[00124228]高频电场下KTN晶体动态电光响应特性、偏转机理及性能调控研究

本成果来源于山东省自然科学基金面上项目,项目名称：高频电场下KTN晶体动态电光响应特性、偏转机理及性能调控研究,项目编号：ZR2017MEM016。 钽铌酸钾晶体具有目前已知的最大二次电光系数,基于其二次电光效应的光束偏转器件具有驱动电压低、偏转角度大、响应速度快和器件体积小的优点,在雷达扫描、微纳加工、光通讯和生物组织实时成像领域具有巨大的应用潜力。 本研究针对高频电场下 KTN 电光偏转性能受限的问题,从高频电场下 KTN 晶体内部的空间电荷分布入手,用理论和实验手段探明了外加电压条件下,电荷分布随频率和时间的变化规律;利用单光束补偿法和马赫-曾德尔干涉系统研究了高频电场下频率、温度和电场强度对二次电光系数的影响,明确了 KTN 晶体动态电光响应特性;研究了 KTN 晶体在交流电场下的快速相变过程,讨论了纳米极性微区对 KTN 二次电光效应的的影响机制;对比和讨论了空间电荷控制的光束偏转、组分梯度和温度梯度产生的光束偏转的基本原理,在此基础上设计了一种基于 KTN 晶体空间电荷控制的高速电光偏转系统,阐明了光束偏转机理,建立了一种适用范围更广的基于空间电荷控制 的二次电光偏转理论模型;系统表征了电光偏转的角度、响应速度、分辨率和损伤阈值等关键特征参数,并简单讨论了电极接触、介电损耗、PNRs、场致相变和电致伸缩效应等因素对光束偏转的影响;提出了电光偏转性能调控方案,为进一步提高 KTN 电光偏转性能提供了理论和技术指导。 代表性工作：（1）材料制备方面,初步解决了制约晶体质量的组分均匀性问题,将光学质量提高到能够满足电光偏转器件设计的水平。（2）器件设计方面,搭建了基于空间电荷控制的光束偏转系统,主要指标如偏转效率、分辨率和响应时间等达到国内领先水平,系统讨论了电光偏转性能的主要影响因素。（3）系统研究了KTN晶体的动态电光效应和偏转特性,为KTN电光偏转器件的设计和应用提供了技术支持。（4）通过对晶体内部空间电荷和陷阱分布规律的实验研究,建立和完善了基于空间电荷效应和二次电光效应共同作用下的电光偏转理论模型。（5）系统研究了KTN晶体居里点附近的相变特性,通过对纳米极性微区动态演化规律的表征和讨论,提出了电光偏转的性能调控方法,为器件性能优化提供了一种新的手段。 应用及成果转化前景：以KTN光束偏转器为代表的KTN电光器件在光束扫描领域有着响应速度快和器件体积小的优点,特别适合应用于医疗显微成像,尽管目前的KTN偏转器件分辨率较低,暂时无法应用于打印、复印和屏幕显示等领域,但目前的分辨率已经完全可以满足医疗和光谱领域的要求,根据NTT公司的预测,医疗成像领域的市场规模就可达到10亿美元。随着分辨率和扫描频率的提高,受益于KTN器件尺寸小、速度快、器件设计简单和成本低的优点,KTN的应用领域将延伸到显微成像、激光雷达、光通讯、微纳加工、打印复印和屏幕显示领域,市场价值可达到近百亿美元。