RTP晶體光學(xué)和電學(xué)性能研究

程秀鳳，王 營，王正平

（山東大學(xué)晶體材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250100）

RTP晶體光學(xué)和電學(xué)性能研究

程秀鳳，王 營，王正平

（山東大學(xué)晶體材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250100）

磷酸鈦氧銣（RbTiOPO4，RTP）晶體是一種新型的、有重要應(yīng)用前景的電光材料。采用分光光度計(jì)、Nd:YAG鎖模激光器、耐壓測試儀等設(shè)備，對其光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了全面測試研究，包括透過譜、折射率、消光比、電阻率、電光系數(shù)等。測試結(jié)果表明：RTP材料具有透過譜寬、吸收損耗小、消光比大、電阻率高、電光系數(shù)大、半波電壓低等優(yōu)點(diǎn)，綜合性能優(yōu)異，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將為高性能RTP電光調(diào)制器件的精確設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

RTP晶體；電光晶體；光學(xué)性質(zhì)；電學(xué)性質(zhì)

0 引 言

用電光晶體制作的快速光開關(guān)、Q開關(guān)、光調(diào)制器、電光偏轉(zhuǎn)器等器件在現(xiàn)代光電子學(xué)和激光技術(shù)中有著重要應(yīng)用。這些應(yīng)用提高了激光器的性能，擴(kuò)大了激光的使用范圍，促進(jìn)了激光技術(shù)的發(fā)展。目前在激光技術(shù)中廣泛應(yīng)用的電光晶體為單軸晶體磷酸二氘鉀（KD*P）和鈮酸鋰（LN），但兩者在電光性能方面都有不少欠缺。KD*P晶體的半波電壓相對較高，易潮解，使用時必須密封在盒子中；LN的最大缺點(diǎn)是光損傷閾值太低，此外存在壓電耦合效應(yīng)導(dǎo)致的寄生振蕩，因此不能滿足高頻調(diào)制的需要。雙軸晶體磷酸鈦氧鉀（KTP）是一種優(yōu)秀的非線性光學(xué)晶體，廣泛用于腔內(nèi)倍頻釹離子的1m附近的紅外激光，由于它也具有大的電光系數(shù)和低的介電常數(shù)，所以有人曾把它作為Q開關(guān)進(jìn)行研究，但是高的電導(dǎo)率造成電光性能變差，限制了它在電光器件方面的實(shí)用化。激光、光電子技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展對電光晶體提出了更高的要求，亟需探索新的、性能更加優(yōu)異的電光晶體。

磷酸鈦氧銣（RTP）晶體是KTP晶體的同晶系晶體，同屬正交晶系，mm2點(diǎn)群，Pna21空間群，因?yàn)榫哂斜菿TP晶體更低的電導(dǎo)率，引起了人們的很大興趣。從RTP晶體出現(xiàn)以來，雖然已有一些用于電光調(diào)Q的報(bào)道[1-4]，但是對其基本物理性質(zhì)仍缺乏了解。

本文對于RTP光學(xué)和電學(xué)性能進(jìn)行了測試，研究表明這種材料的透過譜和線性電光系數(shù)均與KTP相當(dāng)，而Z向電阻率比KTP高兩個數(shù)量級，線性耐壓區(qū)達(dá)到7000V以上，是一種性能優(yōu)良的耐高壓電光材料。

1 透過譜

晶體的透光范圍直接影響到晶體的使用范圍，用U-3500光譜儀（HITACHI Co.，Ltd.，Japan），在室溫下對RTP晶體在Z方向和X方向的偏振透過率進(jìn)行了測量，測量范圍為330～3200nm。晶體為Y方向通光，尺寸為4mm×4mm×7 mm，通光面鍍膜但未拋光。測試結(jié)果見圖1。由于Z向偏振光的折射率較大，因此透過率相對X向偏振光較低。從圖中可以看出，RTP在350～2500μm波段的透過率沒有明顯的吸收峰。在1064nm處X偏振方向的透過率為86.4%，在532nm處的X偏振方向的透過率為83.9%。圖中800 nm附近的的波動是由于儀器自動換探頭所致，2 800 nm處出現(xiàn)的吸收峰是由O-H鍵振動能級造成的吸收峰。此外，在3100nm處出現(xiàn)了明顯的振蕩峰，認(rèn)為也是由O-H鍵共振吸收造成的，由于是熔鹽法生長，O-H濃度較低,使得吸收峰的峰寬較窄。

分別測量兩塊鍍膜后RTP晶體的偏振透過譜，晶體均為Y切，尺寸為6mm×6mm×9mm，通光端面鍍1064nm增透膜，測試時光闌通光孔徑φ=4mm，采用沿晶體Z向的偏振光。測試結(jié)果如圖2（a）、圖2（b）所示，1#和2#樣品在1 064 nm處的透過率分別為98.5%和99.9%，不考慮晶體兩表面的反射并且認(rèn)為鍍膜質(zhì)量均勻的話，通過計(jì)算可以得到兩塊晶體的吸收系數(shù)分別為0.017cm-1和0.001cm-1。此外，將1#和2#樣品按溫度補(bǔ)償型電光Q開關(guān)的設(shè)計(jì)方式串連放置（即第一塊晶體的Z軸平行于第二塊晶體的X軸，第一塊晶體的X軸平行于第二塊晶體的Z軸），測量了全器件透過譜，結(jié)果表明在1064nm處的透過率高達(dá)98.4%，如圖2（c）所示。如此低的吸收系數(shù)和高的透過率表明晶體具有較高的光學(xué)質(zhì)量，插入損耗小，有利于1064nm高能量電光調(diào)制。

圖1 未鍍膜RTP晶體的偏振透過譜

2 折射率

低對稱的RTP晶體是雙軸晶，有3個主軸折射率，根據(jù)國際通用標(biāo)準(zhǔn)有如下關(guān)系：nX＜nY＜nZ。測試表明，RTP晶體結(jié)晶學(xué)主軸（a，b，c）與折射率主軸（X，Y，Z）之間的關(guān)系為：a∥X，b∥Y，c∥Z，與KTP晶體相同。

目前已有多個文獻(xiàn)報(bào)道了RTP晶體的折射率色散方程[5-6]，可以計(jì)算1064nm激光倍頻在主平面上的相位匹配角，結(jié)果如表1所示。

通過與實(shí)測相位匹配角的比較，可以從中篩選出最佳色散方程。采用美國Continuum公司生產(chǎn)的PY61型Nd：YAG鎖模激光器（波長1 064 nm，脈寬35ps，頻率10Hz），實(shí)驗(yàn)測試了RTP晶體在YZ主平面內(nèi)的II類相位匹配方向，該方向偏離Y軸的外角為27°，相應(yīng)的晶體內(nèi)相位匹配角約為（75.5°，90°）。通過與表2計(jì)算數(shù)據(jù)的比較，可知文獻(xiàn)[6]報(bào)道的折射率色散方程是最為準(zhǔn)確的，在此列出作為今后非線性光學(xué)研究的依據(jù)：

圖2 鍍膜RTP晶體的透過譜

表1 RTP晶體1064nm的倍頻相位匹配角

3 消光比

理想晶體的消光比應(yīng)該是無窮大，實(shí)際上可能由于晶體內(nèi)應(yīng)力、缺陷或雜質(zhì)、晶體表面加工粗糙以及儀器本身的本征消光比等原因而大大降低。用圖3所示的裝置測量了RTP晶體的消光比：在起偏器與檢偏器分別垂直或平行的情況下，先不放晶體記錄儀器的最大輸出與最小輸出，所得最大輸出與最小輸出之間的比值即為儀器的本征消光比。然后將晶體放入裝置中，晶體的Z軸與偏振片成0°或90°，測試4塊RTP樣品的消光比，結(jié)果如表2所示。從表中的最小輸出可以看出，晶體放入前后最小輸出的差別很小，這說明如果提高裝置的精度，那么測量到的晶體消光比會更大。從表中還可以看出，這4塊晶體的消光比都比較大，說明其光學(xué)均勻性較好。通過消光比的測量，能夠?qū)TP晶體的光學(xué)質(zhì)量進(jìn)行評價，也可以指導(dǎo)加工區(qū)域的選擇，為RTP晶體電光器件的制作服務(wù)。

圖3 消光比測試光路

表2 RTP樣品的消光比

4 電阻率

采用GJ2671S型耐壓測試儀（南京長江無線電廠，最高輸出電壓10000V，最大漏電流20mA，漏電流精度0.001mA），測量了4塊RTP晶體的Z向電阻率，樣品參數(shù)如下：

1#，Y向通光，6mm×6mm×9mm；

2#，Y向通光，6mm×6mm×9mm；

3#，X向通光，7mm×7mm×13mm；

4#，X向通光，7mm×7mm×13mm。

4塊樣品的電阻率隨所加直流電壓的變化關(guān)系如圖4所示。尺寸相同的樣品所測出的電阻率也基本相同，而尺寸不同的樣品所測出的電阻率有明顯差異，尺寸較大的3#、4#樣品的電阻率較高，這可能與所加電場的均勻性有關(guān)。隨著外加電壓的升高，兩種尺寸樣品的電阻率趨于接近。當(dāng)外加電壓為2000～5000V時，1#、2#樣品的電阻率約為1.3（±0.1）×108Ω·cm，3#、4#樣品的電阻率約為1.9（±0.1）×108Ω·cm，相差縮小到1.5倍。

圖4 RTP晶體的直流電阻率

圖5 RTP與KTP漏電流隨所加直流電壓的變化關(guān)系

表3 RTP與KTP高壓直流電阻率的比較

采用相同的實(shí)驗(yàn)裝置，測量了RTP、KTP晶體所加電壓和漏電流之間的關(guān)系，并利用公式ρ=R（S/L）=（U/I）（S/L）計(jì)算兩種晶體的電阻率。所用樣品為RTP與KTP各兩塊，Y向切割，尺寸為6mm×6mm×9mm。測試結(jié)果如圖5、表3所示。有如下結(jié)論：（1）RTP晶體X向電阻率略大于Z向電阻率，但兩者差別不大。（2）KTP晶體X向電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Z向電阻率。（3）RTP晶體X向電阻率略大于KTP晶體X向電阻率，RTP晶體Z向電阻率與KTP晶體X向電阻率基本相當(dāng)。（4）對于電光應(yīng)用的Z向加電場情況，RTP晶體的Z向電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于KTP晶體的Z向電阻率，兩者平均值相差154倍，也就是說至少差兩個數(shù)量級。當(dāng)KTP晶體所加電壓大于1.5kV時，漏電流上升更快，電阻率下降得更快（電導(dǎo)率急速上升），兩種晶體電阻率比值更大。

測試數(shù)據(jù)表明，RTP可以耐7000V以上的Z向直流高壓，而KTP晶體的電導(dǎo)率隨所加電壓的增大非線性迅速增長，其側(cè)面在2kV左右已與金屬銅電極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，且內(nèi)部顯著發(fā)烏。

5 電光系數(shù)

晶體的電光系數(shù)越大，其相應(yīng)的半波電壓就越低，所制作的器件實(shí)用性就會越好。測試了4塊RTP樣品，其中1#、2#為Y向通光，6mm×6mm×9mm，3#、4#為X向通光，7 mm×7 mm×13 mm。將樣品放在兩正交或平行偏振片之間，測試系統(tǒng)光強(qiáng)（He-Ne激光，632.8nm）的透過率與晶體上所加電壓的關(guān)系（電壓分正向、反向），結(jié)果如圖6所示（各圖中前兩條曲線為兩偏振片垂直放置的情況，后兩條曲線為兩偏振片水平放置的情況）。根據(jù)半波電壓與電光系數(shù)之間的關(guān)系[7]，可以計(jì)算出相應(yīng)的有效電光系數(shù)γc。具體分析如下：

（1）1#樣品幾條曲線的半波電壓分別為2.28，2.11，2.66，2.44 kV，平均值為2.37 kV。如果兩塊晶體串連，半波電壓為1.19kV。其有效電光系數(shù)γc1為26.0pm/V。在1064nm情況下兩塊晶體串連的半波電壓為2.13kV。

（2）2#樣品半波電壓的表現(xiàn)并不明顯，原因不明，需要對其錐光干涉圖進(jìn)一步考察。唯一清楚的是紅色曲線，其半波電壓為2.64kV。如果兩塊晶體串連，半波電壓應(yīng)為1.32 kV。其有效電光系數(shù)γc1為23.34pm/V。在1064nm情況下兩塊晶體串連的半波電壓為2.37kV。

圖6 RTP晶體透過率隨所加電壓的變化關(guān)系

（3）3#樣品幾條曲線的半波電壓分別為2.20， 2.15，2.19，2.29kV，平均值為2.21kV。如果兩塊晶體串連的話，半波電壓為1.10kV。其有效電光系數(shù)γc2為22.5pm/V。在1064nm情況下兩塊晶體串連的半波電壓為1.99kV。

（4）4#樣品幾條較好曲線的半波電壓分別為2.54，2.41，2.50kV，平均值為2.48kV。如果兩塊晶體串連的話，半波電壓為1.24kV。其有效電光系數(shù)γc2為20.05pm/V。在1064nm情況下兩塊晶體串連的半波電壓為2.23kV。

（5）在0電壓處，正電壓測試與負(fù)電壓測試的初始位相不同，這主要是由于測試過程造成的：先加正向電壓0～5kV，此后電壓退到0時，系統(tǒng)的透過率往往不能恢復(fù)到初始狀態(tài)，在此情況下加負(fù)向電壓，繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。這一現(xiàn)象的出現(xiàn)應(yīng)該是由逆壓電、彈光、熱光等多種效應(yīng)的影響造成的。

（6）圖中所示的透過率是整個系統(tǒng)的透過率。由于所用偏振片的損耗較大，因此最大透過光強(qiáng)并不高，約為80%～90%。如果排除偏振片的損耗影響，則1#～4#樣品的最大透過率均可達(dá)到95%以上。

6 結(jié)束語

本文研究了RTP晶體的多種光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，測試結(jié)果表明RTP晶體具有較高的光學(xué)質(zhì)量，透過波段寬，吸收損耗小，消光比達(dá)到6000以上，Z向電阻率比KTP高兩個數(shù)量級，并可耐受7000V以上高壓。其有效電光系數(shù)γc1=23～26pm/V，γc2=20～23pm/V，與KTP晶體的數(shù)據(jù)（γc1=28.6 pm/V，γc2=22.2 pm/V）[8]相比差距不大。所有這些數(shù)據(jù)表明RTP是一種綜合性能優(yōu)異的電光晶體，同時可為高性能RTP電光調(diào)制器件的精確設(shè)計(jì)提供參考。

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Optical and electrical properties of RTP crystal

CHENG Xiu-feng，WANG Ying，WANG Zheng-ping
（State Key Laboratory of Crystal Materials，Shandong University，Jinan 250100，China）

RTP（RbTiOPO4）crystal is a new type electro-optic material which has important application prospects.By spectrophotometer，Nd：YAG mode-locked laser，and withstand voltage tester，its optical and electrical properties are researched systematically，including the transmission spectrum，refractive index，extinction ratio，resistivity，and electro-optic coefficients.The results show that RTP possesses excellent comprehensive properties，like wide transmission range，low absorption loss，high extinction ratio，large resistivity，high electro-optic coefficient and low halfwave voltage.The obtained experimental data will provide a reference for the precise design and optimization of high quality RTP electro-optic devices.

RTP；electro-optic crystal；optical property；electrical property

TN304.8；O73；O482.3；O441.2

：A

：1674-5124（2014）01-0009-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.01.003

2013-05-17；

：2013-07-24

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61178060）；山東大學(xué)自主創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2012TS215）

程秀鳳（1969-），女，山東莘縣人，高級實(shí)驗(yàn)師，主要從事晶體測試工作。