光电功能晶体材料研究进展

第29卷 第10期2010年10月

中国材料进展

MATERIALSCHINA

Vol 29 No 10

Oct 2010

特约专栏

光电功能晶体材料研究进展

王继扬,吴以成

1

2

(1.山东大学晶体材料国家重点实验室,山东济南250100)

(2.中国科学院理化技术研究所,北京100080)

摘 要:光电功能晶体,包括激光晶体、非线性光学晶体、电光晶体、介电体超晶格、闪烁晶体和PMN PT驰豫电单晶等,

在高技术发展中具有不可替代的重要作用。近年来,我国在这些重要晶体材料的生长、基础研究和应用方面都获得了很大成绩。综述了光电功能晶体材料研究和应用的部分进展。在此基础上,提出进一步发展晶体理论,扩大理论的应用范围,注重晶体生长基本理论研究,发展新的晶体生长方法和技术,加强晶体生长设备研制,加强晶体从原料到加工、后处理、检测及镀膜等全过程的结合等建议,以全面提高我国光电功能晶体研究发展及其产业化水平。

关键词:功能晶体;进展;应用

中图分类号:O734 1 文献标识码:A 文章编号:

1674-3962(2010)10-0001-15

ProgressoftheResearchonPhotoelectronic

FunctionalCrystals

(1.StateKeyLaboratoryofCrystalMaterials,ShandongUniversity,Jinan250100,China)

(2.TechnicalInstituteofPhysicsandChemistry,CAS,Beijing100080,China)

lelectro optica,ldielectric superlattice,Abstrac:tPhotoelectroniccrystalsincludinglaser,Nonlinearoptica,

inorganic

scintillatingcrystalandPMN PTrelax ferroelectricsinglecrystalsplayacrucialroleinthedevelopmentofhighttechnolo gies.Inrecentyears,greateffortshavebeenmadetotheresearchandapplicationsoftheseinportantmaterials,aswellasgreatachievementshavebeenobtained.Inthispaper,partoftheprogressinthefieldofphotoelectroniccrystalshasbeenreviewed.Basedontheabove mentionedworks,proposalshavebeensubmitted,suchastopromotebasicre search,todevelopnovelcrystalgrowthtechnology,toenhancethecombinationeachstepstowholecrystalgrowthprocessfromrawmaterialpreparation,crystalgrowth,pro treatmentsofas growncrystals.

lprogress;applicationKeywords:functionalcrysta;

WANGJiyang,WUYicheng

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1 前 言

材料是人类物质文明的基础。材料分类有多种方法,从应用角度通常可分为结构材料和功能材料。结构材料主要以其力学性质为应用基础,而功能材料则是其物理、化学或生物功能性质为应用基础。功能晶体是功能材料的重要组成部分,是光、热、电、磁、力等各种能量形式转换的重要媒介,在当前高新技术中起着关键和不可替代的作用。近年来,激光和光电子学的发展进一步促进了功能晶体的发展和应用,用于光电及其转换

的功能晶体成为材料科学与工程研究领域的一个热点。光电功能晶体的种类很多,往往可以根据其功能性质来划分,如光学晶体、激光晶体、非线性光学晶体、电光晶体、压电晶体、闪烁晶体和磁光晶体等。

进入21世纪以来,光电功能晶体材料作为微电子、光电子、通信、航天及现代军事技术等高科技领域中的关键材料受到世界各国的重视。光电功能晶体作为高科技发展的核心材料,具有不可替代的重要地位。许多先进工业国家纷纷投巨资进行研究,抢占晶体技术中的制高点。我国光电功能晶体的研究和应用处于国际前沿,特别是无机非线性光学晶体的研究处于国际领先地位。

光电功能晶体的发展,正向扩展波段、高功率、短脉冲、复合化和小型化等方向发展,要求材料在恶劣和复杂的环境下长时期服役,对功能晶体提出了更高的要在扩展(新收稿日期:2010-09-15

金项目(10523001)资助

基金项目:国家973计划项目(2010CB630703)和国家自然科学基

,,19,

和敏感波段有特殊功能性质的晶体材料;而且要求晶体向更大、更高质量、及复合化方向和微小型化方向发展,注重功能晶体在高功率和复杂条件下的应用。

从国际范围来看,大尺寸优质钇铝石榴石(YAG)类晶体,包括各种掺杂和同类(如GGG)晶体仍是激光晶体应用的主流;透明激光陶瓷及微晶玻璃的研究和应用正在深入;同时,为实现小型化,发展了多种微片激光器晶体材料。在从可见到深紫外的波段,目前已经发展了多种非线性光学晶体,基本满足了实用需求,今后工作集中在发展新晶体生长技术,以更低的成本生长更好、更大的晶体。而对于日益增长的中红外非线性激光晶体现在还不能满足需求,则采取了发展直接产生2 m附近的激光晶体、中远红外非线性光学晶体及拉曼位移激光晶体3种途径来解决。在国际上为满足激光聚变装置倍频和电光开关的需求,在发展了大尺寸优质磷酸二氢钾(KDP)和磷酸二氘钾(DKDP)的同时,发展大尺寸三硼酸锂(LBO)和硼酸钙氧钇(YCOB)晶体。闪烁晶体的研究在于优化和提高晶体的性能,扩展应用范围。设计和生长优良综合性能的闪烁晶体仍然是闪烁材料研究的重点。

当前,微结构物理研究内涵越来越丰富,应用背景日益明显。微结构光电功能材料已成为材料科学、凝聚态物理和光电子技术科学的交汇点和新学科的生长点,有重要的学术意义和应用价值。我国以铁电晶体光学超晶格在国际上有重要地位,近年其在理论和应用探索两方面都获得重要进展。本文综述了目前在几种重要的功能晶体研究和应用方面的进展。

图2 Nd YVO4晶体Fig 2 Nd YVO4crystals图1 大尺寸Nd YAG和YAG晶体Fig 1 LargesizeNd YAGandYAGcrystals

2 激光晶体

尽管半导体激光器和光纤激光器得到飞速发展,激光晶体仍然是全固态激光器所用的最基本的激光基质材料。到目前为止,已经研究和应用的激光基质晶体从几种增加到几十种,应用最广泛的还是Nd YAG(图1),Nd YVO4(图2)和Ti Al2O3(图3) 三大基础激光晶体!。Nd YAG用于高中等功率激光器,Nd YVO4晶体用于低功率小型全固态激光器,而Ti Al2O3用于可调谐及超快激光器。我国在Ce,Nd双掺及Cr,Yb双掺YAG晶体研发中作出重大贡献;在Nd YVO4批量生产技术的突破促进了Nd YVO4晶体的应用,并促进了Nd YVO4/KTP光胶技术的发展、小型全固态倍频激光器产业化及其广泛应用;Ti Al2O3的温梯法生长技术也有一定特色

[1]

4+

图3 温梯法生长的Ti Al2O3晶体Fig 3 Ti Al2O3crystalgrownbyTGTmethod

激光晶体仍以石榴石(Nd YAG,Nd GGG或Yb YAG)型晶体为主,辅以Nd YAG透明陶瓷或Yb玻璃光纤。目前,大尺寸Nd YAG晶体生长技术已有重大进展,进一步发展在于消除Nd YAG晶体中普遍存在的中心应力集中区,即 核芯!区,如能获得突破,则其意义重大。中国科学院上海光机所长期从事温度梯度法生长YAG类晶体,可以避开晶体生长中的 核芯!问题,所生长的晶体Nd YAG晶体于2005年实现大于2kW的输出;同年,清华大学采用LD泵浦Yb YAG晶体也获得大于1kW的连续输出;

2006年,中国工程物理研究院采用

Ndk,。

高平均功率密度固体激光器,包括热容激光器在材

也正抓紧研究大尺寸Nd GGG晶体的生长技术,这种晶体一般不存在 核芯!区,并也较易生长大尺寸优质晶体。这种晶体中Ga2O3为主要原料,成本高,其挥发性也给晶体生长带来困难,中国科学院安徽光机所和山东大学在大尺寸Nd GGG晶体生长方面获得很大进展,山东大学用自制提拉装置成功生长了70mm,质量达8kg的优质Nd GGG晶体(图4),所获Nd GGG晶体 …… 此处隐藏：36179字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……