钾钠铌酸锶钡的性质与应用.doc

钾钠铌酸锶钡的性质与应用一、晶体简介四方钨青铜型结构的铌酸锶钡以其大的电光系数、热释电系数，高的光折变灵敏度以及良好的压电特性广泛地应用于电光调制器、热释电红外探测器、全息成像存储器等方面.。SBN晶体的纵向电光系数较大，而横向电光系数r51数值较小，在很大程度上限制了其使用范围。此外，由于SBN晶体具有非完全填充型的结构，晶体中只有5/6A空位被Sr2+、Ba2+填充，导致了其在强激光作用下容易引起相关器件的损伤。经过大量研究，人们发现在SBN晶体中掺杂适当的离子可以有效地提高其横向电光系数。钾钠铌酸锶钡晶体（KNSBN），由于碱金属离子的填充，使晶体不仅具有较大的横向电光系数(其r51值可达到400pm/V)，而且其抗激光损伤阈值能够达到600MW/cm2(4pps)，这两个优良的特性使KNSBN晶体在大功率激光调制器、光开关等集成光学器件方面具有广阔的发展前景。二、晶体生长对KNSBN系列的晶体来讲，一般采用拉晶法培养晶体。该系列晶体的特点是导热系数非常小，如果温场设计不合理难以进行单晶生长，大直径晶体更是如此。所以，设计合理的温场是大直径晶体的生长关键。用于晶体生长的设备是DJL-400型中频感应加热系统，使用的铂坩埚尺寸为(6080)mm(3545)mm。为了创造一种合理的温场，我们将坩埚和后加热器做成特殊的形状，连同保温材料构成一种可调整的温场系统。经反复实验，适于大直径晶体生长的纵向静态温场如图1所示。比较典型的工艺参数是：晶体沿c轴提拉；每小时拉速36mm；晶体转速每分钟625转。用上述条件生长的晶体示于图2。比较典型的尺寸为：直径3040mm，长度2050mm。结论分析表明：不同m值的晶体，其a、c两晶胞参数均随之变化，但它们的c/a轴率比变化是很小的，约在0.5nm之内。这一结果说明，不同m值的晶体，其结构基元框架没有发生大畸变，但是，这种微小的结构变化，仍能使晶体在宏观上表现出完全不同的结晶状态。实验已经证明：A位填充度对晶体的结晶形态有很大的影响。实验上证明，稀土离子进入SBN晶体的晶格中，主要占据点阵中的A1格位。三、掺钒晶体光诱导吸收掺钒使钾钠铌酸锶钡晶体在波长400700nm之间产生了吸收带，并且随着掺钒量的增加，晶体在400700nm波长范围的光吸收增大。图2给出了测量光诱导吸收实验示意图。实验中，我们用扩束后的氩离子激光以（=457nm)作泵浦光，使其均匀照射到晶体样品；用低能He-Ne激光以（=633mm)作探测光，使其在垂直于泵浦光方向上，沿着晶体内表面通过晶体，并记录透射的变化。光诱导吸收系数1定义为：Ia和Ip分别为探测光和泵浦光的光强，d为探测光通过的晶体厚度(本实验中d=3.66mm)。图3给出了在光强I=640mw/c时，S1、S2、S3晶体样品在泵浦光打开时的光诱导吸收响应上升曲线。图4给出了KNSBN：V晶体的稳态光诱导吸收系数随泵浦光强的关系。从图4中可以看出：稳态光诱导吸收系数随泵浦光强增加而增大，并最终趋于一饱和值。稳态光诱导吸收系数与探测束偏振方向有关。探测束偏振方向平行于晶体c轴比探测束偏振方向垂直于晶体c轴的光诱导吸收要大得多，前者最大值可达0.55/cm，后者只有0.22/cm，其比值约为2.5。光诱导吸收时间响应率定义为：光诱导吸收系数达到稳态光诱导吸收系数值的(11/e)时所需时间的倒数。图5给出了KNSBN：V晶体光诱导吸收时间响应率随着泵浦光强的变化关系。从图5中可以看出：随着泵浦光强的增加光诱导吸收时间响应率近线性地增加，亦即泵浦光强越强，晶体光诱导吸收时间越快。探测束光偏振对光诱导吸收时间响应率影响不是很大。探测束偏振方向平行于晶体c轴比探测束偏振方向垂直于晶体c轴的光诱导吸收时间响应率大，亦即探测束偏振方向平行于晶体c轴比探测束偏振方向垂直于晶体c轴的诱导吸收时间响应快。四、晶体作为自泵浦相位共轭器件掺铈钾钠铌酸锶钡(KNSBN)晶体已被用于多种波长实现自泵浦相位共轭。这些器件均被设计成正方或长方体，利用光散射效应及晶体棱角的全反射，形成有两个作用区的四波混频，产生相位共轭光。这类自泵浦相位共轭镜被统称为CAT PPCM，它很容易在BaTjO3晶体中实现，但在其他光折变晶体中(如SBN)却并非如此。我们在KNSBN晶体中的实验表明，并不是每一块晶体均可作为理想的CAT PPCM器件，而且这种器件响应较慢，限制了其应用。另一种自泵浦相位共轭镜是利用了入射光束被晶体棱角全反射形成环形回路的单区作用，被称为RING PPCM，这种器件的特点是阈值低，响应快，但共轭光质量不及CAT PPCM。图1(a)是利用外加反射镜形成RING PPCM的原理图。入射光束1经晶体后被M1、M2反射重新入射到晶体中并与光束1相交形成泵浦光束2。与泵浦光束1、2相向传播的光束3、4起源于散射光，当它们互为共轭光时，其形成的光栅叠加得到最强的耦合作用，产生相位共轭光输出。同理，我们可以将晶体加工成一定棱角，利用晶体内表面的全反射，形成上面所提及的环形回路，实现自泵浦相位共轭，如图1(b)。这种器件结构紧凑，可以最大限度地利用入射光能，对周围环境如振动等要求也低。设计要求：（1）控制合理的光栅周期；（2）利用大的有效电光系数。不同掺杂的KNSBN晶体，对不同波长及入射角度的响应不尽一致，设计RING PPCM时应先以实验及理论计算求得顶角o，加工要求与CAT PPCM器件基本相同，应注意各面平行度，否则会使作用品减小，效率降低，且共轭光质量下降。从上面结果看，两种PPCM器件各有优缺点，应根据不同实验要求选用。我们还可以考虑一块晶体同时作为