【资讯】RTP晶体室温周期极化突破！量子光源材料新选择

 周期极化KTiOPO4（KTP）晶体是量子通信、激光频率转换领域的核心非线性光学材料，广泛用于通信波段纠缠光子源制备。但常规KTP存在大量钾空位缺陷，室温下钾离子迁移率高、导电性强，极化时电场分布不均，易引发畴展宽、漏电与结构畸变，难以形成均匀周期畴。为抑制高导电率，传统低温极化会显著提升矫顽场，易发生电击穿；离子交换法增大晶格应力、易造成晶片破裂。

       RbTiOPO4（RTP）作为KTP同构晶体，是初态直接生长的一维离子通道中钾离子被完全替换为铷离子的极端样本，光损伤阈值与温度稳定性更优，是高功率量子与激光器件的理想候选材料。但当前RTP室温铁电畴反转机理尚不清晰，极化进程缺乏简单高效的实时监测方法，周期畴精准可控制备仍存在瓶颈。

       针对以上难题，本文首次系统研究RTP晶体室温畴反转特性，揭示畴反转演变过程与铷离子钉扎效应对电阻均匀分布的调控机制，建立基于极化电流与压电系数的极化终点判断方法，实现高质量周期极化RTP（PPRTP）晶体制备，为高性能纠缠光源与频率转换器件提供新材料与技术支撑。

       针对传统KTP晶体钾空位缺陷多、离子迁移率高、周期极化易出现畴展宽与漏电，室温畴反转难控制，以及RTP晶体室温铁电畴反转机理不清晰、极化监测手段复杂等关键难题，山东大学桑元华教授团队联合济南量子技术研究院王东周副研究员围绕RTP晶体室温畴结构调控开展系统性研究，从机理揭示、方法创新到器件验证形成完整技术体系，为高性能周期极化晶体制备提供了可靠方案。

       机理研究中，以Z切RTP晶体为研究对象，结合高、低钾离子含量KTP晶体进行对比实验，系统阐明室温下铁电畴成核、生长、扩展的完整演化过程。实验证实（图1），RTP晶体畴反转优先在–Z面电极边缘成核，随后快速纵向贯穿晶体并抑制横向扩展过程，最终形成均匀周期畴结构。

       从微观层面揭示，极化电场诱导Ti-O键长协同转变是铁电极性反转的本质；大半径的铷离子产生离子通道钉扎效应，可有效抑制离子迁移，使晶体内部电阻率空间分布均匀，避免极化电场非均匀分布，让矫顽场保持稳定，为高质量周期极化奠定物理基础。

图1 (a) RTP晶体室温周期极化过程畴结构的演变图；(b) RTP晶体在电场作用下铷离子钉扎效应调控的内部电阻空间分布示意图

       方法创新上，摒弃传统复杂的原位监测技术，提出极化电流实时监测结合压电系数d33检测的简易极化终点判定方法。通过跟踪极化电流先上升、后下降的特征趋势，配合d33趋近于0判定极化终点，大幅简化监测流程，提升制备成功率。

       结果显示（图2），RTP晶体仅需6次高压脉冲即可完成畴反转，远少于常规KTP的80次，制备效率与结构均匀性显著提升。基于准相位匹配原理，设计并制备出周期为57.3 μm的周期极化RTP晶体，+Z面占空比达48.8%，微观结构均匀规整。

图2 (a,c) 57.3 μm周期PPRTP晶体周期畴结构腐蚀图；(b,d)占空比统计图；(e) 纠缠光子对测试实验装置及结果

       性能验证表明，所制备晶体在780 nm激光泵浦下，可高效产生1560 nm通信波段纠缠光子对，符合效率达84%，与高品质PPKTP晶体相当。同时，RTP晶体光损伤阈值为KTP的1.8倍，温度稳定性更优，可承受更高泵浦功率，纠缠光源亮度优于商用器件。

       本研究完整阐明RTP晶体畴反转机理，建立高效可靠的室温极化技术，所制备晶体兼具高效率、高稳定性与高功率耐受性，可为量子通信、激光频率转换等领域提供关键材料新选择，也为同类型铁电晶体的畴工程应用提供普适技术参考。

参考文献： 中国光学期刊网

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