一种新型硅酸镓镧族晶体及其电光系数优化方法和应用

发明涉及电光晶体和激光，更具体的说是涉及一种新型硅酸镓镧族晶体的生长及电光系数优化方法。

背景技术：

1、高重频中红外脉冲激光在军事领域如红外有源干扰、激光雷达、激光测距，民用领域如激光通信、遥感卫星、激光精密加工等方面具有重要应用，当前电光调q是获得该类激光的实用技术手段。电光晶体的折射率可随外加电场改变，即具有电光效应，是电光调q脉冲激光器中不可或缺的关键材料。理想的电光晶体不仅需具有较明显的电光效应，同时在透光范围、激光损伤阈值、大尺寸生长特性、物理化学性质稳定性、温度特性、硬度特性等均有较高要求。

2、现有实用的电光晶体主要有磷酸二氘钾(dkdp)、铌酸锂(ln)、磷酸钛氧铷(rtp)、偏硼酸钡(bbo)和硅酸镓镧(lgs)等，已广泛应用于各类脉冲激光系统中，但均存在着一定的局限。如dkdp晶体电光系数大(γ63＝25pm/v)、激光损伤阈值高，但易吸潮；ln晶体物理化学性能稳定，但激光损伤阈值不高，且两种晶体在高频都有较大的“振铃效应”而影响效率。rtp晶体可应用于2μm以上的中红外波段，但于对称性低，需要设计温度补偿构型。lgs晶体在透过波段、激光损伤阈值、对称性、物理化学稳定性等方面具有优势，已在中红外、高重频电光调q脉冲激光输出方面取得了系列成果。但其电光系数相对较小(γ11＝2.1pm/v)，更高重频、更长波段的脉冲激光输出需要更高的驱动电压，相应的驱动电源成本高，且对使用过程中的安全性、电路设计等要求苛刻，限制了应用范围。

3、因此，在保持硅酸镓镧族晶体的优秀性能的基础上，通过有效手段优化该族晶体的电光系数，进而降低驱动电压，是推动中红外高重频脉冲激光技术进一步发展的新途径。

技术实现思路

1、针对现阶段硅酸镓镧晶体在用于高重频中红外脉冲激光输出方面所需驱动电压较高，购置驱动电源成本高的问题，本发明提供一种新型硅酸镓镧族晶体的电光系数优化方法，降低电光开关驱动电压，进而降低成本。通过在硅酸镓镧族晶体八面体基团引入不同的离子进行混占，调控晶体多面体基团电子云结构和晶格振动，增强对外场的响应，实现折射率和介电常数变化度的调节，实现线性电光系数的优化。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种新型硅酸镓镧族晶体的电光系数优化方法，所述硅酸镓镧族晶体结构通式为a3bc3d2o14，通过在bo6八面体基团中引入不同的离子进行混占，调控基团电子云结构和晶格振动，实现电光系数的优化。

4、优选的，在b位采用ga3+、zr4+共占，将结构相同和组分相近的la3zrga5o14和la3ga5sio14按不同比例形成锆硅酸镓镧la3zrxga5si1-xo14(0＜x＜1)晶体。

5、优选的，所述硅酸镓镧族电光晶体通过提拉法制备，具体包括以下步骤：

6、(1)按硅酸镓镧族电光晶体的摩尔比计算并称取原料，混合均匀后压成块，然后进行烧结，烧结温度为1300～1400℃，保温时间为10～20h，得到多晶料；

7、(2)将籽晶用铂金丝绑在籽晶杆上，放入提拉炉中；

8、(3)采用铱金坩埚化料，将多晶料放入铱金坩埚中加热全熔，保温5～8h，然后继续升高25～50℃，保3～5h后下种进行晶体的生长；

9、(4)晶体生长阶段先后进行缩颈、放肩、等径、提脱降温阶段，冷却至室温后取出晶体。

10、优选的，所述缩颈阶段提拉速度为1.0～2.0mm/h，转速为15～25rmp；所述扩肩和等径阶段提拉速度为0.8～1.5mm/h，转速为15～25rmp；所述提脱降温阶段采用先慢后快的降温方式，降温时间为75～90h。

11、优选的，所述的原料氧化镧(la2o3)、氧化镓(ga2o3)、氧化硅(sio2)的纯度均为99.99％，原料氧化锆(zro2)纯度均为99.975％。

12、优选的，所述步骤(1)中原料的混合采用混料机进行混合。

13、优选的，所述籽晶为硅酸镓镧族晶体，籽晶的截面形状为正方形，籽晶取向为<0001>，尺寸为4mm×4mm×26mm。

14、优选的，所述铱金坩埚采用中频感应线圈进行加热，中频感应线圈直径为180mm，中频感应电源与提拉炉由工业水冷机冷却。

15、本发明还公开了根据上述方法得到的la3zrxga5si1-xo14(0＜x＜1)晶体制作电光器件中的应用。

16、本发明的有益效果：

17、本发明公开了一种新型硅酸镓镧族晶体的电光系数的优化方法，在硅酸镓镧族晶体b位八面体基团采用zr4+离子和ga3+离子的混占，将结构相同和组分相近的la3zrga5o14和la3ga5sio14按不同的比例形成锆硅酸镓镧晶体，调控晶体八面体基团电子云结构和晶格振动，增强对外场的响应，实现折射率的提高和加压时相对介电常数变化量的增大，实现电光系数的优化。

技术特征：

1.一种新型硅酸镓镧族晶体的电光系数优化方法，其特征在于，所述硅酸镓镧族晶体结构通式为a3bc3d2o14，通过在bo6多面体基团中引入不同的离子进行混占，调控基团电子云结构和晶格振动，实现电光系数的优化。

2.根据权利要求1所述的一种硅酸镓镧族晶体的电光系数优化方法，其特征在于，在b位采用ga3+、zr4+共占，将结构相同和组分相近的la3zrga5o14和la3ga5sio14按不同的比例形成锆硅酸镓镧晶体la3zrxga5si1-xo14，其中0＜x＜1。

3.根据权利要求2所述的一种新型硅酸镓镧族晶体的电光系数优化方法，其特征在于，所述硅酸镓镧族电光晶体通过提拉法制备，具体包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种新型硅酸镓镧族晶体的电光系数优化方法，其特征在于，所述缩颈阶段提拉速度为1.0～2.0mm/h，转速为15～25rmp；所述扩肩和等径阶段提拉速度为0.8～1.5mm/h，转速为15～25rmp；所述提脱降温阶段采用先慢后快的降温方式，降温时间为75～90h。

5.根据权利要求4所述方法得到的la3zrxga5si1-xo14晶体。

6.根据权利要求5所述的la3zrxga5si1-xo14在制作电光器件中的应用。

技术总结
本发明公开了一种新型硅酸镓镧族晶体及其电光系数优化方法和应用，其优化方法为：所述硅酸镓镧族晶体结构通式为A<subgt;3</subgt;BC<subgt;3</subgt;D<subgt;2</subgt;O<subgt;14</subgt;，通过在La<subgt;3</subgt;Ga<subgt;5</subgt;SiO<subgt;14</subgt;晶体的BO<subgt;6</subgt;多面体基团中引入Zr<supgt;4+</supgt;离子与其Ga<supgt;3+</supgt;离子进行混占，调控基团电子云结构和晶格振动，生长出锆硅酸镓镧La<subgt;3</subgt;Zr<subgt;x</subgt;Ga<subgt;5</subgt;Si<subgt;1‑</subgt;<subgt;x</subgt;O<subgt;14</subgt;(0＜x＜1)晶体，实现电光系数的优化。

技术研发人员：路大治,韩金锋,梁飞,于浩海,张怀金
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15