具有梯度折射率效应的二次电光晶体及其制备与应用方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于功能晶体材料制备及激光调制技术领域，具体设及一种具有梯度折射 率效应的二次电光晶体及其制备与应用方法。
【背景技术】
[0002] 激光技术是国家中长期科学和技术发展规划中最主要的前沿技术之一，激光调制 技术作为激光技术的核屯、内容之一对其应用和发展具有重要意义。激光调制主要是通过调 节激光的相位、强度或振幅等特征达到特定输出效果。常用的激光调制手段有机械调制、电 光调制、声光调制、被动调制等，其中电光调制具有效率高、稳定性好、响应快、易操控及无 惯性等优势，一直受到人们的重视。电光调制技术主要依赖于具有电光效应的晶体材料，利 用其电光效应实现传播特征调制，用于制作相位调制器、扫描器和光开关等器件，广泛应用 于激光雷达、激光测距、生物医学显微成像等高精尖领域。电光晶体是一大类具有重要应用 的功能晶体，新型高效电光晶体的发展，对于激光技术的发展，特别是当前全固态激光器技 术的发展和应用具有重要意义。
[0003] 粗妮酸钟化TN)晶体便是一种著名的多功能非线性光学晶体，具有优异的电光效 应和光折变效应。KTN晶体具有优异的二次电光化err)效应，其Kerr系数可达10Mm2A2 量级，该晶体在激光调制方面表现出比目前广泛应用的线性电光晶体更为优异的性能。基 于KTN晶体二次电光效应的电光调制器件在降低驱动电压、减小器件尺寸方面更具优势， 更能满足未来激光器件小型化、集成化发展的需要。
[0004] 一个晶体一般同时具有多种功能和特性，各种不同功能之间交互作用和相互复合 对晶体的应用具有关键影响。理解不同功能、物性对电光效应的影响，既是电光晶体应用的 要求，也是发展新晶体、发现新效应的需要。本发明利用离子渗杂方法制备一种具有梯度折 射率效应的M:KTN电光晶体材料，并开发出一种基于该晶体电光效应和梯度折射率效应相 互复合的激光调制方法。
[0005] 梯度折射率效应是指晶体内部折射率沿某些方向呈现梯度变化的现象，该效应一 般存在于固烙体类晶体中，由于晶体内部组分和应力分布不均产生。研究表明，根据晶体组 分的不同，KTN晶体的折射率位于KT晶体折射率2. 24和KN晶体折射率2. 39之间。曾有 学者利用未渗杂的KTN晶体制备出折射率梯度为An= 13X10 3/mm的KTN晶体，但运需要 KTN晶体中组分变动Ax= 0. 03/mm，相应的居里点变化率为20°C/mm,运对于晶体的实际 应用来讲是不可接受的，因为KTN晶体的优异电光效应只有在居里点附近才能出现，运要 求整个调制器件不同部分的居里溫度尽量一致。所W从理论上来说，对于纯KTN晶体，优异 且可实用的电光效应和梯度折射率性能是不可兼得的。
【发明内容】
[0006] 本发明采用提拉法或顶部巧晶法生长具有梯度折射率效应的M:KTN晶体，针对梯 度折射率效应的要求，发明人对原料配比、溫场设计W及其它工艺参数做了设计和优化，具 体技术方案如下： 阳007] -、具有梯度折射率效应的M:KTN晶体 阳00引具有通式M:KTaixNbx〇3的离子渗杂型电光晶体，具有巧铁矿结构，其中M=化2+， 化心，SrA化2+，Ti*+,化％Li+,且M含量为0~Sat% ;晶体组分中佩含量为0《X《0. 5， 居里点位于-241~90°C之间，在居里点W上晶体为立方相，m3m点群；居里点W下变为四方 相，4mm点群。
[0009] 上述具有通式M:KTaixNbx〇3的晶体，其基质组分化/Nb在晶体中呈均匀分布，渗杂 离子M在晶体内部呈非均匀分布，浓度分布沿某晶体生长方向呈线性变化，相对应的晶体 折射率也呈线性变化。
[0010] 本发明优选M:KTN晶体尺寸为IOmmXIOmmXIOmm~40mmX40mmX40mm，渗杂离子 浓度梯度变化为0~2at%cm,浓度梯度沿晶体生长方向呈均匀减小或增大。
[0011] 本发明优选单渗或双渗型M:KTN晶体，根据渗杂离子在晶格内的占位情况，分五 种情况进行设计，分别为A、B位单渗型M:KTN晶体，A、B位双渗型M:KTN晶体W及A、B位复 合双渗型M:KTN晶体，其渗杂离子种类和渗杂模式如表1所示： 阳01引表1.M:KTN晶体渗杂离子种类及浓度
[0014] 本发明所述M:KTN晶体中梯度折射率分布与渗杂离子种类及浓度密切相关，表2 为不同离子渗杂M:KTae.eiNbe.3g〇3晶体的渗杂离子浓度分布与折射率梯度的对应关系： 阳01引表1.单渗M:KTN晶体渗杂离子种类，浓度与折射率梯度（10 3/mm)
阳017] 二、M:KTN晶体的生长及制备 阳0化]本发明所述M:KTaixNbx化晶体的制备方法，W K 2CO3、Ta2〇5、佩2〇5为主原料，M金属 氧化物化0、化2〇3、Sn〇2、NiO、Ti〇2, Li2〇、NazO为渗质原料，采用提拉法或顶部巧晶法生长晶 体，所用生长装置为感应加热或电阻加热单晶炉，晶体生长具体步骤包括：
[0019] (1)根据所需M:KTaixNbx〇3晶体组分，按照KT-KN相图分析选择主原料K2CO3、 了曰2〇5、佩2〇5配比，根据渗杂需要选择渗杂原料配比，将原料混合均匀并压实成块，放入Pt相 蜗烧结24小时W上，得到晶体多晶料，备用；
[0020] (2)将多晶料置于白金相蜗中，装炉，在大气气氛下生长晶体，根据晶体组分不同 选择生长溫度。采用过冷法生长晶体，晶体生长周期5~7天；
[0021] (3)采用C方向KTN单晶棒作为巧晶，经下种、収颈、放肩、等径生长过程进行单晶 生长，控制烙体在适宜溫度生长晶体，选择合适的拉速和转速； 阳0巧（4)晶体生长完毕降溫至室溫，出炉；
[0023] (5)结合晶体生长方向、结晶学方向和折射率梯度方向，根据激光调制要求，加工 适宜方向、尺寸的M:KTN晶体样品。
[0024] 上述制备方法中，步骤（1)中基质晶体组分优选0.33~0.45,渗杂离子优选化、 化离子，渗杂浓度优选0. 1~1. 5at% ; W巧]上述制备方法中，步骤似优选碗状白金相蜗，相蜗内径优选70~90mm，高60~ 80mm，壁厚1~2mm;
[0026] 上述制备方法中，步骤（3)中优选晶体生长溫度为烙点下10~20°C过冷生长，晶 体提拉速度为0. 25~0. 5mm/h，等径生长过程晶体转速优选5~lOr/min;
[0027] 上述制备方法中，步骤（4)优选晶体降溫速率15~25°CA;
[002引上述制备方法中，步骤（5)中优选器件通光方向为晶体a、b轴方向，电极端面优选 (OOl)晶面。
[0029]S、基于M: KTN晶体梯度折射率效应和Kerr效应的激光调制方法
[0030] 本发明利用M:KTN晶体的梯度折射率效应和Kerr效应相互作用，在同一块样品不 同方向上分别实现了激光传播方向调制和相位调制，如图1所示。具体操作方法如下：
[0031] (1)将晶体按照不同切向加工成长方体块，六面抛光；矩形电极端面边长的尺寸 范围为1~50mm，晶体厚度0. 5~25mm;
[0032] (2)电极选择可采用离子瓣射、真空蒸锻和涂抹导电胶=种方式任意一种，优选在 离子瓣射和真空蒸锻金属膜表面增涂导电胶的方法；
[0033] (3)样品梯度折射率方向垂直于电场方向，且平行于样品表面；
[0034] (4)沿垂直于电场且垂直于梯度折射率方向进行激光偏转调制，激光偏振方向平 行于电场方向，光束偏转方向垂直于电场方向且平行于梯度折射率方向；沿垂直于电场且 平行于梯度折射率方向进行激光强度调制，强度调制激光偏振方向与电场方向呈45°。
[0035] 巧)M:KTN调制样品溫度控制采用TEC半导体控溫模块，实施溫度控制在样品居里 点W上2~5°C。
[0036] 有益效果：
[0037] 针对电光调制应用需求，为了获得既有优异电光性能，又有足够大折射率梯度的 KTN晶体，本发明采用离子不均匀渗杂的方法，在保证晶体主成分，即Ta/Nb比基本均匀的 条件下，通过渗杂离子在晶体内部的不均匀分布，获得具有足够大折射率梯度的离子渗杂 型M:KTaixNbx〇3(M:KTN)晶体，并实现了晶体Kerr效应与梯度折射率效应的功能复合，在同 一调制样品的不同方向上分别实现了激光的传播方向和激光强度调制。
【附图说明】