钽铌酸钾晶体动态电光调制特性研究

作     者：杨列坤 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘冰

授予年度：2022年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0803[工学-光学工程] 

主      题：二次电光效应 钽铌酸钾 介电性能 极性纳米微区 铁电畴结构 

摘      要：随着电光调制技术的发展,能够实现超高速电光调制的电光晶体更加被人们重视并加以研究。钽铌酸钾(KTa-NbO)晶体在顺电相时有着目前已知最大的二次电光系数(是铌酸锂的约70倍),其自身优异的电学光学性能使得基于KTN晶体的电光调制器件无论是用做调制器件还是偏转器件都具有明显的性能优势,在光通讯,生物医疗成像和雷达扫描等领域都有广泛应用前景。对于KTN晶体诸多特性的理论和实验研究有助于其在电光调制中的性能优化及应用。本文在国内外现有的KTN晶体理论及实验研究基础之上,对KTN晶体的电光性能做了如下研究:KTN晶体为KTaO(KT)和KNbO(KN)的固熔混晶,其有着连续固熔体的固有特征,因此长期以来,即使在实验室条件下生长光学质量十分均匀的KTN晶体也是比较困难的。本文在生长晶体前调控原料组分比例,通过对传统的顶部籽晶法生长工艺进行改进,生长出外观无明显宏观缺陷的大尺寸KTN晶体,测试表明晶体晶体居里点位于室温附近,在室温处于透明顺电相状态。对KTN晶体进行结构设计,设计加工适合电光调制用的光学晶片,确保晶片表面粗糙度和平行度满足光学实验要求。电极材料选择Pt、Au、Ag、Cu、Al等金属,利用磁控溅射的方法制作金属电极,通过介电温谱仪表征晶体介电性能,结果表明Pt金属作为电极时晶体的相对介电常数得到明显的提高。对KTaNbO晶体的电光调制特性进行了系统表征,测量了降温过程中晶体二次电光系数的变化情况,并且探究了KTN晶体生长的不一致熔融行为导致的生长组分条纹,即晶体内存在的组分波动。通过测量不同调制电压和电场频率下KTN晶体的二次电光系数,发现高的调制电压会降低KTN晶体的二次电光性能,尤其是当晶体温度下降到接近居里温度时,高调制电压使得二次电光系数迅速减小。此外,在随着外加电场频率的升高,KTN晶体的二次电光效应也出现了衰减,也是在越靠近居里温度的地方衰减越明显。我们认为这是外加电场改变了PNRs(极性纳米微区)的尺寸结构并影响了其响应导致的。鉴于KTN晶体在顺电相居里温度附近存在纳米尺寸的极性微畴,会对KTN晶体的电光调制性能产生显著影响,我们对KTN居里点附近的畴结构的动态变化特性进行了表征。从机理的角度简要介绍了KTN晶体中的铁电畴结构一些表征方法,根据KTN晶体畴结构特点和实验需求,选择偏光成像观测法并设计实验光路系统。观察了KTN晶体铁电畴结构随温度变化的演变过程和组分分布不均匀现象,研究了直流电场电场和交流电场下KTN晶体铁电畴结构的演变过程。在强直流电场的作用下KTN晶体中畴结构有效地、集体地重新排列,形成尺寸更均匀单畴铁电态,并且晶体内铁电畴会被强直流电场极化,晶体内部沿极化电场方向的能量势阱被进一步加深,这严重束缚了铁电单畴结构的重新取向,使其取向趋于一致。强交流电场引起的介电损耗推动了晶体相变使得晶体内部畴结构变小直至消失变成无法被观测到的PNRs。