自压电弹光调制用高光学质量CNGS类单晶生长和器件的制备

CNGS is a potential piezoelectric crystal for its more large Piezoelectric constants and other good properties. Here the CNGS crystals, and Nd or Yb doped CNGS crystals will be grown as high quality crystals. The optical rotation effect, piezoelectric properties, photoelastic properties, and laser properties will be researched, and also their interactions.The photoelastic modulator will be made by the properties composition in the one CNGS crystal.The relationship will be given between the origin of the function crystal materials and the function elements.The self photoelastic modulator of CNGS crystal and self-laser potoelastic modulators will be fabricated.

CNGS晶体具有较大的压电系数、较小的热膨胀系数、较低的声表面波速度和石英晶体相似的频率温度稳定性，是更具有应用潜力的新型压电晶体材料。本项目以功能复合为导向，进行高光学质量、优质单晶体的可控生长制备，深入系统研究CNGS晶体旋光效应、压电效应、弹光效应、以及稀土掺杂CNGS晶体的旋光、压电、弹光、激光性能等效应之间的交叉与复合，以制备CNGS压电弹光双效应单晶体调制器以及稀土掺杂CNGS晶体的自激光压电弹光双效应单晶体调制器。通过本项目的研究，探索功能晶体材料特性的起源及关键功能基元的关系，揭示晶体宏观功能特性与功能基元之间的关系。根据功能性质的复合交叉，开展CNGS晶体原型器件的设计和应用探索，为人工晶体的多功能复合探索道路。

CNGS 晶体具有较大的压电系数、较小的热膨胀系数、较低的声表面波速度和石英晶体相似的频率温度稳定性，是更具有应用潜力的新型压电晶体材料。本项目采用提拉法生长了CNGS、Nd:CNGS、Yb:CNGS、Er:CNGS、Tm:CNGS、Ho:CNGS等高光学质量、多功能CNGS系列晶体，完善了晶体生长工艺；研究了相应晶体的热学、光学、激光和压电特性，实现了Nd:CNGS晶体1065nm波长1.43瓦连续激光输出，光转换效率和斜效率分别为29.3%、31.0%；Nd:CNGS晶体1064.2nm波长、重复频率43.2MHz、759fs激光输出，泵浦功率为6.7W时，锁模平均输出功率133mW，单脉冲能量和峰值功率分别为3.1 nJ 、4.1 kW；Cr4+:YAG作为饱和吸收体，Nd:CNGS晶体得到了532nm、16.2mW被动调Q自倍频激光输出；实现了Yb:CNGS晶体1062-1068nm高效7.27W连续激光输出，斜效率为78%，526-532nm连续可调37.1mW自倍频连续激光输出；实现了Yb:CNGS晶体SESAM锁模1055-1074nm范围内可调52fs平均功率75mW激光输出；采用阻抗分析法研究了CNGS以及不同浓度稀土掺杂CNGS的室温和高温压电特性，10%Nd:CNGS晶体800℃时d11值增大为5.73pC/N，变化率为29.5％, 室温下，s11值为9.39pm2/N，随着温度的升高，在800℃时变化率最大，为7.31％。通过厚度切变振动模式，测量与计算与s_66^E相关的温度特性，预测了Nd:CNGS晶体的零频率温度系数切型，实验结果表明，对于10at.% Nd:CNGS晶体来说，(Yxl)-30°切型具有优良的频率温度特性。采用X射线光电子能谱仪，结合晶体结构，对晶体的元素组成以及电子结构进行了研究。随着稀土掺杂浓度的增大，元素的峰位向结合能增大的方向移动。利用Materials Studio软件包中的CASTEP(Cambridge Series Total Energy Package)模块，对CNGS的能带和态密度进行计算。进一步揭示了宏观功能特性和功能基元之间的关系。在此基础上进行了Nd:CNGS晶体的自激光压电弹光双效应单晶体调制实验。通过本项目的研究，根据单晶体功能性质的交叉复合，开展了CNGS晶体原型器件的设计和应用探索。