[发明专利]一种基于KTN晶体二次电光效应的激光偏转调制方法

说明书

技术领域

本发明属于电光元器件的设计与制备研究领域，涉及利用电光功能晶体材料钽铌酸钾（KTa_1-xNb_xO₃，简称：KTN）的二次电光效应实现激光光束的连续非机械偏转调制。

背景技术

电光效应是在外加电场的作用下介质折射率发生变化的现象，利用晶体材料的电光效应可实现光的相位、强度和传播方向的调制，电光调制技术由于其高效率、快响应以及非机械性（无惯性）等优点，通常用于制作激光调制器、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光学仪器上，这些技术对国防、军工和生物医学研究等都有重要意义，

电光扫描技术是利用光在电光介质中传播时，光的传播方向在电场作用下发生改变以实现光的偏转或聚焦的技术。和目前广泛应用的机械棱镜扫描、声光扫描以及液晶扫描等技术相比，电光扫描由于是利用电信号控制光信号，因而可以实现激光的非机械、无惯性扫描，在响应速度和灵敏性等方面优势显著。目前较为典型的电光调制晶体一般为一些线性电光效应的单轴晶，如铌酸锂晶体(LN)，但由于该晶体的电光系数较小，调制器的尺寸和驱动电压难以同时兼顾，光开关的效率也较低，无法满足实际应用要求。KTN晶体是已知的具有最大二次电光效应的晶体，其二次电光系数可达10^-14m²/V²量级，是LN晶体的近百倍，因此基于KTN晶体二次电光效应的光学器件在降低驱动电压、减小器件尺寸方面更具优势，更能满足未来电光器件小型化、集成化发展的需要。

尽管KTN晶体优异的电光性能早已为人所知，但由于晶体晶体生长条件苛刻，难以得到可实际应用的大尺寸、高质量单晶，使得该晶体的应用一直受到很大限制。2003年，日本KTN公司利用顶部籽晶法成功获得尺寸和质量都满足应用需要的KTN单晶；2005年，该公司发现了基于空间电荷限制电流和二次电光效应的光束偏转现象，在此基础上先后设计出了高分辨光束扫描器、高速光谱仪和高速变焦镜头等器件。在激光扫描方面，2009年，该公司利用KTN晶体电光偏转器件在500V电压下5mm光程上实现了近250mrad的光束偏转，这一指标是传统扫描器偏转效率（定义为偏转角与电压的比值）的100倍，而其响应速度和器件尺寸则减小到了传统棱镜和转镜扫描器的百分之一，并以此获得了2010年国际激光与光电子会议创新奖。我国KTN晶体的生长研究一直处于世界先进水平，2005年开始，笔者所在科研团队采用熔体提拉法生长出高质量、大尺寸KTN单晶，晶体质量和尺寸达到器件制作要求，随着晶体生长和加工工艺的不断成熟，KTN晶体电光元调制器件已经逐步从实验室研究转向产品开发与应用阶段。

目前，KTN晶体电光扫描技术虽然在偏转效率和响应时间等方面具有显著优势，但现有技术中激光的偏转都是沿着电场方向，激光在平行平面电极下只能实现一维偏转，即纵向扫描，要想得到多维扫描，势必要增加电极数量，另外，现有电光扫描技术对电极材料要求苛刻，一般要求使用钛电极，制作方法较为复杂，这都给器件设计带来极大不便。为了完善电光扫描技术，实现可以垂直电场方向偏转的横向扫描技术方法对于KTN晶体电光扫描器的制作便显得十分重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不同于目前传统电光调制技术的新型激光偏转调制方法，以经过一定浓度铜离子掺杂的立方相KTN晶体的二次电光效应为基础，经简单的元器件加工制作和激光调制方式的设计，实现激光传播在垂直于电场方向上的连续非机械性偏转调制，即实现激光光束相对电场的横向扫描。

本发明的实现方法按照如下步骤进行：

（1）以经过铜离子掺杂的立方相Cu:KTa_1-xNb_xO₃晶体为偏转元件，该材料可在笔者较早研究的熔体提拉法生长KTN晶体（王旭平，博士学位论文，KTN系列晶体的生长及其性能研究，山东大学，2008）工艺基础上，在生长原料中添加一定比例的氧化铜获得。所述晶体中Cu²⁺离子掺杂重量百分比为0.1%至0.5%；晶体组分中Nb含量x为0.3~0.5，对应晶体的居里点Tc为0~80°C。

（2）KTN晶体偏转元件按照晶面正对晶体结晶轴方向加工为长方体块体，则在此种加工方式下，晶体的三组相对面分别垂直于晶体的a、b、c轴，即对应（100）、（010）、（001）晶面；定义晶体生长方向为c轴。