更高的水平。在掺了3摩尔％的MgO的钽酸锂单晶中，光损伤强度得到显著提升，以至于在氩激光的入射功率强度下完全没有光损伤发生。
【0035】由于钽酸锂单晶中镁的偏析系数大于1，因此结晶中镁的浓度比熔液中的浓度要高，这导致熔液中的镁浓度随着晶体的生长逐渐减少。也就是说，无法得到整个晶体均匀的镁浓度。为了解决这个问题，在生长掺镁氧化物的晶体时，采用了双坩埚法来均匀化晶体内的镁分布。首先，从掺了2摩尔％以上镁氧化物的熔液组成中，通过双坩埚法进行单晶生长。在生长过程中，内坩埚中放入种晶体，并将熔液置于内坩埚内，该熔液的组成是掺了2摩尔％镁氧化物的共晶组成。预先在外坩埚中放置了用于生长的熔液，并在生长过程中根据晶体生长量向外坩埚中补充相同组成的原料，以保持熔液组成的稳定。坩埚之间设有用于原料转移的孔。所用的坩埚材料为铱，外坩埚直径为100mm，内坩埚直径为80mm。生长过程中炉内的温度分布是熔液上方的温度梯度为50℃/cm，上方为2〜10℃/cm。生长速度为1.0〜2.0mm/h，晶体旋转速度为10〜30rpm。所生长的晶体在Y和Z方向上，直径为30mm，长度为30〜70mm。通过化学分析以及对组成依赖性的折射率、居里温度等特性的评估，发现晶体组成的均匀性良好。
【发明的效果】如上述所述，根据本发明，可以实现以下优异的效果：
- 将基准吸收端移至短波长侧，并显著提高波长为280〜400nm范围内的短波长光透过率，大幅减少光损伤。
- 通过这些改进，可以获得钽酸锂单晶，这使得可以使用钽酸锂单晶作为280〜400nm短波长光的光学元件基板，并且可以利用钽酸锂单晶的高非线性光学常数，提升SHG（倍频）元件的稳定性和高输出特性。
【图纸的简要说明】
【图1】测量第1实施例中各种钽酸锂和铌酸锂单晶光透过特性的图示。
【图2】测量第2实施例中各种钽酸锂单晶和铌酸锂单晶光透过特性的图示。
【图3】（a）至（h）分别展示了本发明涉及的分极反转格子制作方法的图示。
【图4】展示了使用三角形分极反转格子的传统SHG元件的图示。
【图5】展示了使用半圆形分极反转格子的传统SHG元件的图示。
【图6】测量各种钽酸锂单晶和铌酸锂单晶在氩激光照射下诱发的光损伤随入射时间变化的图示。
【符号说明】
11 衬底（LiTaO3）
12 偏振反转区域
13 通道型光导波路
14 基本波入射光
15 SHG输出光
16 质子交换层
21 衬底（LiNbO3）
31 三角形偏振反转区域
41 半圆形偏振反转区域
51 Ta膜
52 光刻胶
