本發明涉及光電功能晶體材料，具體涉及一種基于具有梯度組分的鈮酸鍶鋇晶體的光偏轉方法及器件。

背景技術：

1、光束偏轉器又稱光束掃描器，是按一定規律改變光束在空間傳播方向的器件。光束偏轉技術廣泛應用于顯示、傳感、光存儲、激光打印、顯微成像、激光加工、激光雷達和空間光通信等領域。

2、目前的光束偏轉技術可分為機械式和非機械式兩種，傳統的機械式偏轉通常采用轉鏡(cn104749565b)、振鏡(cn111289955b)或微機電(mems)掃描鏡(cn109085600b)，機械部件的慣性導致掃描頻率和穩定性不高，而非機械式的光束偏轉技術通常采用聲光(aod)(cn107850796b)或電光偏轉器件(eod)(cn110543035b)，具有器件尺寸小、易于實現高頻掃描的優點，尤其是電光偏轉器，在偏轉角度和響應速度方面比聲光偏轉更具優勢，更能滿足高速隨機掃描領域的應用需求。

3、電光偏轉器是利用電光效應來改變光束在空間的傳播方向，即通過外加電壓在電光效應作用下使晶體折射率發生變化，從而改變光的傳播方向。早期的電光偏轉器件是棱鏡形狀的(lee?t,zook?j.light?beam?deflection?with?electrooptic?prisms[j].ieeejournal?of?quantum?electronics,1968,4(7):442-454.)，這種棱鏡結構的電光偏轉器的優點是可實現快速響應和連續變化的偏轉，但由于偏轉只發生在兩種材料的界面，要獲得更大的偏轉角度需要利用多個棱鏡組成陣列，導致器件尺寸大、結構復雜，且需要較高的驅動電壓，應用受到限制。

4、另一種電光偏轉是基于垂直于光束傳播方向的折射率梯度引起的光束偏轉，通常采用特殊形狀的電極在晶體內部制造梯度電場，如四電極結構的偏轉器(趙卓,諶明,劉向南,等.四電極八邊形結構電光偏轉器[j].激光與光電子學進展,2020,57(15):199-204.)，在垂直于光束傳播方向上形成梯度折射率分布，光束在傳播過程中會向折射率梯度增加的方向偏轉，偏轉角度可通過外加電壓控制。梯度折射率偏轉的優點在于光束偏轉不僅僅發生于材料的表面，而是在介質傳播過程中不斷累積，與棱鏡結構的偏轉器件相比，可利用更短的光程和更小尺寸的器件獲得更大的偏轉角度。但這種偏轉器由于元器件形狀復雜，給加工帶來一定困難，而且受電光材料的電光系數的限制，偏轉效率較低，以趙卓等人提出的四電極結構的偏轉器為例，其偏轉效率僅為0.312μrad/v。

5、上述兩種基于棱鏡結構和四電極結構(梯度電場)的偏轉器都依賴于電光效應引起的折射率變化，而電光效應根據折射率變化與外加電場的關系可分為線性電光效應和二次電光效應，由于一般晶體的二次電光效應都比線性電光效應小的多，目前商用的電光偏轉器件都是基于線性電光效應的，對二次電光效應的利用甚少。

技術實現思路

1、針對現有技術的上述不足，本發明制備了一種具有梯度組分的鈮酸鍶鋇晶體，提出了一種基于四方相鈮酸鍶鋇晶體二次電光效應的光偏轉方法和器件，解決了傳統電光偏轉器件結構復雜、加工困難及偏轉效率低的問題。

2、為實現上述目的，本發明的技術方案如下：

3、利用提拉法生長出具有組分梯度的srxba1-xnb2o6晶體(sbn晶體)，其初始原料配比應偏離固液同成分點(即sr含量x＝0.61，此時原料與晶體中的sr/ba含量相同)，為確保晶體具有較大的組分梯度，初始原料摩爾配比范圍應為：0.65:0.35<srco3:baco3<0.79:0.21，對應得到的晶體在生長方向上的組分梯度(單位長度上的組分變化)δx/l＞10-3/mm。

4、采用上述具有組分梯度的sbn晶體，將其加工成長方體晶片，各表面分別對應晶體的(100)、(010)和(001)面，對通光面和鍍電極面進行光學級拋光，在垂直于生長方向兩平面(即(001)面)上鍍金屬電極，沿[100]或[010]方向(即垂直于(100)面或(010)面入射)進行通光，在光束射入晶體前采用線偏振片將入射光轉化為沿[001]方向偏振的線偏振光，沿[001]方向給晶體加電場，可在晶體出射端獲得光束偏轉。

5、進一步的，由于晶體本身具有組分梯度，即晶體內不同位置的組分存在差別，相應的，晶體不同位置的居里溫度是不同的，用介電溫譜測量儀可以讀出其介電常數最大值對應的溫度，我們稱之為“有效居里溫度”(用tc表示)，在sbn晶體作為電光偏轉元件使用時，通常需要將其溫度控制在有效居里溫度以下3～5℃范圍內?？販鼐葹椤?.1℃，控溫方法采用tec半導體溫控技術。

6、進一步的，由于sbn晶體通常在通有氮氣氣氛的生長爐中進行生長，在高溫生長過程中，由于氧氣不足會在晶體中形成大量氧空位，從而使晶體呈現深藍色，為提高其透過率，使其更加適合光學應用，需要在高溫氧氣氣氛下進行退火以減小其氧空位缺陷，使晶體變為淺黃色或接近透明，退火溫度為1200℃-1300℃，恒溫時間為12-24小時，升降溫速度為100-200℃/h。

7、進一步的，由于鈮酸鍶鋇晶體在居里點以下處于鐵電相，理論上來講，此時晶體的電光效應應該表現為線性電光效應(二次電光效應相對較弱)，但我們通過實驗研究發現，四方相sbn晶體在沒有進行極化處理前表現為二次電光效應，這是由于盡管sbn晶體內部每個鐵電疇存在自發極化且表現為線性電光效應，但不同鐵電疇之間由于取向不同，其線性電光效應相互抵消，對外表現為二次電光效應。通過理論和實驗研究表明，在具有梯度組分的sbn晶體中，基于二次電光效應的電光偏轉角度要遠大于基于線性電光效應的偏轉，因此，為獲得較大的偏轉角度，四方相sbn晶體用做電光偏轉時，不能進行極化處理(即不可通過高壓極化使其變為單疇化晶體)。

8、進一步的，由于未極化的sbn晶體作為電光偏轉器件應用時，在外加電壓的作用下容易被極化為單疇結構的晶體，從而導致其由二次電光效應轉變為線性電光效應，并引起電光偏轉角度的衰減，為避免高電壓的極化作用引起的偏轉角度衰減，電光偏轉的最大偏轉電壓應小于800v/mm(此處的長度為晶體在電場方向的厚度)。

9、進一步的，為減小電極接觸面的能量損耗、提高器件性能和工作穩定性，通常需要使sbn晶體與金屬電極之間應形成歐姆接觸，為此，我們選擇在sbn晶體表面鍍雙層電極的工藝，根據功函數的相關理論，sbn晶體作為一種n型半導體材料，要形成歐姆接觸電極，所選的金屬電極的功函數要小于sbn晶體的功函數，即選擇功函數較低的金屬更容易在sbn晶體表面形成歐姆接觸。經過理論和實驗的篩選，內層與晶體接觸的電極材料為al、ti或ag中的一種，外層與空氣接觸的電極材料為au或pt中的一種，外層電極作為保護性電極，用于防止內層電極被氧化和腐蝕，避免熱損傷和物理損傷，確保電氣性能的穩定性，延長器件壽命。

10、進一步的，雙層金屬電極均采用磁控濺射的方法在表面鍍膜，對內層電極而言，膜層過薄則難以保證歐姆接觸，膜層過厚則容易在高頻時引入較大的阻抗，通常內層電極厚度為50-150nm；對外層電極而言，膜層過薄，其保護性作用會被削弱，膜層過厚則容易造成貴金屬材料的浪費，通常外層電極厚度為100-200nm。

11、進一步的，在電極濺射完成后，為進一步通過促進電極與晶體之間的界面反應，減小接觸勢壘，降低接觸電阻，需要再次對晶體進行快速退火處理(二次退火)，采用快速退火而非常規退火的原因是快速退火可以有效限制高溫狀態下金屬的過度擴散，退火溫度為300-500℃，恒溫時間為5-10分鐘，升溫時間通常為5-30秒，退火氣氛為氮氣或者氬氣。

12、本發明的有益效果在于：

13、(1)采用小坩堝長大晶體的方法，利用sbn晶體在偏離同成分點時的非一致熔融特性，制備出沿生長方向具有特定組分梯度的sbn晶體，并實現光束偏轉，與級聯棱鏡結構的電光偏轉器或四極子結構的電光偏轉器相比，結構更加簡單，器件尺寸更小。

14、(2)在未極化的sbn晶體中發現具有顯著的二次電光效應，且通過理論和實驗研究對比表明，基于組分梯度和晶體二次電光效應的偏轉角度要遠大于線性電光效應的偏轉，最大偏轉角度由線性電光偏轉器件的urad級提高到mrad級，本方案的提出為電光偏轉器件的設計提供了一種新的實現方案，偏轉角度的提升也大大拓展了電光偏轉器件的應用范圍。