钾钠铌酸锶钡的性质与应用

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Φ(60～80)mm×(35～45)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3～6mm；晶体转速每分钟6～25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30～40mm，长度20～50mm。

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0.5％nm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400～700nm之间产生了吸收带，并且随着掺钒量的增加，晶体在400～700nm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（λ=457nm)作泵浦光，使其均匀照射到晶体样品；用低能He-Ne激光以（λ=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α1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(1—1/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αo，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RING及CAT PPCM，其方法是将作为CAT PPCM器件的晶体一直角顶角加工成αo的顶角，这样只要将晶体旋转90°，即可作为RING PPCM器件，这将大大提高晶体的利用率，并且可以在晶体组分、掺杂等条件完全一致的情况下研究比较两种器件的特性。

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