基于KTa1-xNbxO3晶体二次电光效应的无惯性光束扫描技术研究

KTa1-xNbxO3 crystal exhibits the largest quadratic electro-optic effect, which can manipulate the phase, intensity and propagation direction of the light. KTN devices can be applied not only to optical communications, but also to various other fields that use optical beams, such as displays, medical use, et al.However，for a long time, the difficulty in crystal growth technology limited the deep research on the KTN devices. Compared with the existing electri-optic scanner, acoustic-optic scanner and mechanical scanner, KTN scanner based on the kerr effect of KTN crystal has the advantage of small volume, low driving, inertialess and wide scanning range. Based on the TSSG growth method of KTN crystal, high quality KTN crystals with the largest Kerr coefficient near room temperature will be prepared, by means of adjusting material ratio and optimizing growth technology. The mechanism of changes of Kerr coefficient with temperature around room temperature will be studied from the point of phase transition. The beam deflection phenomenon on the effect of applied voltage in the KTN crystal will be discussed with the theory of space charge controlled current. On the basis of building a theoretical model, KTN electro-optic scanner based on space charge controlled current and Kerr effect of KTN crystal will be designed, and the main influence factor of deflection angle and resolution will be researched. Thus, a KTN fast varifocal lens based on the beam deflection phenomenon willed be realized, and the scheme of rapid random axial scanning system will be proposed.

钽铌酸钾晶体（KTN）是目前已知的具有最大二次电光效应的晶体，基于KTN二次电光效应的光束扫描器件与现有的电光、声光和机械扫描器件相比，具有体积小、驱动电压低、无惯性和扫描范围大的特点。长期以来在晶体生长技术方面的困难限制了对KTN器件的深入研究，本项目拟在利用顶部籽晶法制备钽铌酸钾系列晶体的基础上，通过调整原料配比和优化生长工艺，获得室温附近具有最大二次电光系数的高质量KTN晶体。从相变的角度讨论二次电光系数在居里点附近随温度变化的机理。利用空间电荷限制电流的理论研究外加电压作用下KTN晶体中的光束偏转现象，在建立理论模型的基础上设计基于KTN二次电光效应和空间电荷限制电流的电光偏转器件，研究影响偏转角度和分辨率的主要因素；利用这种光束偏转现象设计KTN快速变焦透镜，提出基于KTN透镜的快速轴向随机扫描方案。

钽铌酸钾晶体（KTN）是目前已知的具有最大二次电光效应的晶体，基于KTN二次电光效应的光束扫描器件与现有的电光、声光和机械扫描器件相比，具有体积小、驱动电压低、无惯性和扫描范围大的特点。本项目旨在提拉法制备KTN晶体的基础上，通过调整原料配比和优化生长工艺，获得室温附近具有最大二次电光系数的高光学均匀性KTN晶体。对几种典型组分KTN晶体的二次电光系数矩阵进行表征，研究晶体居里点附近二次电光系数的变化规律。设计出基于KTN二次电光效应的光束偏转装置和快速变焦透镜，从理论上解释其偏转机理，确定透镜焦距随外加电压的变化关系，讨论设计参数对KTN透镜焦距的影响。最后提出基于KTN透镜的无惯性轴向随机扫描方案，研究轴向扫描范围与KTN透镜外加电压及设计参数的关系。.项目执行期间取得的主要进展和研究结果包括：（1）在传统提拉法的基础上采用双坩埚技术制备高光学均匀性KTN晶体，光学均匀性达到10-5/mm。采用热退火技术进一步减少晶体内部缺陷，改善晶体光学质量。（2）利用半波电压法和Mach-Zehnder干涉仪对KTN二次电光系数矩阵进行表征，获得了几种典型组分的KTN晶体的二次电光系数矩阵。研究了KTN晶体二次电光系数在居里点附近岁温度的变化规律。（3）设计出基于 KTN 晶体二次电光效应的光束偏转装置，用空间电荷限制电流的理论对现象机理进行了解释， 700V外加电压下的偏转角度达到12度，分辨率达到48。（4）设计出基于KTN光束偏转现象的变焦透镜，研究了外加电压、设计参数和透镜焦距之间的依赖关系。焦距随外加电压的增大而减小，当电压加到18KV时，透镜的焦距可缩短至2mm。得到了KTN透镜的设计参数对焦距的影响，提出了优化KTN透镜的设计思路：可以通过减小进入KTN透镜的光束尺寸以及减小KTN透镜的通光孔径来提高KTN透镜的聚焦能力（5）提出了基于KTN透镜的无惯性轴向随机扫描方案，得到了轴向扫描范围与KTN透镜外加电压及设计参数的关系。