title: Advanced optical analysis of ferroelectric domain structures
title: towards nonlinear-optical devices in LiNbO3 and KTiOPO4
titleType: Subtitle
Creators: name: Mackwitz, Peter Walter Martin
Publisher: name: Universität Paderborn
Year: 2023

description: Für die Ausnutzung diverser nichtlinearer Effekte werden hierbei ferroelektrische Materialien verwendet, bei denen das Prinzip der Quasi-Phasenanpassung basierend auf der periodischen Domäneninversion ausgenutzt wird. Für die Herstellung maßgeschneiderter funktionaler Strukturen sind materialspezifische Prozessparameter von grundlegender Bedeutung. Gerade hier setzt die vorliegende Arbeit an, wobei hier der Schwerpunkt im Bereich der Analytik liegt. So wurden im Rahmen dieser Dissertation die optischen Verfahren der nichtlinearen Analyse und der Raman-Spektroskopie als nichtinvasive Methoden erfolgreich eingesetzt und darauf basierend ferroelektrische Domänenstrukturen in KTiOPO4 und Volumenkristalle bzw. Dünnschichtsysteme auf Isolatoren in LiNbO3 untersucht. So konnten im Rahmen dieser Arbeit durch einen experimentell-theoretischen Ansatz die Kontrastmechanismen für die nichtlineare Mikroskopie aufgeklärt werden. Seitens der Raman-Spektroskopie wurden struktursensitive Schwingungsmoden für das Materialsystem KTiOPO4 bzw. Wellenleiterstrukturen in diesem vollständig verifiziert. Bei der Charakterisierung von Wellenleitern als auch periodisch gepolten Strukturen in unterschiedlichen Materialsystemen lag der Fokus bei Fragenstellungen hinsichtlich Domänen-Inversion und -Dynamik. Ein zentraler Bestandteil dieser Arbeit war die Untersuchung der Domäneninversion in Dünnschicht-LiNbO3-Filmen. In diesem Zusammenhang konnten die prozessspezifischen Parameter für den Polungsprozess in Dünnschicht-LiNbO3 evaluiert werden und modifizierte Polungsverfahren abgeleitet werden. Die daraus resultierende direkte Prozesskontrolle für verschiedene Materialsysteme ermöglichte somit die Realisierung nichtlinearer optischer Bauelemente mit Polungslängen unterhalb des m-Bereichs.
description: For the utilization of various nonlinear effects, ferroelectric materials are used in which the principle of quasi-phase matching based on periodic domain inversion is exploited. Material-specific process parameters are of fundamental importance for the fabrication of tailored functional structures. This is precisely where the present work comes in, with a focus here on analytics. Thus, the optical methods of nonlinear analysis and Raman spectroscopy were successfully applied as noninvasive methods in the context of this dissertation, and ferroelectric domain structures in KTiOPO4 and volume crystals or thin film systems on insulators in LiNbO3 were investigated based on these methods. Within the framework of this work, via an experimental-theoretical approach it was possible to elucidate the contrast mechanisms for nonlinear microscopy. On the part of Raman spectroscopy, structure-sensitive vibrational modes for the material system KTiOPO4 or waveguide structures in it were fully verified. The characterization of waveguides as well as periodically poled structures in different material systems focused on questions concerning domain-inversion and -dynamics. A key component of this work was the investigation of domain inversion in thin film LiNbO3. In this context, the process-specific parameters for the poling process in thin-film LiNbO3 could be evaluated and modified poling methods derived.The resulting direct process control for different material systems thus enabled the realization of nonlinear optical components with poling lengths below the micron-range.