“中国晶体珍宝”——KTP晶体

人工晶体在光电信息现代科技发展中起着举足轻重的作用，一些晶体的出现具有划时代意义：如压电水晶及谐振器的出现开创了现代通信新时代；硅单晶及集成技术的成功把人类带入微电子及计算机时代；红宝石晶体首次实现激光输出，标志着光电子时代的来临。而中国在世界上声名显赫的晶体除了拥有自主知识产权的BBO、LBO、KBBF等“中国牌”晶体外，还有“全能”的非线性光学晶体——磷酸钛氧钾(KTiOPO4，简称KTP)晶体。

KTP晶体由法国Masse等于1971年首先合成，后经一系列生长方法探索，第一块KTP体单晶由杜邦公司Zumsteg等于1976年用水热法生长成功。KTP晶体具有大的非线性系数、大的可接收角和小的走离角、宽的透过波段、大的电光系数、低的介电常数和高的热传导系数，以及良好的物理、化学和机械性能。由于水热法条件苛刻，初时生长的晶体体积小，但由于其重要的军事和科技应用价值，美国政府将其列为高度保密产品，对我国实行严格技术封锁和禁运，即便实验碎片，也不允许我国科学家带出实验室拿到中国来研究。后经中国科学家的不懈努力，KTP晶体在我国生长成功并实现了产业化，成为中小功率固体绿光激光器最好的倍频材料，此外还可用于激光参量振荡以及电光调制器等，在军事、科研、医疗、海洋光学、激光武器和环境遥感监测等领域获得广泛应用。

1982年，国家建材局人工晶体研究所(中材人工晶体研究院有限公司前身)科研人员获知KTP晶体优异的性能，激发了浓厚的研究兴趣。为打破国外技术封锁，他们在生长铌酸钾的顶部籽晶熔剂法工艺基础上进行了改革，不到半年就生长出了尺寸达25 mm×15 mm×10 mm的高光学质量KTP单晶，这也是国际上首次用熔剂法生长出可用于实际倍频的KTP单晶。几乎与此同时，山东大学用籽晶浸没法也生长出了KTP晶体，并率先进行了成果鉴定，1987年获国家科学技术进步二等奖。人工晶体研究所生长的KTP晶体Z向截面比较大，有利于波导的制备和电光应用，因此获杜邦公司采购意向，杜邦公司甚至在1988年资助9万美元支持人工晶体研究所开展进一步研究，该研究成果获2001年杜邦科技创新奖。

图1 顶部籽晶熔剂法KTP晶体(中材人工晶体研究院有限公司提供)

中国科学家的努力使得KTP晶体成为仅有的三种商业化非线性光学晶体之一(另外两种是BBO和LBO)。中国熔剂法KTP晶体的出口不但赚取了外汇，而且极大地提高了我国在国际晶体生长界的声誉，一举打破了美国在国际市场的垄断，KTP晶体价格大幅下跌，一块3 mm×3 mm×5 mm KTP变频器的价格从原来的2750美元降到50美元。进入新世纪以来，量子保密通信、量子计算、量子材料与器件、量子精密测量等量子信息科学在科技领域取得一系列进展。国内外高压缩度和纠缠度的压缩态和纠缠态量子光源的制备均利用周期性极化KTP晶体(periodically poled KTP，简称PPKTP)的准相位匹配获得，人工晶体研究所Z切KTP晶体基片可用于制作PPKTP，保障了全球量子信息科学研究的进行。

此后，我国科技人员积极致力于KTP晶体新功能和制备新技术的开发。人工晶体研究所沈德忠院士团队进一步开发了电光应用的KTP晶体，通过特殊工艺将普通KTP晶体的电导率降低了三个数量级以上，满足了国家重大工程需求，成果“大尺寸新型电光晶体KTP的制备技术”获2002年国家科技进步二等奖。桂林有色矿产地质研究院有限公司经过多年努力采用水热法生长了高抗灰迹KTP(HGTR-KTP)晶体，尺寸已达到50 mm×50 mm×70 mm，质量300～400 g，除用于中高功率绿光激光器外，还可用于激光器的电光开关，实现进口替代。

一个晶体的产业化应用离不开一代晶体人的辛勤付出。山东大学晶体材料研究所于1989年兴办了山东中晶光电子公司(现山东华特知新材料有限公司)，人工晶体研究所在20世纪90年代成立了烁光特晶科技有限公司，致力于KTP晶体的工程化。如今，依托科研院所的技术研发，还孵化了一些全球知名的KTP晶体制造商，如青岛海泰光电技术有限公司、桂林百锐光电技术有限公司等。产品性能的提升和产业化技术的进步使KTP晶体器件的应用范围快速扩大，也促进了固体激光技术的发展。

图2 水热法KTP晶体及器件(桂林有色矿产地质研究院有限公司提供)

从1971年至今，KTP晶体已经走过了五十余年。随着光电子技术的发展和应用领域的日益扩大，KTP晶体也将继续在倍频、光参量、周期性极化和电光开关器件等应用领域发光发热。