RTP晶体光学和电学性能研究

程秀凤，王 营，王正平

（山东大学晶体材料国家重点实验室，山东 济南 250100）

RTP晶体光学和电学性能研究

程秀凤，王 营，王正平

（山东大学晶体材料国家重点实验室，山东 济南 250100）

磷酸钛氧铷（RbTiOPO4，RTP）晶体是一种新型的、有重要应用前景的电光材料。采用分光光度计、Nd:YAG锁模激光器、耐压测试仪等设备，对其光学和电学性质进行了全面测试研究，包括透过谱、折射率、消光比、电阻率、电光系数等。测试结果表明：RTP材料具有透过谱宽、吸收损耗小、消光比大、电阻率高、电光系数大、半波电压低等优点，综合性能优异，所得实验数据将为高性能RTP电光调制器件的精确设计和优化提供参考。

RTP晶体；电光晶体；光学性质；电学性质

0 引 言

用电光晶体制作的快速光开关、Q开关、光调制器、电光偏转器等器件在现代光电子学和激光技术中有着重要应用。这些应用提高了激光器的性能，扩大了激光的使用范围，促进了激光技术的发展。目前在激光技术中广泛应用的电光晶体为单轴晶体磷酸二氘钾（KD*P）和铌酸锂（LN），但两者在电光性能方面都有不少欠缺。KD*P晶体的半波电压相对较高，易潮解，使用时必须密封在盒子中；LN的最大缺点是光损伤阈值太低，此外存在压电耦合效应导致的寄生振荡，因此不能满足高频调制的需要。双轴晶体磷酸钛氧钾（KTP）是一种优秀的非线性光学晶体，广泛用于腔内倍频钕离子的1m附近的红外激光，由于它也具有大的电光系数和低的介电常数，所以有人曾把它作为Q开关进行研究，但是高的电导率造成电光性能变差，限制了它在电光器件方面的实用化。激光、光电子技术应用的发展对电光晶体提出了更高的要求，亟需探索新的、性能更加优异的电光晶体。

磷酸钛氧铷（RTP）晶体是KTP晶体的同晶系晶体，同属正交晶系，mm2点群，Pna21空间群，因为具有比KTP晶体更低的电导率，引起了人们的很大兴趣。从RTP晶体出现以来，虽然已有一些用于电光调Q的报道[1-4]，但是对其基本物理性质仍缺乏了解。

本文对于RTP光学和电学性能进行了测试，研究表明这种材料的透过谱和线性电光系数均与KTP相当，而Z向电阻率比KTP高两个数量级，线性耐压区达到7000V以上，是一种性能优良的耐高压电光材料。

1 透过谱

晶体的透光范围直接影响到晶体的使用范围，用U-3500光谱仪（HITACHI Co.，Ltd.，Japan），在室温下对RTP晶体在Z方向和X方向的偏振透过率进行了测量，测量范围为330～3200nm。晶体为Y方向通光，尺寸为4mm×4mm×7 mm，通光面镀膜但未抛光。测试结果见图1。由于Z向偏振光的折射率较大，因此透过率相对X向偏振光较低。从图中可以看出，RTP在350～2500μm波段的透过率没有明显的吸收峰。在1064nm处X偏振方向的透过率为86.4%，在532nm处的X偏振方向的透过率为83.9%。图中800 nm附近的的波动是由于仪器自动换探头所致，2 800 nm处出现的吸收峰是由O-H键振动能级造成的吸收峰。此外，在3100nm处出现了明显的振荡峰，认为也是由O-H键共振吸收造成的，由于是熔盐法生长，O-H浓度较低,使得吸收峰的峰宽较窄。

分别测量两块镀膜后RTP晶体的偏振透过谱，晶体均为Y切，尺寸为6mm×6mm×9mm，通光端面镀1064nm增透膜，测试时光阑通光孔径φ=4mm，采用沿晶体Z向的偏振光。测试结果如图2（a）、图2（b）所示，1#和2#样品在1 064 nm处的透过率分别为98.5%和99.9%，不考虑晶体两表面的反射并且认为镀膜质量均匀的话，通过计算可以得到两块晶体的吸收系数分别为0.017cm-1和0.001cm-1。此外，将1#和2#样品按温度补偿型电光Q开关的设计方式串连放置（即第一块晶体的Z轴平行于第二块晶体的X轴，第一块晶体的X轴平行于第二块晶体的Z轴），测量了全器件透过谱，结果表明在1064nm处的透过率高达98.4%，如图2（c）所示。如此低的吸收系数和高的透过率表明晶体具有较高的光学质量，插入损耗小，有利于1064nm高能量电光调制。

图1 未镀膜RTP晶体的偏振透过谱

2 折射率

低对称的RTP晶体是双轴晶，有3个主轴折射率，根据国际通用标准有如下关系：nX＜nY＜nZ。测试表明，RTP晶体结晶学主轴（a，b，c）与折射率主轴（X，Y，Z）之间的关系为：a∥X，b∥Y，c∥Z，与KTP晶体相同。

目前已有多个文献报道了RTP晶体的折射率色散方程[5-6]，可以计算1064nm激光倍频在主平面上的相位匹配角，结果如表1所示。

通过与实测相位匹配角的比较，可以从中筛选出最佳色散方程。采用美国Continuum公司生产的PY61型Nd：YAG锁模激光器（波长1 064 nm，脉宽35ps，频率10Hz），实验测试了RTP晶体在YZ主平面内的II类相位匹配方向，该方向偏离Y轴的外角为27°，相应的晶体内相位匹配角约为（75.5°，90°）。通过与表2计算数据的比较，可知文献[6]报道的折射率色散方程是最为准确的，在此列出作为今后非线性光学研究的依据：

图2 镀膜RTP晶体的透过谱

表1 RTP晶体1064nm的倍频相位匹配角

3 消光比

理想晶体的消光比应该是无穷大，实际上可能由于晶体内应力、缺陷或杂质、晶体表面加工粗糙以及仪器本身的本征消光比等原因而大大降低。用图3所示的装置测量了RTP晶体的消光比：在起偏器与检偏器分别垂直或平行的情况下，先不放晶体记录仪器的最大输出与最小输出，所得最大输出与最小输出之间的比值即为仪器的本征消光比。然后将晶体放入装置中，晶体的Z轴与偏振片成0°或90°，测试4块RTP样品的消光比，结果如表2所示。从表中的最小输出可以看出，晶体放入前后最小输出的差别很小，这说明如果提高装置的精度，那么测量到的晶体消光比会更大。从表中还可以看出，这4块晶体的消光比都比较大，说明其光学均匀性较好。通过消光比的测量，能够对RTP晶体的光学质量进行评价，也可以指导加工区域的选择，为RTP晶体电光器件的制作服务。

图3 消光比测试光路

表2 RTP样品的消光比

4 电阻率

采用GJ2671S型耐压测试仪（南京长江无线电厂，最高输出电压10000V，最大漏电流20mA，漏电流精度0.001mA），测量了4块RTP晶体的Z向电阻率，样品参数如下：

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块样品的电阻率随所加直流电压的变化关系如图4所示。尺寸相同的样品所测出的电阻率也基本相同，而尺寸不同的样品所测出的电阻率有明显差异，尺寸较大的3#、4#样品的电阻率较高，这可能与所加电场的均匀性有关。随着外加电压的升高，两种尺寸样品的电阻率趋于接近。当外加电压为2000～5000V时，1#、2#样品的电阻率约为1.3（±0.1）×108Ω·cm，3#、4#样品的电阻率约为1.9（±0.1）×108Ω·cm，相差缩小到1.5倍。

图4 RTP晶体的直流电阻率

图5 RTP与KTP漏电流随所加直流电压的变化关系

表3 RTP与KTP高压直流电阻率的比较

采用相同的实验装置，测量了RTP、KTP晶体所加电压和漏电流之间的关系，并利用公式ρ=R（S/L）=（U/I）（S/L）计算两种晶体的电阻率。所用样品为RTP与KTP各两块，Y向切割，尺寸为6mm×6mm×9mm。测试结果如图5、表3所示。有如下结论：（1）RTP晶体X向电阻率略大于Z向电阻率，但两者差别不大。（2）KTP晶体X向电阻率远远大于Z向电阻率。（3）RTP晶体X向电阻率略大于KTP晶体X向电阻率，RTP晶体Z向电阻率与KTP晶体X向电阻率基本相当。（4）对于电光应用的Z向加电场情况，RTP晶体的Z向电阻率远远大于KTP晶体的Z向电阻率，两者平均值相差154倍，也就是说至少差两个数量级。当KTP晶体所加电压大于1.5kV时，漏电流上升更快，电阻率下降得更快（电导率急速上升），两种晶体电阻率比值更大。

测试数据表明，RTP可以耐7000V以上的Z向直流高压，而KTP晶体的电导率随所加电压的增大非线性迅速增长，其侧面在2kV左右已与金属铜电极发生化学反应，且内部显著发乌。

5 电光系数

晶体的电光系数越大，其相应的半波电压就越低，所制作的器件实用性就会越好。测试了4块RTP样品，其中1#、2#为Y向通光，6mm×6mm×9mm，3#、4#为X向通光，7 mm×7 mm×13 mm。将样品放在两正交或平行偏振片之间，测试系统光强（He-Ne激光，632.8nm）的透过率与晶体上所加电压的关系（电压分正向、反向），结果如图6所示（各图中前两条曲线为两偏振片垂直放置的情况，后两条曲线为两偏振片水平放置的情况）。根据半波电压与电光系数之间的关系[7]，可以计算出相应的有效电光系数γc。具体分析如下：

（1）1#样品几条曲线的半波电压分别为2.28，2.11，2.66，2.44 kV，平均值为2.37 kV。如果两块晶体串连，半波电压为1.19kV。其有效电光系数γc1为26.0pm/V。在1064nm情况下两块晶体串连的半波电压为2.13kV。

（2）2#样品半波电压的表现并不明显，原因不明，需要对其锥光干涉图进一步考察。唯一清楚的是红色曲线，其半波电压为2.64kV。如果两块晶体串连，半波电压应为1.32 kV。其有效电光系数γc1为23.34pm/V。在1064nm情况下两块晶体串连的半波电压为2.37kV。

图6 RTP晶体透过率随所加电压的变化关系

（3）3#样品几条曲线的半波电压分别为2.20， 2.15，2.19，2.29kV，平均值为2.21kV。如果两块晶体串连的话，半波电压为1.10kV。其有效电光系数γc2为22.5pm/V。在1064nm情况下两块晶体串连的半波电压为1.99kV。

（4）4#样品几条较好曲线的半波电压分别为2.54，2.41，2.50kV，平均值为2.48kV。如果两块晶体串连的话，半波电压为1.24kV。其有效电光系数γc2为20.05pm/V。在1064nm情况下两块晶体串连的半波电压为2.23kV。

（5）在0电压处，正电压测试与负电压测试的初始位相不同，这主要是由于测试过程造成的：先加正向电压0～5kV，此后电压退到0时，系统的透过率往往不能恢复到初始状态，在此情况下加负向电压，继续实验。这一现象的出现应该是由逆压电、弹光、热光等多种效应的影响造成的。

（6）图中所示的透过率是整个系统的透过率。由于所用偏振片的损耗较大，因此最大透过光强并不高，约为80%～90%。如果排除偏振片的损耗影响，则1#～4#样品的最大透过率均可达到95%以上。

6 结束语

本文研究了RTP晶体的多种光学和电学性质，测试结果表明RTP晶体具有较高的光学质量，透过波段宽，吸收损耗小，消光比达到6000以上，Z向电阻率比KTP高两个数量级，并可耐受7000V以上高压。其有效电光系数γc1=23～26pm/V，γc2=20～23pm/V，与KTP晶体的数据（γc1=28.6 pm/V，γc2=22.2 pm/V）[8]相比差距不大。所有这些数据表明RTP是一种综合性能优异的电光晶体，同时可为高性能RTP电光调制器件的精确设计提供参考。

[1]Lebiush E，Lavi R，Tsuk Y，et al.RTP as a q-switch for high repetition rate applications[J].Proceeding of Advanced Solid State Lasers，2000（34）：63-65.

[2]刘晓峰，高彦伟，黄永宗，等.RTP晶体的调Q特性研究[J].光学与光电技术，2008，6（1）：15-17.

[3]赵佳，董磊，卓壮，等.高重复率RTP电光调Q Nd：YAG激光特性研究[J].红外与激光工程，2008，37（4）：647-650.

[4]冯宇彤，朱小磊，唐昊，等.磷酸钛氧铷高重复率电光调Q特性[J].中国激光，2010，37（3）：617-621.

[5]Dmitriev V G，Gurzadyan G G，Nikogosyan D N.Handbook of nonlinear optical crystals[M].Berlin：Springer-Verlag，1991：105.

[6]Guillien Y，Menaert B.Crystal growth and refined sellmeier equations over the complete transparency range of RbTiOPO4[J].Optical Materials，2003（22）：155-162.

[7]蒋民华.晶体物理[M].济南：山东科学技术出版社，1980：366.

[8]Bierlein J D，Vanherzeele H.Potassium titanyl phosphate:properties and new applications[J].J Opt Soc Am B，1989，6（4）：622-633.

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

国家自然科学基金项目（61178060）；山东大学自主创新基金项目（2012TS215）

程秀凤（1969-），女，山东莘县人，高级实验师，主要从事晶体测试工作。