高性能铌酸锂晶体与光电器件产品化的关键技术研究

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铌酸锂是重要的人工晶体,广泛应用在声表面波器件、电光调制、光参量振荡器、红外探测以及光通讯器件中。我国是铌酸锂晶体的生产大国,但多为压电级别的晶体,晶体质量能够满足声表面波器件使用要求,但作为光学用途使用,晶体质量还存在诸多问题。   本论文工作主要围绕高品质铌酸锂晶体的制备以及部分相关器件的开发,开展了下面的工作:   (1)大尺寸光学级铌酸锂晶体的研制   为了满足光通讯器件和军用激光器件对高品质大尺寸光学级铌酸锂晶体的需求,系统研究了大尺寸铌酸锂晶体生长及后处理中存在的问题。分析了其中制约晶体光学质量的主要晶体缺陷以及这些缺陷产生的原因。分析结果表明,改进晶体等径控制克服晶体生长过程中的直径突变,是提高晶体光学质量的有效途径。   设计了适合大尺寸晶体生长的温场系统,设计了一套计算机晶体生长等径控制系统,开发了配套控制软件。在多台晶体生长炉上成功应用,取代传统的PID仪表控制方式,解决大尺寸晶体生长中严重的热滞后问题,进而解决了包裹体、生长条纹等常见的缺陷。   生长了一系列三英寸光学级铌酸锂晶体,包括名义纯、高掺镁、掺铁、掺锌、掺钕、掺铒、掺锰等。三英寸名义纯铌酸锂晶体在50㎜长度内光学均匀性△ne小于3×10-5/㎝,达到国际先进、国内领先水平。   (2)大尺寸化学计量比铌酸锂晶体的研制   化学计量比铌酸锂晶体减少了大多数同成分铌酸锂晶体中存在的本征缺陷,晶体性能大幅提高,尤其是极化反转电压的大幅降低和抗光损伤能力大幅提高(需同时低掺镁),使得它特别适合制备高抗光损伤的周期极化晶体。周期极化晶体应用在基于准相位匹配的光参量振荡器中,这些光参量振荡器在红外对抗、大气污染在线监测等方面有重要的意义。   本论文工作首先从相图上分析了气相输运平衡法(VTE)的机理,结合实际工艺分析了扩散过程中基片被腐蚀的原因,并通过试验得到了证实。进而根据试验结果,对VTE法制备化学计量比铌酸锂晶体的工艺进行了改进,使VTE方法简便易行,成本大大降低。按照改进后的工艺,制备出了系列高质量化学计量比铌酸锂晶片。厚度为1.8㎜、直径约85㎜的化学计量比铌酸锂晶片氧化锂含量在49.90±0.05mol%。   利用制备出的三英寸化学计量比低掺镁铌酸锂晶片,制备了长度为50㎜、宽度为10㎜、厚度为0.8㎜、周期为30μm的高品质的周期极化铌酸锂晶体,占空比接近50%。   为制备大尺寸化学计量比铌酸锂晶体,设计并制作了一套熔体注入连续供料化学计量比铌酸锂晶体生长系统,包括熔体注入加料系统、温场、控制系统及配套控制软件。利用该系统生长出了三英寸化学计量比铌酸锂晶体,平均氧化锂含量为49.85mol%,径向组分偏差为±0.02 mol%/㎝,轴向为±0.03mol%/㎝。   (3)高温度稳定性电光调Q开关的研制   分析了铌酸锂电光调Q开关损坏的原因及影响其温度稳定性的原因,提出晶体表面加工光洁度差和内部包裹体是导致电光调Q开关损坏的主要原因,晶体内部应力是影响温度稳定性的主要原因。   在大尺寸光学级铌酸锂晶体的基础上,通过加工过程对应力的控制,制备出了能够满足军用激光器使用要求,在-40℃~60℃之间稳定工作的铌酸锂电光调Q开关。   利用改进后的等径控制技术,生长了高光学质量的大尺寸高掺镁铌酸锂晶体,制备了具有高抗光损伤能力的高掺镁铌酸锂电光调Q开关,实验结果表明开关的光学质量达到实用化水平,有望取代KD*P电光调Q开关,在中等功率脉冲激光器方面具有广阔的应用前景。
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