（材料学专业论文）硅酸镓镧及其同构体单晶的生长、电光及其它性能的研究.pdf

山东人学博士学位论文 摘要 电光q 开关是用于脉冲激光器中使之产生高能激光的重要器件。目前，常 用的晶体电光q 开关主要是用d k d p 和l i n b 0 3 晶体制作的。d k d p 晶体光损 伤闽值高，光学均匀性好，其电光q 开关一般在中、高功率激光器中使用。缺 点在于d k d p 晶体的电光q 开关利用晶体的纵向电光效应，器件半波电压高， 且不可调；而且d k d p 是水溶性晶体，容易潮解，在加工和使用过程中要加复 杂的防潮装置，使用与维护不方便；此外，d k d p 晶体为亚稳相生长，晶体生长 难度大，周期长。l i n b 0 3 晶体制作的电光q 开关，利用晶体的横向电光效应， 可以通过改变器件尺寸调节半波电压，l i n b 0 3 晶体采用提法拉生长，容易得到 大尺寸单晶，其物理化学性质稳定，不潮解；但l i n b 0 3 晶体的光损伤阈值太低， 大大限制了晶体的应用，其电光q 开关只能应用于小功率激光器中。因此，寻 找新的电光晶体，制作性能更优的电光q 开关有重要的应用价值。 硅酸镓镧( l a 。g a ；s i 0 。，l g s ) 晶体在八十年初是作为激光晶体来研究的， 随后其优异的压电性能成为人们关注的热点，大量文献报道了l g s 晶体的生长 和压电性能。l g s 同构体单晶包括l a 3 g a s5 t a o5 0 1 4 ( l g t ) 、l a 3 g a 55 n b o5 0 1 4 ( l g n ) 以及s r 3 t a g a 3 s i 2 0 1 4 ( s t g s ) 等晶体，他们与l g s 晶体具有相同的结构，也有 良好的压电性能，近年来也常有报道。 实验测试发现l g s 晶体具有较高的电光系数是本文开始研究l g s 晶体电光 q 开关应用的起点。本文的主要内容是研究了l g s 及其同构体单晶的生长、电 光性能和应用，以及晶体的其他性能。 1 晶体生长 l g s 晶体采用提拉法生长，通过控制原料组成配比、晶体生长工艺参数、 熔体保温温度和时间等影响晶体生长的因素，最终得到了高质量的l g s 晶体。 对早期晶体生长过程中的开裂和生长芯等缺陷的形成机理及其对晶体性能的影 响和消除方法进行了分析，提出了相应措施。实验证明这些措旌能够有效地避 免晶体中缺陷的引入。生长得到的l g s 晶体尺寸约0 5 0 m m 1 1 0 m m 。并且生长 山东大学博士学位论文 了平肩l g s 晶体，其尺寸约 6 0 m m 1 0 0 m m 。晶体完整透明无开裂和包裹体， 呈深橙色。 参照l g s 晶体的生长经验，采用提拉法先后生长得到l g t 、l g n 和s t g s 晶体：开展了这些晶体相关性能的研究。 2 缺陷分析和光学质量表征 采用化学腐蚀法和同步辐射白光形貌术研究l g s 晶体的缺陷。在( 0 0 1 ) 面 上观察到l g s 晶体生长芯处位错腐蚀坑密集，在同步辐射形貌像中清晰观察到 晶体生长芯的存在。利用高分辨x 射线衍射仪测量了晶体生长芯和周围区域的 摇摆曲线，发现生长芯处摇摆曲线和周围区域几乎相同，说明晶体生长芯并没 有发生结构上的变化，只是一个缺陷集中区。 利用同步辐射形貌像观察到晶体中的生长条纹、位错等缺陷，对其形成机 理和消除缺陷的相应措施进行了讨论。在晶体生长过程中，妥善控制生长温度 的变化，避免熔体温度波动，以及减少外界振动等因素对晶体生长稳定性的影 响，能够有效减少生长条纹的形成。 观察了l g s 晶体的锥光干涉图，结果表明随着对晶体生长研究的深入展开， 生长的晶体光学质量有了大幅提高。生长的l g s 晶体光学均匀性比早期l g s 晶 体有了很大提高。 3 l g s 晶体的物理性能 测试了室温至3 0 0 。c 的温度范围内l g s 晶体的比热随温度的变化曲线，和晶 体热膨胀随温度的变化曲线。随温度的升高，l g s 晶体的比热基本呈线性稍微增 大。室温下l g s 晶体的比热为0 4 7 j g - 。c ；热膨胀系数d 1 i = 5 8 1 0 。6 一，3 = 3 ，9 1 0 6 一，同k d p 晶体相比，热膨胀系数较小。两方向的热膨胀系数相差不大， 说明晶体的热膨胀各向异性较弱，晶体不会因热效应的影响而容易开裂损坏， 这有利于晶体生长和应用。 测试了l g s 晶体x 面和z 面样品室温至6 0 0 。c 范围内，电容随温度的变化曲 线，并计算其介电常数为研= 2 5 9 7 和c 3 3 = 5 7 6 8 。同d k d p ( 品= 9 0 ) 和l i n b 0 3 ( = 8 4 6 ) 晶体相比，l g s 晶体具有较小的介电常数。测得l g s 晶体的电阻率 p a = 4 o x1 0 1 2q c l t i ，小于l i n b o j ( p b = 2 o 1 0 1 3q c m ) ，但远大于d k d p 晶体 山东大学博士学位论文 ( p c = 1 3 1 0 q c m ) 。 l g s 晶体具有宽的透过波段和高透过率，其紫外吸收边在2 4 4 n m 波长左右， 高于4 0 0 n m 波长其透过率达到8 0 以上。光损伤阈值达到l i n b o ，晶体的6 7 倍 以上，具有较高的光损伤阈值。 使用干涉法测量了l g s 晶体的电光系数，7 i i = 2 3 p m v 、3 4 1 = 1 s p m v ，虽 然l g s 晶体的电光系数较d k d p 晶体和l i n b 0 3 晶体低，但考虑到利用晶体的 横向电光效应制作电光q 开关，其半波电压可调，因此，l g s 晶体在电光q 开 关应用方面具有很大的潜力。 总的来讲，测试的l g s 晶体物理性能说明l g s 晶体可以满足电光器件对晶 体的要求，而且该晶体机械性能好、无解理性、不潮解、物理化学性质稳定， 具有良好的综合性能。 4 l g s 晶体电光q 开关 利用l g s 晶体的电光系数y l l 来制作q 开关，在制作电光q 开关时选择较 大的纵横比，来降低q 开关的半波电压。 电光q 开关工作过程中，平面偏振光往返两次沿光轴方向通过l g s 晶体， 克服了l g s 晶体旋光性的影响，并与激光在谐振腔内来回振荡的原理结合了起 来。l g s 开关q 开关的静态消光e t 和动态消光比测试结果表明，l g s 晶体电光 q 开关适合采用正交偏光干涉原n q - 作，这样可以保证系统有最好的关门状态。 1 在l g s 晶体和全反镜之间加一一i , 波片实现平行偏光干涉到正交偏光干涉的转 4 换。 实验发现，出射光强与晶体电感应主轴的方位和起偏器的偏振方向之间的 夹角无关、只和出射于旋光晶体平面偏振光的偏振方向与检偏器的偏振方向之 间的夹角有关。对器件的使用者而言，这就不用调整晶体的电感应主轴与起偏 器偏振方向之间的夹角，器件使用方便。 对l g s 晶体电光q 开关进行了激光实验，取得了良好的实验结果，说明l g s 晶体光学质量及其他性能能够满足电光应用的要求，器件设计合理。同d k d p 和l i n b 0 3 晶体相比，l g s 电光q 开关具有优越的性能有广泛的应用前景a 5 ，l g t 、l g n 和s t g s 晶体的性能和q 开关实验 山东大学博士学位论文 测试了l g s 同构体单晶l g t 、l g n 和s t g s 晶体的比热、热膨胀系数、介 电常数和光透过率等物理性能。l g t 、l g n 和s t g s 晶体的比热与l g s 差不多， 说明他们的抗光损伤阈值也应比较接近：室温至3 0 0 。c ，几种晶体均随温度升蔼 出现不厨程度的热膨胀，没有出现热收缩现象。l g t 、l g n 、s t g s 以及l g ! 晶体的热膨胀系数大小比较接近，并且晶体热膨胀各向异性都比较弱，晶体应 该不会由于热效应的影响而导致损坏，有利于晶体生长和应用。测试了室温j 6 0 0 ，几种晶体x 面和z 面样品的电容随温度的变化曲线，并计算了晶体的， 电常数s l ，和旬j 。结果表明l g s 系列晶体的介电常数比较接近，同d k d p l i n b 0 3 晶体相比，l g s 同构体晶体的介电常数比较小。 根据l g s 晶体电光q 开关的工作原理设计了实验装置来测试l g t 、l g 和s t g s 晶体的电光q 开关应用性能。发现三种晶体的电光系数( y 。) 太小， 晶体不适合用来制作电光0 开关。 6 n d ：l g t 晶体生长和激光性能 使用提拉法分别沿晶体z 、x 和y 方向生长出n d ：l g t 晶体，晶体呈浅 色有开裂和包裹体。晶体质量一般，但仍可以切割足够大的样品进行实验 要得到高质量的晶体，还要进一步改善晶体生长工艺和方法。 测试了n d ：l g t 晶体的吸收谱和荧光谱。由吸收谱发现在8 0 8 r i m 波长 n d ：l g t 具有强烈的吸收峰，荧光谱表明1 0 6 4 n m 波长处其发射峰最强。加 5 x 4 x 3 4 4 r a m 3 ( x x y x z ) 样品测试晶体的激光性能，实验采用8 0 8 n m 波长的】 作为泵浦源，所用试样两z 画仔细抛光，但未镀增透膜，实验过程中试样珠 却，结果成功得到该晶体的激光输出。当输入泵浦能量2 2 w 时，输出毹 1 3 0 m w ，平均斜率6 8 ，光一光转换效率为5 9 。 分别加工沿y 方向和x 方向生长的n d ：l g t 晶体，进行激光实验，并游 到更好的实验结果。总的来说n d ：l g t 晶体可能并不是很好的激光晶体。 关键词：硅酸镓镧晶体，电光q 开关，晶体生长，旋光性，激光晶体 山东火学博士学位论文 a b s t r a c t t h ee l e c t r o - o p t i c ( e o ) q - s w i t c hi s 强i m p o r t a n tc o m p o n e n tr e q u i r e dt op r o d u c e h i g hp e a kp o w e r l a s e r t h e l e e f i o no fe o m a t e r i a l si sv e r yi m p o r t a n tf o rf a b r i c a t i n g a l le oq - s w i t c hw i t he x c e l l e n tp r o p e r t i e s a tt h ep r e s e n tt i m e ，o n l yt w ok i n d so f c r y s t a l s a r e c o m m e r c i a l l yu s e d 舔e oq - s w i t c h e s ，t h e ya r ek d 2 p 0 4 ( d k d p ) a n d l i n b 0 3 d k d pp o s s e s s e s a s u f f i c i e n t l yh i g ho p t i c a ld a m a g et h r e s h o l d a n da 1 1 e x c e l l e n to p t i c a lu n i f o r m i t y t h ee oq - s w i t c hi so f t e nu s e di nt h ep u l s el a s e rw i t h h i 曲p o w e ro u t p u t h o w e v e rd k d p i s g r o w nf r o ma q u e o u ss o l u t i o n i ti sr e a d i l y h y g r o s c o p i ci na i r c r y s t a lp r o c e s s i n g a n da p p l i c a t i o nm u s tb ec a r r i e do u tu s i n g s p e c i f i cp r o c e d u r e st op r e v e n th y g r o s c o p i c i t y a l s o ，s i n c e d k d pi s g r o w ni n a m e t a s t a b l ep h a s e ，g r o w t hi sd i f f i c u l ta n dt a k e sal o n gt i m e l i n b 0 3c a nb eg r o w nb y t h ec z o c h r a l s k im e t h o da n di s n th y g r o s c o p i ci na i r ，b u tt h eo p t i c a ld a m a g et h r e s h o l d o fl i n b 0 3i s v e r yl o w , w h i c hs e v e r e l y l i m i t si t su s e f u l p o w e rr a n g e a s a c o n s e q u e n c e ，l i n b 0 3c a no n l yb eu s e di nl o wp o w e r l a s e rs y s t e m s t h e r e f o r ei ti sa v a l u a b l ew o r kt ol o o kf o rab e t t e re o c r y s t a la n d m a k en e we o q s w i t c h e s c r y s t a l l i n el a 3 g a s s i 0 1 4 ( 1 a n g a s i t e ，l g s ) w a sf i r s tr e p o r t e db ya a k a r n i n s k i i a sal a s e rc r y s t a li n1 9 8 2 l a t e r ，c r y s t a l l i n el g sw a sw i l d l ys t u d i e da sap r o m i s i n g p i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l m a n yp a p e r sh a v er e p o r t e di t sc r y s t a lg r o w t h a n d p i e z o e l e c t r i c p r o p e r t i e s l a 3 g a s5 t a o5 0 1 4 ( l g t ) 、l a 3 g a s5 n b 05 0 4 ( l g n ) a n ds r 3 t a g a 3 s i 2 0 4 ( s t g s ) c r y s t a l s a r ei s o s t r u c t u r a lc o m p o u n d st ol g s t h e yh a v et h es a m es t r u c t u r e a sl g sa n dp o s s e s se x c e l l e n tp i e z o e l e c t r i cp r o p e r t i e st o o s o m ep a p e r sa b o u tl g t , l g ta n ds t g s c r y s t a lh a v eb e e np u b l i s h e d t h ee o p r o p e r t i e so fl g sh a v eb e e nm e a s u r e db ys o m ee x p e r i m e n t sa n d t h e r e s u l t ss h o wl g s p o s s e s s e sw o r k a b l ee o c o e f f i c i e n t s i ti st h es t a r to ft h er e s e a r c h w o r ka b o u tl g sc r y s t a li no u rl a b o r a t o r y i nt h ed i s s e r t a t i o n ，t h eg r o w t h ，e o p r o p e r t i e sa n d o t h e rp r o p e r t i e so fl g sa n di t si s o s t r u c t u r a lc r y s t a lh a v eb e e ns t u d i e d ， v 山东大学博士学位论文 a n dt h ea p p l i c a t i o no fa l lc r y s t a l sa sa l le o q s w i t c hi sd i s c u s s e d 1 c r y s t a lg r o w t h l g s c r y s t a l so fg o o dq u a l i t yh a v eb e e ng r o w nb yu s i n gt h ec z o c h r a l s k im e t h o d t h ed e f e c t sa n dt h e i ra f f e c t i o no nt h ec r y s t a l sp r o p e r t i e ss u c ha sc r a c k sa n dg r o w t h c o r ei nt h ec r y s t a lh a v eb e e nd i s c u s s e d t h er e s o l v e n t sa c c o r d i n gt ot h ed e f e c t sa r e p r e s e n t e d s o m ek e yf a c t o r sh a v i n gi n f l u e n c eo nc r y s t a lg r o w t ha r es u m m e du pa n d t h e y a r et h e c o m p o s i n go ft h er a wm a t e r i a l s ，t e c h n i c s ，t e m p e r a t u r e a n dt i m eo f t r e a t i n gw i t hm e l t o f t h er a wm a t e r i a l s ，e t c t h ed i m e n s i o no ft h ea s g r o w nl g s c r y s t a li sa p p r o x i m a t e l yo s 0 m m x 110 m m ， a n dt h ed i m e n s i o no ft h el g s c r y s t a lw i t l lf l a ts h o u l d e ri sa b o u t0 6 0 m m x 10 0 m m t h e c r y s t a l sa r et r a n s p a r e n ta n di nd a r ko r a n g e n oo b v i o u sc r a c k so ri n c l u s i o n sa r e o b s e r v e d t h ee x p e r i e n c eo fl g s c r y s t a lg r o w t hi s u s e df o rr e f e r e n c ew h e nl g t , l g n a n ds t g sc r y s t a l sa r eg r o w n h i g hq u a l i t yc r y s t a l sa r ea l s og r o w nb yu s i n gt h e c z o c h r a l s k im e t h o d ，a n dt h e i rp r o p e r t i e sa r ei n v e s t i g a t e d 2 d e f e c t sa n d o p t i c a lq u a l i t yo f l g s d e f e c t so f ( 0 0 1 ) a n d ( 1 1 0 ) w a f e r sh a v eb e e ns t u d i e db yt h ee t c h i n ge x p e r i m e n t a n dt h ew h i t es y n c h r o t r o nr a d i a t i o nt o p o g r a p h y t h eg r o w t hc o r eo fl g si sa na r e a d i s t r i b u t i n gm a n ye t c hp i t s r o c k i n gc u r v eo fl g sw a sm e a s u r e da n dt h er e s u l t s s h o wt h eg r o w t hc o r eh a v en o ts e r i o u sd i s t o r t i o nc o m p a r e dw i t ho t h e r8 _ r e a s o m ed e f e c t ss u c ha sg r o w t hs t r i a t i o n sa n dd i s l o c a t i o n sa r ea l s oo b s e r v e di nt h e w h i t e s y n c h r o t r o n r a d i a t i o n t o p o g r a p h y , t h e f o r m a t i o nc a u s a t i o no fd e f e c t si s d i s c u s s e da n dt h em e a n so fe l i m i n a t i n gd e f e c t si sp r e s e n t e d i th e l p st or e d u c et h e g r o w t hs t r i a t i o n sb yt h es o m em e a n s ，f o re x a m p l ek e e p i n g t h et e m p e r a t u r eo f c r y s t a l g r o w t hs t a b i l i t y , a n dr e d u c i n g t h ei n s t a b i l i t yo f g r o w t he q u i p m e n t e t c c o n o s c o p i co b s e r v a t i o np a t t e r n so fl g s s h o wa s - g r o w nl g s c r y s t a lp o s s e s s e s h i 曲o p t i c a lq u a l i t i e s 3 v h y s i c a lp r o p e r t i e so f l g s 山东大学博士学位论文 t h ec t l r v c so fs p e c i f i ch e a to fl g s v s t e m p e r a t u r ea n dt h e r m a le x p a n s i o nv s t e m p e r a t u r eh a v eb e e nm e a s u r e di nt h et e m p e r a t u r er a n g ef r o mr o o mt e m p e r a t u r et o 3 0 0 。c t h es p e c i f i ch e a to fl g si s0 4 7 j g ca tr o o mt e m p e r a t u r e ，a n dt h et h e r m a l e x p a n s i o nc o e f f i c i e n t sa r e5 1 1 = 5 _ 8 1 0 。6 。c a n d5 3 3 = 3 9 1 0 6 0 c c o m p a r i n gw i t h k d p c r y s t a l ，l g sh a v es m a l l e rt h e r m a le x p a n s i o n sa n da n i s o t r o p yo fi t st h e r m a l e x p a n s i o ni sw e a k e r t h i sr e s u l tm e a n st h ec r y s t a li sn o te a s yt oc r a c ki nc r y s t a l g r o w t h a n d p r o c e s s i n g ( 0 0 1 ) a n d ( 11 0 ) w a f e r so fl g s w e r eu s e dt om e a s u r e dt h ec u r v e so f c a p a c i t a n c e v s t e m p e r a t u r ei nt h et e m p e r a t u r er a n g ef r o mr o o mt e m p e r a t u r et o6 0 0 。c a n dt w o d i e l e c t r i cc o n s t a n t so fl g sw e r ec a l c u l a t e da n dt h er e s u l t sw e r e c u = 2 5 9 7a n d 句3 2 5 7 6 8 t h e yb y es m a l l e rt h a nt h a to fd k d p ( 品2 9 0 ) a n dl i n b o j ( 0 0 = 8 4 6 ) c r y s t a l t h er e s i s t i v i t yo fl a n g a s i t ej sp a 4 0 10 1 2q c m i ti ss m a l l e rt h a nt h a to f l i n b 0 3 ( p b = 2 o x l 0 1 3 q ，c m ) ，b u t l a r g e r t h a n t h a t o f d k d p ( p 。= 1 3 1 0 “q - c m ) l g s c r y s t a lp o s s e s s e se x c e l l e n to p t i c a lp r o p e r t i e s i t su l t r a v i o l e ta b s o r p t i o ne d g e i sa b o u t2 4 4 n m ，a n dt h et r a n s m i t t a n c ei sm o r et h a n8 0 i nt h e4 0 0 2 4 0 0 n m w a v e l e n g t hr e g i o n t h eo p t i c a ld a m a g et h r e s h o l do fl g s i sa b o u t6 7t i m e so f t h a to f l i n b 0 3 t h ee oc o e f f i c i e n t so fl g si sm e a s u r e db yt h ei n t e r f e r o m e t r i cm e t h o da n dt h e r e s u l t sa r ey l i = 2 3 p m va n d y 4 1 2 1 8 p m v a l t h o u g ht h ee oc o e f f i c i e n t si ss m a l l e r t h a nt h a to fd k d pa n dl i n b 0 3 c r y s t a l ，b u ti tp o s s e s s e sp o t e n t i a lt oa p p l yi nt h ep u l s e l a s e ra sa ne o q s w i t c h t os l a mu p ，t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so fl g sc o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n to fe o d e v i c e sf o rm a t e r i a l s 4 e o q s w i t c hm a d eo f l g s e oq - s w i t c hm a d eo fl g sm a i n l yu t i l i z e st h et l l ，at r a n s v e r s ee oe f f e c t h a l f - v o l t a g ec a n b er e d u c e db y a d j u s t i n gt h ea s p e c t r a t i oo f t h eq s w i t c h t h ew o r k p r i n c i p l e so f e o q s w i t c hh a v eb e e nd e s i g n e da n dp e r f e c t e ds t e pa n d s t e pb ys o m ee x p e r i m e n t so fl g sq s w i t c h t h ee oq s w i t c ho fl g s i sa p p l i e dt o v i 山东大学博士学位论文 t h en d ：y a gl a s e ra n dt h er e s u l t ss h o wi ti sa ne x c e l l e n te o q - s w i t c h 5 p r o p e r t i e sa n dq - s w i t c ho f l g t , l g n a n ds t g s e x p e r i m e n t s h a v eb e e n p e r f o r m e d t om e a s u r et h e s p e c i f i ch e a t ，t h e r m a l e x p a n s i o n ，d i e l e c t r i cc o n s t a n t sa n dt r a n s m i s s i o ns p e c t r u me t c p h y s i c a lp r o p e r t i e so f l g t , l g n a n ds t g s c r y s t a l s t h er e s u l t ss h o wt h e i rp r o p e r t i e sa r es i m i l a rt ot h a to f l g s t h e yp o s s e s ss m a l lt h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t s ，s m a l ld i e l e c t r i cc o n s t a n t s a n dh i g ht r a n s m i t t a n c e t h e i rg e n e r a lp r o p e r t i e sc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n to fe o d e v i c ef o rm a t e r i a l s e oq s w i t c hp r o p e r t i e so fl g t , l g na n ds t g sh a v eb e e np e r f o r m e db ya n e x p e r i m e n t a le q u i p m e n td e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ew o r kp r i n c i p l eo fl g sq s w i t c h t h er e s u l t ss h o wt h ee oc o e f f i c i e n t so fl g t , l g na n ds t g sa r et o os m a l l t h e s e t h r e ec r y s t a l sc o u l d n tb ea p p l i e da sa l le o q - s w i t c h 6 g r o w t ha n dl a s e rp r o p e r t i e so f n d ：l g t n d ：l g tc r y s t a l sw e r eg r o w n b y t h eu s i n gc z o c b _ r a l s k im e t h o d a l o n gz xa n dy d i r e c t i o nr e s p e c t i v e l y g r o w t ho fh i g hq u a i l t yc r y s t a l si sd i f f i c u l t ，a n da l la s g r o w n n d ：l g tc r y s t a l sp o s s e s ss o m ec r a c k sa n di n c l u s i o n s s a m p l e s c u tf r o m a s g r o w n n d ：l g t c r y s t a l s h a v eb e e nu s e dt om e a s u r e a b s o r p t i o ns p e c t r u ma n df l u o r e s c e n c es p e c t r u m t h er e s u l t ss h o wn d ：l g tc r y s t a l m a ye m i t 10 6 4 n mw a v e l e n g t hl a s e rw h e nal a s e r - d i o d e ( l d ) o f8 0 8 n mi su s e da s p u m p i n gs o u r c e as a m p l ec u tf r o mn d ：l g tg r o w na l o n gzd i r e c t i o nw a su s e dt o p e r f o r mt h el a s e re x p e r i m e n t ，a n dr e s u l t si n d i c a t et h eo u t p u tp o w e ro fn d ：l g ti s 1 3 0 m ww h e nt h ei n c i d e n tp u m p i n g p o w e r i s2 2 w t h el a s e re x p e r i m e n tw a sp e r f o r m e do nt h es a m p l e sm a d eo fc r y s t a l sg r o w n a l o n gx a n dyd i r e c t i o nr e s p e c t i v e l y b u tn ob e t t e rr e s u l t sw e r eo b t a i n e d m a y b e ， n d ：l g ti s n ta g o o dl a s e rc r y s t a l k e y w o r d ：l a n g a s i t e ，l a 3 g a s s i o l 4 ，e l e c t r i c - o p t i cq s w i t c h ，c r y s t a lg r o w t h ， o p t i c a la c t i v i t y , l a s e rc r y s t a l v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：塑。幽! 亟日期：迎5 i 生望 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：纽幽! 羹导师签名：日期：坦坐彳 ， 山东大学博士学位论文 i 1 1 电光晶体材料 第一章绪论 各种外场，如低频电场或静电场、磁场、应力或应变场、温度场等都 会对晶体的光学性质产生影响，从而发生一些可以为人们所利用的交互效应， 如电光效应、磁光效应、压电效应、弹光( 或称压光) 效应、热光效应及光折 变效应等【1 】。 电光效应就是晶体折射率随夕i d l a 电场而发生变化的现象。其中折射率与 外电场成正比的改变称为线性电光效应或普克尔( p o o k c l s ) 效应：与外电场的 二次方成正比的改变称为二次电光效应或克尔( k e r r ) 效应 2 。尽管在电场作 用下，具有电光效应晶体的折射率一般都变化不大，但已经足以引起光在晶 体中传播的特性发生改变，从而可以通过外场的变化达到光电信号互相转换 或光电相互控制、相互调制的目的。 具有电光效应的晶体称为电光晶体。 1 1 1 电光晶体的应用领域 电光效应在激光技术中有广泛的应用，电光晶体常用作电光调制器、电 光快门和q 开关、电光偏转器等等【l ，3 】。由于线性电光系数比二次电光系数 强的多，因此多是利用晶体的线性电光效应。 ， ： 1 电光开门和q 开关 如图1 1 是d k d p 晶体电光开门工作原理图。 当d k d p 晶体上不加电压时，光透过率最小，快门是关闭的；当电压增 大时。透过率随之增大。当所加电压增大到半波电压对，透过率最大，快门 全打开。 如果对晶体施加脉冲电压，则图1 一l 变成瞬时快门，由于t 6 3 可以跟上频 率为1 0 1 0 次秒电场的变化，所以利用电光效应可以制成高速电光快门。电光 快门在激光技术中的重要应用是作为激光器的q 开关，其作用是在光学谐振 i 山东大学博士学位论文 腔内控制激光束的光学损耗，防止过早产生激光辐射，从而使能量通过亚稳 态粒子数反转，贮存在激光工作物质中。当反转达到最大时，q 开关打开， 贮能以高功率的激光巨脉冲释放出来。 p 图i 1 电光快门的原理图 2 电光调制器 当在电光晶体上施加交变调制信号电压时，由于电光效应，晶体的折射 率随凋制电压即信号而交替变化。此时，若有光波通过晶体，则原来不带信 号的光波则含有了调制信号的信息。如果强度受到调制，称为电光强度调制 器：如果是位相受到调制，则称为电光位相调制器。 3 电光偏转器 利用晶体的电光效应使激光束实现偏转的器件称为电光偏转器。电光偏 转器根据施加电压形式不同而造成的偏转方式的不同，分为数字偏转器相连 续偏转器，前者使激光束在持定的间隔位置上离散，后者使光束传播方向产 生连续偏转而形成光束光点在空间接预定要求连续移动。 1 1 2 电光晶体材料分类 电光晶体材料从结晶化学角度来看，线性电光晶体可分为以下几类【3 】： 1 k d p 型晶体 k d p 型晶体包括k d p 、d k d p 、a d p 、k d a 等。这类晶体一次电光效 应比较显著，而且容易从水溶液中生长出高光学质量的晶体，因此，这类晶 体是己知电光晶体中应用最为广泛的材料其中特别是d k d p 晶体，在接近 山尔大学博士学位论文 2 斗m 处还能工作，是很好的可用于红外波段的电光晶体。k d p 型晶体的缺点 是易潮解，居里温度低。 2 a b 0 3 型晶体 该类晶体中有许多是具有氧八面体结构的铁电材料，它们不溶于水，机 械性能较好，并具有较大的折射率和介电常数，其透过波段一般为0 2 6 岬。 钙钛矿型晶体是最典型的具有氧八面体结构的a b 0 3 型晶体，这些晶体 ( 如b a t i 0 3 、s r t i 0 3 、k t a 0 3 、k t n 等) 大都具有显著的二次电光效应，在 居里温度以下的铁电相，则具有较显著的一次电光效应。钙钛矿型晶体的缺 点是组成较复杂，居里温度低，不易生长出太尺寸和均匀的晶体，抗光性也 差。 l i n b 0 3 和l i t a 0 3