[发明专利]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

说明书

本发明具体涉及一种梯度折射率效应的二次电光晶体及其制备与应用方法，通式为M:KTa_1‑xNb_xO₃的离子掺杂型电光晶体，具有钙钛矿结构，其中M＝Cu²⁺，Fe³⁺，Sn⁴⁺，Ni²⁺，Ti⁴⁺，Na⁺，Li⁺，且M含量为0～5at％；晶体组分中Nb含量为0≤x≤0.5，居里点位于‑241～90℃之间，在居里点以上晶体为立方相，m3m点群；居里点以下变为四方相，4mm点群，基质组分Ta/Nb在晶体中呈均匀分布，掺杂离子M在晶体内部呈非均匀分布，浓度分布沿晶体生长方向呈线性变化。本发明实现了晶体电光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。

技术领域

本发明属于功能晶体材料制备及激光调制技术领域，具体涉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

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心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。

钽铌酸钾(KTN)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(Kerr)效应，其Kerr系数可达10^-14m²/V²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。

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。本发明利用离子掺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。

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熔体类晶体中，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。曾有学者利用未掺杂的KTN晶体制备出折射率梯度为Δn＝13×10^-3/mm的KTN晶体，但这需要KTN晶体中组分变动Δx＝0.03/mm，相应的居里点变化率为20℃/mm，这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，这要求整个调制器件不同部分的居里温度尽量一致。所以从理论上来说，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

本发明采用提拉法或顶部籽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、温场设计以及其它工艺参数做了设计和优化，具体技术方案如下：

一、具有梯度折射率效应的M:KTN晶体