硅酸镓镧单晶的生长、性质及电光应用的研究

王继扬 尹鑫 张少军 张怀金 蒋民华
山东大学晶体材料国家重点实验室,济南250100

文章摘要:硅酸镓镧（La3Ga5SiO14,langasite,简称LGS）是一种多功能晶体.LGS和石英同属32点群,具有良好的压电和电光性质,本文在综述LGS晶体基本性质的基础上,总结了我们对这种晶体生长和性质的研究工作,测量了LGS晶体电光性质,采取措施消除旋光性影响,首次用其设计制作了电光Q开关,结果表明其效果与DKDP晶体电光Q开关相当;进而开发了高功率高重复频率Q开关,双端面泵浦模式,激光重复频率为50 KHz时,最高输出可以达到12.5瓦,脉宽为46 ns.通过改进晶体生长条件,可获得直径约50 mm,长度为100 mm,重约1000 g的光学级LGS晶体,基本满足晶体电光Q开关应用的要求.
文章主题:硅酸镓镧晶体 电光性质 电光Q开关 光学级单晶生长

文章内容：第27卷第3期2007年9月物理学进展:1.27,.3.,2007文章编号:1000-0542(200703—344—17硅酸镓镧单晶的生长,性质及电光应用的研究王继扬,尹鑫,张少军,张怀金,蒋民华(山东大学晶体材料国家重点实验室,济南250100)摘要:硅酸镓镧(.,,简称)是一种多功能晶体.和石英同属32点群,具有良好的压电和电光性质,本文在综述晶体基本性质的基础上,总结了我们对这种晶体生长和性质的研究工作,测量了晶体电光性质,采取措施消除旋光性影响,首次用其设计制作了电光开关,结果表明其效果与晶体电光开关相当;进而开发了高功率高重复频率开关,双端面泵浦模式,激光重复频率为50时,最高输出可以达到12.5瓦,脉宽为46.通过改进晶体生长条件,可获得直径约50,长度为100,重约1000的光学级晶体,基本满足晶体电光开关应用的要求.关键词:硅酸镓镧晶体;电光性质;电光开关;光学级单晶生长中图分类号:048文献标识:0序言硅酸镓镧(.5,,简称)是一种多功能晶体.1982年,..[1报道了:及其同系物晶体的光学,激光,弹性和压电等性质[1;1984年,..报道了单晶弹性振动具有零温度系数切型[4],1986年采用制作声体波和声表面波滤波器,开辟了压电应用领域[5].晶体是优异的压电晶体材料,但组分中一半重量为..,昂贵的成本使之难以与量大价廉的石英(水晶)晶体相抗衡,只有在少数需要优良性质而不计成本的领域(如航空,航天或军用)才采用晶体制作的器件.近年来,由于移动通信的发展,制作的微小型中频声体波滤波器被用于宽带波分复用(—)体系,而再次受到人们的重视.除晶体外,人们对晶体同构体...()[7,.5.5.-54()[.]以及3.24()珀等晶体的生长和压电性能也进行了研究.电光效应是一种重要的晶体功能效应,是由电光性质引起折射率随外加电场发生变化的现收稿日期:2007—04—17基金项目:国家973计划"光电功能晶体"项目(2004619002)—:@...3期王继扬等:硅酸镓镧单晶的生长,性质及电光应用的研究345象,人们可以利用电光效应通过电场来调制或控制光.具有电光效应的晶体称为电光晶体,在激光技术中常被用以制备电光调制器,电光快门和电光开关,电光偏转器等,有广泛的应用.白激光实用化以来,电光开关主要是用磷酸二氘钾(,)或铌酸锂(0.,)晶体制作的.晶体光损伤阈值高,光学均匀性好,可用以制作在中,高功率激光器使用的电光开关,缺点在于是水溶性晶体,易潮解,晶体生长难度大,周期长,制作成本高.用晶体制作电光开关成本低,性质稳定,但晶体光损伤阈值低,只能应用于小功率激光器中.因此,寻找新的电光晶体有重要的科学和应用价值.据报道偏硼酸钡(0)晶体具有较高的电光系数,可用来制作电光开关,目前已有应用,晶体用熔盐法生长,生长大尺寸优质晶体的周期长,成本高.磷酸钛氧钾()晶体具有较大的电光系数和低的介电常数,光损伤阈值大于晶体,其调性能也有报道[1,但是双折射晶体,用作电光开关需补偿其静态双折射,且的向电阻率低,在高功率激光照射下会产生灰迹.近年用磷酸钛氧铷()克服了晶体向电阻率低的缺点,电光应用有了很大进展.具有压电性质的晶体都同时具有电光和非线性性质,有一些点群,如32等还具有旋光性.从制作电光开关考虑,旋光性会使入射光偏振面旋转,使电光开关的设计复杂化.因此,石英晶体的压电性质早被广泛应用,而它的电光性质就受其很大旋光性的干扰而不能利用.和石英同属32点群,有良好的压电性质和电光性质,有旋光性但比石英小.近年来我们研究了这种晶体的生长和性质,特别是电光性质及其应用,在此基础上开展了光学级硅酸镓镧晶体的生长研究,制作了高重复频率,高输出能量的电光开关,有很广阔的应用前景.本文总结了硅酸镓镧晶体的基本性质,晶体生长及其在电光应用等方面的进展.1硅酸镓镧晶体的结构及基本性质研究1.1晶体结构..报道了晶体结构,它与.20.同构,属三方晶系,点群32,空间群321(.150),口一.8162,—.5087,:1;与其同构晶体仅晶胞参数有差异,为=0.8231,一0.5129[,为一0.8234,一0.51251.在这类晶体结构(图1)中有4种不同的阳离子位置,晶体中占据位,占据,和图1硅酸镓镧及其同构体晶体结构示意图一个位,占据一个位..1[1对于,354(简称),35】4(简称)的压电性质进行比较,发现密度随稀土离子的原子序数增加而增加,而压电性质随其变小,认为晶体的压电性质起源于位置代表的十面体的体积及其形变.在镧系离子中,由于镧系收缩现象,.的离子半径最大,因此,具有最大的压电系数.从提高压电性质出发,可采用离子半径补偿和电荷补偿方法,在晶体中引入可以使其位置形成更大畸物理学进展变的离子对.1.2晶体的基本性质晶体呈透明状,一般为橙色.密度为5.75/.,硬度约为莫氏5.5,室温至熔点间无相变.晶体的热膨胀系数为=5.15×10～,一3.6510_..紫外吸收边为242,在590以下有最小吸收峰.研究表明啪,晶体的颜色和吸收与生长时0的含量有关.在生长气氛中,0.含量少于3,晶体色泽较淡,反之较深.和单晶通常呈淡黄或浅棕色,硬度同相近,化学性质稳定,不易溶于酸溶液.用最小偏向角法测得晶体的折射率表达式嘲为:—1+(1)其中,对于寻常光.一2.5031,对于异常光一2.5437,.一一128,晶体为正单轴晶.对晶体折射率,文献[3]也有所报道.1.2.1晶体旋光性晶体的旋光率随波长变化.见表1,表中还列出了石英晶体旋光率与之比较.的2个独立的旋光系数张量分量..一,...可由式2和式3求得.—+5]一十川.33=一?10(3)其中一0.6072,一0.6106,一0.6278,一0.198,2:0.156(以为单位),=(.+,)/2.表1和2晶体的旋光率1.2.2晶体的压电及其相关性质晶体的压电,介电,机电耦合和弹性性质有大量报道...[1于1986年申请了单片晶体滤波器的专利,对晶体压电性质及相关应用作了综述