CN102692734A - 一种基于ktn晶体二次电光效应的激光偏转调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于KTN晶体二次电光效应的激光偏转调制方法，属于电光元器件的设计与制备研究领域。本发明以一定浓度离子掺杂的立方相Cu:KTN晶体的二次电光效应为基础，经过简单的元件和实验设计，在千伏直流电压内实现激光光束垂直于电场方向的连续非机械性扫描。以不同组分、不同掺杂浓度、不同加工尺寸的正对晶轴的长方体块KTN晶体为偏转元件，经过适当的电极设计和调控方式，在精确控温的基础上实现了激光光束的偏转，偏转效率高达120mrad/kV。本发明的突出特点是实现了激光传播方向垂直于电场方向的横向偏转，器件设计简单，偏转方式独特，且偏转效率达到国际先进水平。

Description

一种基于KTN晶体二次电光效应的激光偏转调制方法

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。

（3）在步骤（2）所提供KTN晶体样品两个相对的（010）晶面上制作金属电极，金属电极材料可以为铝、金、银，铁、铜、钛等；制作方式为先以离子溅射或真空蒸镀的方法在晶面上镀上一层金属纳米薄膜，后在金属薄膜层上增涂银导电胶。本发明中制作电极时我们采取的在离子溅射或真空蒸镀金属层表面涂抹银导电胶的方式是为了增加电极的导电性能和防止金属薄膜氧化，并不表示该方式为实现偏转效应的必要条件，实际上单纯金属层电极和单纯银导电胶电极亦可以实现激光的横向偏转。

（4）采用TEC控温设备将样品温度控制在高于居里点1～2℃，优选532nm绿光和633nm红光，按照如下步骤实施激光偏转：

i.在步骤（3）所述晶体样品两端施加电压，则电场方向平行于晶体b轴；

ii  激光光束入射方向沿c轴，即垂直（001）晶面入射；

iii.光束偏振方向调节至平行于电场方向，即沿b轴偏振。

改变电压，可观察到激光光束沿a轴，即垂直于电场方向随电场强度增加连续偏转，且电场强度增大到一定值后偏转效应达到饱和。

本发明的优点：本发明所阐述的激光光束偏转方法和传统的KTN晶体电光偏转方法相比，偏转模式和偏转效应的物理机制都有显著不同，是一种全新的激光偏转模式。1）本发明的最大特点是改变了传统KTN电光偏转器激光偏转方向只能平行于电场的纵向扫描方式，实现了激光光束垂直于电场偏转的横向扫描，为KTN晶体电光偏转器仅在平行电极下便可实现多维扫描提供了可能。2）本方法偏转效应不依赖于电极材料的种类，样品制作简单，非常有利于器件设计，且偏转效率达到世界先进水平。

附图说明

图1、本发明基于KTN晶体二次电光效应的激光偏转设计示意图；

图2、本发明实施例1中激光偏转效应示意图；其中（a）图为（010）切面示意图，（b）图为（100）切面示意图；

图3、本发明实施例1电压与偏转角度关系曲线；

图1中：1、Cu:KTN晶体，2、偏振激光光源，3、电极层，4、TEC温控装置，5、直流偏转电压，6、探测屏；

图2中：11、Cu:KTa_0.63Nb_0.37O₃晶体，21、633nm红光，22、532nm绿光，31、钛纳米层，32、银导电胶涂层，41、TEC温控装置，51、电压，61、探测屏；

图中：L=6mm，d=2mm，h=3mm，θ_max=95mrad。

具体实施方式

下面的具体实施例是对本发明作出的进一步说明，并不是对发明内容的限制。

实施例1：Cu:KTa_0.63Nb_0.37O₃晶体的电光偏转过程

如图1所示，本实施例中我们采用Cu离子掺杂0.1wt%、Nb含量x为0.37的KTN晶体为偏转元件，晶体居里点为20.5°C，晶体尺寸a×b×c＝3mm×2mm×6mm，各晶面与晶轴方向垂直，金属电极端面为（010）面（3mm×6mm），激光光源为单偏532nm绿光和单偏633nm红光，光束直径1mm，光强1~2mW。

如图2所示，电极设计为在晶体（010）面上采用离子溅射方式镀50±1nm厚钛（Ti）金属薄膜，后在薄膜表面涂抹银导电胶以增强电极导电性并防止Ti纳米层氧化；则在该种电极设计方式下，电场E方向平行于晶体b轴，即（010）方向。

偏转过程中晶体温度控制在21.5±0.2°C。分别采用He-Ne（633nm）激光和532nm绿光分别沿晶体样品c轴，即垂直（001）面入射；将激光偏振方向调节至平行于电场E，即沿（010）方向偏振，将晶体两端电压由0V逐渐增加至1200V，记录光斑中心移动距离并换算为偏转角度。将电极反接，即电场反向，重复测试，记录激光偏转方向和偏转角度。偏转结果如图3。

将晶体绕b轴旋转180°，即反向入射，重复测试，发现偏转角度不变，而偏转方向反向。将入射激光偏转方向旋转90°，即沿（100）方向偏振，重复上述过程，未见光斑有明显移动。激光偏振方向与E呈0~90°之间时，可见电场作用下激光光斑变为两个，其变化特征分别对应于偏振方向平行于（010）和（100）时的情形，表明本方法所述激光偏转现象依赖于激光的偏振态。变换实验光源，未见532nm与633nm激光光在偏转方向和角度上有明显不同。

图3表明当电压由0逐渐增加至500V时，可明显观测到激光光斑沿（100）方向连续偏转，偏转角度随电压呈近似线性增加，偏转效率高达120mrad/kV，与日本NTT公司报道的数值相当；继续增大电压，偏转效率明显降低，在1000V左右达到饱和。改变电极方向和入射光源波长，激光偏转方向和偏转角度均未发现明显变化。

实施例2：Cu:KTa_0.6Nb_0.4O₃晶体的电光偏转过程

本实施例采用Cu离子掺杂0.2wt%、Nb含量x为0.4的KTN晶体为偏转元件，晶体居里点为45°C，晶体尺寸a×b×c＝2mm×2mm×5mm，电极端面为（010）面（2mm×5mm）；电极设计为在（010）晶面上先以真空蒸镀的方式制作1±0.1um厚铝膜，后在铝膜上涂银导电胶。

偏转过程中晶体温度控制在46±0.2°C。其它偏转实施过程与实施例1相同。本实施实例偏转结果与实施例1现象类似，所不同在于偏转值明显降低，这是由于电极面积和通光距离变小所致，表明增加电极面积和增加通光距离可有效增强激光的偏转。

实施例3：Cu:KTa_0.67Nb_0.33O₃晶体的电光偏转过程

本实施例采用Cu离子掺杂0.5wt%、Nb组分为0.33的KTN晶体为偏转元件，晶体居里点为4.5°C，晶体尺寸a×b×c＝3mm×1mm×7mm，各晶面与晶轴方向垂直，电极端面为（010）面（3mm×7mm），电极制作方式为在50nm离子溅射Pt薄膜上涂抹导电胶。偏转过程中晶体温度控制在6±0.2°C。偏转实施过程与实施例1相同。

本实施实例偏转结果与实施例1现象类似，由于增加了电极端面和通光距离，并减小了晶体厚度，晶体的偏转效率有所提高。

本发明中我们只利用铜离子掺杂的KTN晶体实现了激光垂直于电场偏转的横向扫描，不排除在其它金属离子（如Ag⁺、Fe³⁺、Ti⁴⁺、Al³⁺等）掺杂的条件下会存在相同或相似的偏转效应。

Claims (4)

1.一种基于KTN晶体二次电光效应的激光偏转调制方法，其特征是，

（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；所述晶体组分中Nb含量x为0.3~0.5；

（2）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，所述晶体的结晶轴为a、b、c轴，其中定义晶体生长方向为c轴；

（3）在KTN晶体样品两个相对的（010）晶面上制作金属电极，所述金属电极的制作方法为：先以离子溅射或真空蒸镀的方法在晶面上镀上一层金属纳米薄膜，后在金属薄膜层上增涂银导电胶；或者是仅在晶面上镀上一层金属纳米薄膜，或者仅在晶面上涂银导电胶；

（4）在高于KTN晶体居里点1~2℃精确控温的条件下按照如下步骤实施激光偏转：

i.施加平行于晶体b轴的电场；

ii  激光光束沿c轴入射；

iii.光束偏振方向调节至平行于电场方向偏振。

2.如权利要求1所述的基于KTN晶体二次电光效应的激光偏转方法，其特征是，所述步骤（1）晶体中Cu²⁺离子掺杂重量百分比为0.1%至0.5%。

3.如权利要求1或2所述的基于KTN晶体二次电光效应的激光偏转方法，其特征是，所述步骤（3）金属电极的制作方法为：以离子溅射的方法在晶面上镀上一层金属纳米薄膜，后在金属薄膜层上增涂银导电胶。

4.如权利要求1或2所述的基于KTN晶体二次电光效应的激光偏转方法，其特征是，所述步骤（4）激光光束为532nm绿光或者633nm红光。

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