[发明专利]一种钽铌酸钾单晶基片元件的加工制作方法

说明书

一种可定制高精度钽铌酸钾（KTa_1‑xNb_xO₃；0≤x≤1，简称KTN）单晶基片元件的加工制作方法，属于人工晶体及玻璃材料的加工制备领域，方法主要包括针对KTN系列晶体的定向、切割、组方、研磨、抛光及卸盘。本发明为KTN单晶基片元件制作提供完备方案，可为KTN晶体用作光波导、光开关、偏转器等电光调制元件，以及衬底基片材料提供样品基础。

技术领域

本发明涉及一种电光调制用人工晶体材料的加工制备方法，属于激光元器件领域。

背景技术

电光晶体材料是全固态激光的基础材料之一，可实现激光传播特性的调制，电光调制具有效率高、稳定性好、响应快及无惯性等优势。电光晶体是一类具有重要应用的功能晶体，发明高效电光晶体的发展，对于全固态激光技术的发展和应用具有重要意义。

钽铌酸钾(KTa_1-xNb_xO₃,KTN)晶体是钽酸钾(KTaO₃,KT)和铌酸钾(KNbO₃,KN)两种晶体的固溶体混晶，具有优异的电光性能和光折变性能，KTN晶体在光束偏转器、Q开关、高速光快门、全息存储、光强度调制器、光位相调制器等领域都有着广泛的应用前景；同时，KTN还作为一种优秀的薄膜材料，衬底材料有着广泛的应用。

激光调制用光开关、光快门、偏转器等器件对调制核心元件的晶向偏差、晶格完整性、表面平整度等要求极高。为了获得高质量激光调制元件，要求KTN晶片无晶向偏差、表面晶格完整且表面平滑无损伤。即使极小的角度偏差或晶面缺陷，都将破坏激光的调制效率和性能，甚至导致结晶构造的变化，影响元件的调制精度和稳定性。KTN晶体属典型的硬脆材料，高铌含量的KTN晶体还有解理性和各向异性等机械力学性能。

KTN晶体是一种典型的二次电光晶体材料，一般认为，阶次越高的非线性调制，其非线性系数越小，因此长久以来电光调制研究的重点一直局限于线性电光材料和器件。常用的有铌酸锂(LN)、钽酸锂(LT)、磷酸钛氧铷(RTP)和硅酸镓镧(LGS)等，相应的调制元器件都是针对这些线性电光晶体的。另外，由于KTN晶体的无限固熔体特性，生长高质量大尺寸的单晶非常困难，这使其研究和应用一直受到很大限制。近年来，随着晶体制备技术的不断进步，人们成功获得了符合实用要求的英寸级、高质量KTN单晶，这使KTN的研究和应用越来越受到重视。研究显示，KTN晶体在激光调制方面甚至表现出比线性电光晶体更为优异的性能。不论是对比传统的声光、机械调制等，还是现有的线性电光调制，基于KTN晶体Kerr效应的电光调制在透光波段、调制效率和响应时间等诸多方面都明显优于前者。因此，基于KTN晶体二次电光效应的电光调制在降低驱动电压、减小器件尺寸方面更具优势，更能满足未来激光器宽波段、小型化、集成化发展的需要。

KTN晶体电光调制器件目前从实验室研究转向产业化应用，其元件加工制备对晶体器件的性能至关重要，而现有激光调制元件的加工制备技术大都是针对线性电光晶体材料的，同时一种电光晶体材料的实际应用与该晶体特有的物理化学性能密切相关，因此本发明针对二次电光效应特点和KTN晶体结晶学特性发展了专门的KTN电光调制元件加工制备技术，该技术不仅可以大大推进KTN电光调制器的应用推广，还对二次电光调制技术具有广泛借鉴意义。

发明内容

本发明针对二次电光效应特点和KTN晶体结晶学特性，旨在提供一种应用于不同组分配比和不同晶相的KTN系列晶体二次电光调制器件的基片元件的加工制作方法，为发明高效KTN二次电光调制器提供元件制备方案。

本发明的技术方案如下：一种钽铌酸钾单晶基片元件的加工制作方法，所述KTN晶体为Nb组分为0x1，晶相为立方(m3m)、四方(4mm)或正交(mm2)，掺杂离子为Cu、Fe、Sn、Ti、Li、Na、Mn单掺或混合多掺的KTa_1-xNb_xO₃或M:KTa_1-xNb_xO₃晶体。