呂瀟磊，趙繼廣，杜小平，宋一鑠，張 朋，張建偉

（航天工程大學(xué) 電子與光學(xué)工程系，北京 101416）

1 引 言

隨著空間在軌任務(wù)的日益密集，激光三維成像技術(shù)在國內(nèi)外得到了迅速發(fā)展。美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）、美國國家航空航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）、德國宇航中心（DLR）等多家單位利用激光三維成像技術(shù)圓滿完成了非合作目標(biāo)的交會(huì)對(duì)接任務(wù)[1-6]。相較于掃描激光雷達(dá)，無掃描激光雷達(dá)省略了緩慢的機(jī)械掃描過程，利用單個(gè)脈沖即可獲取目標(biāo)區(qū)域的一整幅三維圖像，具有成像精度高、探測(cè)距離遠(yuǎn)、成像速度快、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。國外現(xiàn)有的無掃描激光雷達(dá)是基于高分辨率APD面陣完成集混頻與光電轉(zhuǎn)換于一體的高性能光電成像，在Restore-L、Phoenix等非合作目標(biāo)交會(huì)對(duì)接任務(wù)中實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的科學(xué)目的，但受制于高速讀出電路水平，探測(cè)性能難以進(jìn)一步突破[7]。相比而言，國內(nèi)半導(dǎo)體器件水平相對(duì)落后，高分辨率APD面陣還處于研制階段，與國外仍然有不小差距。

近年來，隨著電光晶體的深入研究，特拉維公司的Paul Banks、中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所的劉博研究員和陳臻博士、航天工程大學(xué)的張朋博士、韓國先進(jìn)科學(xué)技術(shù)公司的Sungeun Jo等單位和學(xué)者均探索研究了基于電光晶體偏振調(diào)制的激光三維成像和激光測(cè)距技術(shù)[8-12]，面向汽車自動(dòng)導(dǎo)航、空間目標(biāo)監(jiān)視等領(lǐng)域開展了理論、實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)了探測(cè)精度和探測(cè)距離進(jìn)一步提高，但應(yīng)用到激光三維成像領(lǐng)域衍生出視場(chǎng)角小、半波電壓高的瓶頸問題，為此本文綜述高性能鈣鈦礦結(jié)構(gòu)電光材料的研究進(jìn)展，為解決相關(guān)問題提供參考。

2 適用于離軸自由光通信的新型電光材料研究

視場(chǎng)角的大小決定了成像系統(tǒng)的視野范圍，是汽車自動(dòng)導(dǎo)航、光學(xué)主動(dòng)遙感、空間目標(biāo)監(jiān)視等應(yīng)用中重點(diǎn)關(guān)注的成像性能參數(shù)[13-15]。

現(xiàn)階段基于偏振調(diào)制的激光三維成像系統(tǒng)，如圖1（彩圖見期刊電子版）所示，偏振調(diào)制模塊一般采用基于鈮酸鋰晶體（LN）和磷酸二氘鉀（DKDP）的Pockels盒，以LN為例，它屬于3m晶體點(diǎn)群，作為電光原件應(yīng)用時(shí)，為了避免自然雙折射的影響，通常在x1ox2平面內(nèi)外加電場(chǎng)，光沿x3方向傳播，此時(shí)LN晶體由單軸晶體變成了雙軸晶體，具有線性電光性質(zhì)。但3m點(diǎn)群晶體在空間方向變化的過程中，表現(xiàn)出很明顯的各向異性的特點(diǎn)[16]，導(dǎo)致LN調(diào)制器的光束入射角非常小，當(dāng)光束偏離光軸入射時(shí)，晶體透過率明顯下降，航天工程大學(xué)的卜禹銘研究了入射角度對(duì)LN電光調(diào)制器的影響規(guī)律。為確保電光調(diào)制器輸出的中頻信號(hào)幅度值滿足任務(wù)需求同時(shí)輸出具有良好的穩(wěn)定性，晶體外光束入射角應(yīng)該嚴(yán)格控制在1°范圍內(nèi)[17]。在激光三維成像中，目標(biāo)的不確定性會(huì)造成返回光束的不完全準(zhǔn)直，同時(shí)較小的視場(chǎng)也影響接收光束的質(zhì)量，使得探測(cè)性能減弱。因此，為了進(jìn)一步提高激光三維成像系統(tǒng)的探測(cè)性能，解決探測(cè)視場(chǎng)小、半波電壓高的技術(shù)難題，亟待探索應(yīng)用于偏振調(diào)制的新型電光材料。

圖1 偏振調(diào)制激光三維成像系統(tǒng)的示意圖Fig. 1 Schematic diagram of 3D imaging system for polarization modulation laser

不同于3m晶體點(diǎn)群材料，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料的分子結(jié)構(gòu)可以表示為ABO3，具有立方相對(duì)稱結(jié)構(gòu)，各向同性。由于此類晶體對(duì)方向不敏感、不加載電壓時(shí)不存在自然雙折射現(xiàn)象，理論上具有遠(yuǎn)大于3m晶體點(diǎn)群材料的視場(chǎng)角。

賓夕法尼亞大學(xué)的Yun-Ching Chang和美國陸軍實(shí)驗(yàn)室（ARL）的Robert C.Hoffman探索研究了基于鈣鈦礦鉭鈮酸鉀（KTN）晶體的大視場(chǎng)電光調(diào)制器[18]。他們通過將電光調(diào)制器固定在精準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，測(cè)量了±30°范圍入射角在通態(tài)（即具有半波電壓的傳輸狀態(tài)）和關(guān)態(tài)（即沒有施加調(diào)制電壓的閉塞狀態(tài)）下的透過率，研究結(jié)果如圖2所示，縱坐標(biāo)消光比表示透射光最大功率與最小功率的比值?？梢姡谌肷浣菫?°時(shí)，LN電光調(diào)制器的消光比已經(jīng)衰減到零，這意味著后端無法接收到調(diào)制信號(hào)，不同于此，KTN電光調(diào)制器消光比不隨入射角的增大而迅速減小，能夠?qū)崿F(xiàn)大角度離軸自由光調(diào)制，從而有望實(shí)現(xiàn)更大的成像視場(chǎng)[19]。

圖2 晶體視場(chǎng)測(cè)量結(jié)果Fig. 2 The viewing field measurement results of the crystals

綜上所述，利用鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料取代傳統(tǒng)LN材料是解決激光三維成像技術(shù)中電光調(diào)制視場(chǎng)難題的有效方法。

3 典型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)電光材料研究

在激光三維成像系統(tǒng)中，信噪比（SNR）是衡量三維成像性能的重要指標(biāo)，定義為輸出功率與噪聲功率的比值[20-22]，此處的輸出功率即為電光調(diào)制器的透射光功率。

透射光功率表示為[23]

式中I0是入射光功率， Φ指調(diào)制器的相位延遲。Φ可以表示為[24]

式中λ 是真空中光的波長，L指調(diào)制光程，ny和nz代表y和z方向的折射率，n0為未加電場(chǎng)時(shí)的折射率，V為施加在晶體兩端的電壓。Vπ是調(diào)制器的半波電壓，定義為產(chǎn)生π相位延遲所需的調(diào)制電壓，表示為

式中s11?s12指電光材料的二次電光系數(shù)，ε指電光材料的相對(duì)介電常數(shù)，g11?g12受材料組分影響。

通過式（1）和式（2）可得，在半波電壓較低的情況下采用相同功率的調(diào)制信號(hào)就能夠?qū)崿F(xiàn)較高的相位延遲，進(jìn)而提高系統(tǒng)的輸出光功率和信噪比。理論上，在輸出噪聲一定的情況下，調(diào)制器的半波電壓從200 V降低到50 V，在20 V調(diào)制信號(hào)下相位延遲提高了16倍，透射光功率和信噪比提高了257倍。

通過式（3）可知，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一定的情況下，半波電壓由二次電光系數(shù)決定，受介電常數(shù)影響。本文從電光調(diào)制應(yīng)用出發(fā)，討論典型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)電光材料的二次電光性能和介電性質(zhì)。

3.1 PMNT材料

2002年，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所羅豪甦等人[25]在國際上首次采用改進(jìn)的Bridgman方法成功生長出大尺寸高質(zhì)量的PMNT單晶，如圖3所示。2010年，該研究所Lin Y等人[26]在PMN-8PT鐵電單晶中觀察到巨大的克爾效應(yīng)，采用紫外-可見-近紅外光譜儀測(cè)得二次電光系數(shù)可達(dá)8.19×10?16m2/V2。2011年，該研究所與俄羅斯科學(xué)院技術(shù)研究所合作[27]研究了透明鐵電陶瓷PMN-25PT的介電、光學(xué)和電光特性。結(jié)果顯示，不同La濃度（2%、3%和4%）的PMN-25PT都經(jīng)歷了擴(kuò)散相變，發(fā)現(xiàn)室溫下La濃度為3%的PMNT陶瓷可以觀察到4×10?15m2/V2的電光效應(yīng)。2012年，他們?cè)俣群献鞑捎脙呻A段燒結(jié)法制備了PMN-xPZT鐵電陶瓷，發(fā)現(xiàn)在接近相變邊界（x= 23%、33%），一階相變轉(zhuǎn)變?yōu)榇螽犺F電相，而遠(yuǎn)離邊界的（x= 10%、16%）則保持弛豫立方鐵電相，其中x= 33%的陶瓷在高溫（T> 340 K）下具有1.8×10?15m2/V2的二次電光系數(shù)[28]。

近年來，PMNT薄膜的制備和應(yīng)用得到了快速發(fā)展。2013年，上海師范大學(xué)的Aiyun Liu等人[29]采用溶膠凝膠法制備了0.7PMN-0.3PT薄膜，其介電常數(shù)可達(dá)935。2015年，該校李國柱等人[30]采用脈沖激光沉積法制備了相同組分的鐵電薄膜，通過優(yōu)化制備工藝，薄膜的相對(duì)介電常數(shù)達(dá)2 800。2017年，西班牙馬德里材料研究所的H.El Hosiny Ali等人[31]為了完善0.65PMN-0.35PT薄膜在準(zhǔn)同型相界附近的壓電缺陷，設(shè)計(jì)了PTPMNT-PT的多層薄膜，在達(dá)到67 pm/V高壓電系數(shù)的同時(shí)，介電常數(shù)保持在1 000附近。2018年，西安工業(yè)大學(xué)的張德強(qiáng)等人[32]采用溶膠凝膠法制備了(1-x)PMN-xPT(x為0.25和0.4)薄膜，在1 kHz頻率下其相對(duì)介電常數(shù)達(dá)到了1 534和1 800，同時(shí)通過La和Pr兩類稀土元素的摻雜使0.7PMN-0.3PT薄膜的介電常數(shù)由原有的1 135分別提高到了2 025和2 398。由此可見，不同類型和組分的PMNT材料具有不同性能，如表1所示。

圖3 Bridgman方法生長的PMNT單晶[25]Fig. 3 PMNT single crystal grown with the Bridgman method

表1 室溫下632.5 nm波長測(cè)得PMNT材料的二次電光系數(shù)和1 kHz電場(chǎng)下的介電常數(shù)Tab. 1 The secondary electro-optic coefficient of the PMNT material measured at a wavelength of 632.5 nm at room temperature and the dielectric constant under an electric field of 1 kHz

3.2 PLZT陶瓷

1981年，上海硅酸鹽研究所孫榮明等人[33]利用通氧熱壓原理制得了大尺寸PLZT透明陶瓷，陶瓷樣品如圖4所示。并測(cè)得La/Ti/Zr為8.8/65/35和9.4/65/35的PLZT陶瓷的二次電光系數(shù)分別為2.8×10?16m2/V2和1.48×10?16m2/V2。2009年，該研究所的何夕云[34]利用Dy摻雜提高了PLZT（12/40/60）透明陶瓷的光學(xué)透過率，并使其二次電光系數(shù)達(dá)到5.59×10?16m2/V2。2016年，圣彼得堡理工大學(xué)的A. V. Kniazkov[35]利用反射光調(diào)制法對(duì)PLZT陶瓷樣品進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得La/Ti/Zr為8/65/35、9/65/35和10/65/35陶瓷樣品的二次電光系數(shù)均達(dá)到2.5×10?15m2/V2、3.7×10?16m2/V2、1.3×10?16m2/V2。

圖4 鋯鈦酸鑭鉛(PLZT)光電陶瓷材料[36]Fig. 4 PLZT optoelectronic ceramic material

2016年泰國清邁大學(xué)Apichart Limpichaipanit等人[37]研究了固態(tài)混合氧化法制備Li和Bi共摻雜的PLZT陶瓷，發(fā)現(xiàn)在1 200 ℃下摩爾分?jǐn)?shù)為0.15% Li和Bi共摻雜PLZT陶瓷具有最大7 819的介電常數(shù)。同年，他們與泰國皇家理工學(xué)院的Siripong Somwan[38]合作制備了Bi2O3和CuO共摻雜的PLZT陶瓷，在1 200 ℃下摩爾分?jǐn)?shù)為0.25%的Bi2O3和CuO共摻雜PLZT陶瓷具有最大11 290的介電常數(shù)。2018年，該校Narit Funsueb等人[39]制成了9/70/30、9/65/35和9/60/40的PLZT陶瓷，發(fā)現(xiàn)PLZT9/65/35在1 275 ℃下燒結(jié)4 h介電常數(shù)可達(dá)10 539。2018年，印度Raja Ramanna先進(jìn)技術(shù)中心的Rachna Selvamani等人[40]研究發(fā)現(xiàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.08% Cr2O3摻雜的PLZT陶瓷在1 kHz頻率下介電常數(shù)最大可達(dá)13 985。近年來，國內(nèi)也積極開展PLZT材料的相關(guān)研究。2017年，中國地質(zhì)大學(xué)的Can Huang等人[41]采用部分共沉淀法和微波燒結(jié)法制備了PLZT 9/65/35陶瓷，其介電常數(shù)可達(dá)3 895。2017年，大連理工大學(xué)的許文才[42]利用溶膠凝膠法制備了La摻雜的PLZT薄膜，發(fā)現(xiàn)2%La摻雜的薄膜介電常數(shù)可達(dá)1 502.59。2018年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的郭有文[43]選擇了Dy3+、Nd5+、Pr3+稀土離子進(jìn)行A位摻雜，W6+進(jìn)行B位摻雜，發(fā)現(xiàn)稀土離子摻雜可以有效提高介電性能，分別使介電常數(shù)提高了15%、43%、24%和51%。2018年，華南理工大學(xué)的劉宇鋒[44]制備了摻Sb2O5的(Pb93.5La6.5)(Zr59Ti41)98.4O3壓電陶瓷，其介電常數(shù)達(dá)到了6 076。2018年，上海硅酸鹽研究所的Bin Zhu等人[45]研究發(fā)現(xiàn)摻Al(x=1.50 mol%)PLZT陶瓷在1 kHz頻率下介電常數(shù)高達(dá)16 000。

迄今為止，多國學(xué)者已對(duì)PLZT材料進(jìn)行了深入研究，其二次電光性能和介電性能見表2。

表2 室溫下在632.5 nm波長測(cè)得PLZT材料的二次電光系數(shù)和1 kHz電場(chǎng)下的介電常數(shù)Tab. 2 The secondary electro-optic coefficient of the PLZT material measured at a wavelength of 632.5 nm at room temperature and the dielectric constant under an electric field of 1 kHz

3.3 KTN晶體

90年代，我國以山東大學(xué)為代表的單位開始采用熔鹽法、提拉法等不同晶體工藝生長大尺寸高質(zhì)量KTN單晶，但由于存在溶劑揮發(fā)腐蝕材料等問題，難以重復(fù)生長，設(shè)備要求苛刻。2003年，日本NTT公司[46]成功生長出4 cm×4 cm× 3 cm的大尺寸KTN晶體，相較于LN晶體，其電光系數(shù)提高了20倍，而半波電壓僅為1/10。2007年，NTT公司[47]生長的KTN晶體的電光系數(shù)已經(jīng)達(dá)到了2.24 × 10?14m2/V2。2009年，山東省科學(xué)院的王旭平[48]提出了大坩堝生長小晶體的工藝方法，改善了晶體質(zhì)量，生長出3 cm×3 cm×5 cm大尺寸以及Nb含量為0～0.5的KTN晶體，其生長的KTa0.75Nb0.25O3和KTa0.63Nb0.37O3的電光系數(shù)分別達(dá)到6.501×10?15m2/V2和8.6×10?15m2/V2，如今山東省科學(xué)院已具備生長各組分大尺寸高質(zhì)量KTN的能力。2013年，賓夕法尼亞大學(xué)的Yun-Ching Chang[49]通過對(duì)KTa0.7Nb0.3O3晶體進(jìn)行冷卻（冷卻速率為0.45 ℃/s），得到了6.94×10?14m2/V2的二次電光系數(shù)，這是迄今為止報(bào)道的最大的二次電光系數(shù)，如圖5[50]所示。

KTN巨大的二次電光效應(yīng)被認(rèn)為是由于鐵電-順電相變附近的極性納米區(qū)域（PNRs）引起的，因此，專家學(xué)者進(jìn)行了深入研究，旨在攻克PNRs影響機(jī)制的理論盲區(qū)。2011年，E. DelRe等人[51]驗(yàn)證了過冷摻雜銅的KTN:Li中可以實(shí)現(xiàn)無標(biāo)度傳播，既消除了光波傳輸過程中的衍射又實(shí)現(xiàn)了波長無關(guān)，2012年，Eugenio DelRe[52]和Jacopo Parravicini[53]等人在此基礎(chǔ)上通過反Kovacs效應(yīng)來編程超冷歷史[54]和超冷速度[55]實(shí)現(xiàn)了樣品無關(guān)的無標(biāo)度傳播。2018年，F(xiàn). Di Mei[56]通過實(shí)驗(yàn)證明K0.997Ta0.64Nb0.36:Li0.003在可見光譜的折射率大于26，突破了已報(bào)道的最高寬頻折射率5。他們?cè)诶肒TN晶體巨大電光效應(yīng)的同時(shí)消除其引起的衍射，實(shí)現(xiàn)高精度和高折射率的無標(biāo)度光束傳播，為納米級(jí)高精度激光成像提供了機(jī)會(huì)。

面向?qū)拵Ч馔ㄐ诺膽?yīng)用需求，哈爾濱工業(yè)大學(xué)進(jìn)行了深入研究。2015年田浩[57]、王磊[58]采用頂部籽晶助溶劑法（TSSG）生長了高光學(xué)質(zhì)量的KTa0.61Nb0.39O3單晶，發(fā)現(xiàn)其電光性能隨著頻率的升高而降低，在500 Hz下電光系數(shù)可達(dá)5.96×10?15m2/V2。為驅(qū)動(dòng)KTN晶體在居里溫度附近的相關(guān)無序現(xiàn)象以增強(qiáng)電光效應(yīng)，2016年，譚鵬等[59]提出特定溫度場(chǎng)下PNR重定向機(jī)制，并使用溫度梯度來操縱PNRs，提高電光性能。2016年，姚博[60]利用塞拿蒙補(bǔ)償法提出了順電相KTN晶體中PNRs非隨機(jī)取向引發(fā)各向異性分布機(jī)制。2017年，毛晨陽[61]利用單光束補(bǔ)償法研究了交直流電場(chǎng)下晶體鐵電疇取向模式的影響機(jī)制。2017年，譚鵬[62]研究了不同交直流電場(chǎng)下納米無序KTN晶體的二次和線性電光效應(yīng)，為研究PNRs響應(yīng)機(jī)制提供重要參考，并于2018年[63]通過控制相關(guān)局域偶極子的平均尺寸和鐵電疇的均勻取向來探索入射光調(diào)制方法，優(yōu)化材料的電光性能。

圖5 鉭鈮酸鉀(KTa1-xNbxO3, KTN)晶體材料[50]Fig. 5 KTN crystal material

國內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)研制的KTN晶體二次電光性能對(duì)比如表3所示。

表3 KTN材料二次電光系數(shù)對(duì)比分析Tab. 3 Comparative analysis of quadratic electro-optic coefficient of KTN materials

3.4 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)電光材料的可行性分析

表4對(duì)比了上述鈣鈦礦材料的電光性能，并以1.2 mm×1.2 mm×2 mm晶體尺寸對(duì)3種材料進(jìn)行對(duì)比分析。

表4 PMNT、PLZT和KTN電光調(diào)制可行性分析（附LN作為比較）Tab. 4 Feasibility analysis of electro-optic modulation by PMNT, PLZT and KTN (with LN for comparison)

通過對(duì)比表4中數(shù)據(jù)可知：

（1）鈣鈦礦材料可實(shí)現(xiàn)低電壓調(diào)制

KTN和PMNT的電光效應(yīng)相較LN提高了幾十至上百倍，PLZT相較LN提高了10倍，使得半波電壓和調(diào)制電壓分別降低為LN的幾十分之一和十分之一，因此可以滿足三維成像系統(tǒng)的低電壓調(diào)制。

（2）鈣鈦礦材料具有更大的接收視場(chǎng)角

新型電光材料是立方相對(duì)稱結(jié)構(gòu)，具有各向同性，當(dāng)不加載電壓時(shí)不存在雙折射現(xiàn)象，因此具有遠(yuǎn)大于LN的接收視場(chǎng)角，同時(shí)，ARL已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了KTN電光調(diào)制器的視場(chǎng)角可以達(dá)到±30°。

（3）國內(nèi)具有較為成熟的制備工藝

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，山東省科學(xué)院具備較為成熟的KTN制備工藝，上海硅酸鹽研究所具備較為成熟的PMNT和PLZT制備工藝，大尺寸、光學(xué)均勻的電光材料為開展電光調(diào)制性能研究工作提供了基本保障，為高性能電光調(diào)制器的實(shí)用化奠定了基礎(chǔ)。

總之，以KTN晶體、PMNT材料、PLZT陶瓷為代表的新型材料可以滿足低電壓調(diào)制和大視場(chǎng)的性能要求，可以突破LN材料在電光調(diào)制中存在的視場(chǎng)角過小、半波電壓過高的局限性，解決基于偏振調(diào)制的三維成像技術(shù)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的瓶頸問題，但電光調(diào)制性能還有待進(jìn)一步分析。

4 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)電光材料的適用性分析

4.1 PMNT材料的電光調(diào)制分析

2014年，上海硅酸鹽研究所張學(xué)嬌等人面向高功率激光系統(tǒng)[64-65]，研究了基于PMNT材料的新型偏振無關(guān)電光調(diào)制器，如圖6所示。利用瓊斯矩陣推導(dǎo)出了各元件的輸出狀態(tài)，建立了式（4）的理論模型：

無論線偏光還是橢圓偏振光對(duì)調(diào)制器均無影響，達(dá)到了偏振無關(guān)空間調(diào)制器的特性。但由于PMNT疇壁運(yùn)動(dòng)，造成響應(yīng)速度慢（僅為180 ns）、光散射嚴(yán)重，將其用作電光調(diào)制器只能達(dá)到2 MHz的調(diào)制帶寬，因此該調(diào)制器難以用于高速電光調(diào)制，不滿足納米級(jí)激光三維成像的應(yīng)用需求。

圖6 一種偏振無關(guān)的電光調(diào)制器Fig. 6 A polarization-independent electro-optic modulator

4.2 PLZT陶瓷的電光調(diào)制分析

早在1984年暨南大學(xué)的宋益澄便與上海硅酸鹽研究所的何曉明設(shè)計(jì)了PLZT電光調(diào)制器，該調(diào)制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、性能穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，但其透過率較低（30%以下）且半波電壓較部分電光晶體高，故并未獲得廣泛應(yīng)用[66]。之后，上海硅酸鹽研究所一直致力于PLZT電光材料的改進(jìn)研究。2009年，何夕云團(tuán)隊(duì)針對(duì)PLZT電光調(diào)制器存在的工作電壓偏高、場(chǎng)致滯后明顯等問題[34]，研究了Dy元素對(duì)PLZT陶瓷的摻雜改性，發(fā)現(xiàn)較小量的Dy摻雜可以使PLZT材料發(fā)生晶格畸變，晶胞趨向松弛，極化能力增強(qiáng)，使材料光學(xué)透過率和折射率明顯提高，二次電光系數(shù)也達(dá)到了5.59×10?15m2/V2，改善了器件的應(yīng)用屬性。

但是PLZT陶瓷存在透過率較低的缺陷，這會(huì)造成在電光調(diào)制領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)，光通過以PLZT陶瓷為主體的調(diào)制器后在接收端無法獲取足夠的調(diào)制信號(hào)，嚴(yán)重影響電光調(diào)制水平。為了進(jìn)一步提高PLZT陶瓷的透過率，2019年，上海硅酸鹽研究所的何夕云團(tuán)隊(duì)[45]研究發(fā)現(xiàn)少量Al摻雜會(huì)促進(jìn)PLZT（8.0/69/31）陶瓷的晶粒生長。同時(shí)何夕云團(tuán)隊(duì)開展了如圖7所示的透射光譜實(shí)驗(yàn)，雖然比較而言，摩爾分?jǐn)?shù)為0.5%的Al摻雜提高了材料透過率，但未能獲得預(yù)期理論結(jié)果，最大透過率仍未有明顯突破。

2018年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王文團(tuán)隊(duì)[43]嘗試采用4種稀土離子摻雜以提高PLZT材料性能，其中Nd3+摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為3%，PLZT陶瓷的可見光透射率最大，如圖8（彩圖見期刊電子版）所示可以達(dá)到56.4%～65.3%。

圖7 不同Al摻雜量的PLZT材料透過率與波長相對(duì)關(guān)系Fig. 7 Relationship between the transmittance and wavelength of PLZT materials with different Al dopings

圖8 不同Nd摻雜量的PLZT材料透過率與波長相對(duì)關(guān)系Fig. 8 Relationship between the transmittance and wavelength of PLZT materials with different Nd dopings

總之，國內(nèi)以上海硅酸鹽研究所為代表的研究單位對(duì)PLZT電光調(diào)制器進(jìn)行了深入研究，通過摻雜手段提高了材料的二次電光性能、降低了半波電壓、增加了透過率，有助于促進(jìn)PLZT陶瓷在電光調(diào)制器方面的應(yīng)用，但由于透過率難以突破65%，PLZT材料不適用于高速電光調(diào)制。

4.3 KTN晶體的電光調(diào)制分析

1966年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的F.S.CHEN首次提出基于KTN晶體的電光調(diào)制器，見圖9(a)。通過200 MHz高頻響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該電光調(diào)制器具有大帶寬特性[67]。在介電分析的基礎(chǔ)上，通過建立如圖9(b)所示的等效電路，提出了KTN電光調(diào)制器的帶寬由RC電路的響應(yīng)時(shí)間決定，而不受晶體本身的限制。通過設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，作者提出KTN電光調(diào)制器至少具有300 MHz的調(diào)制帶寬，但由于光學(xué)性質(zhì)均勻的高質(zhì)量單晶的生長技術(shù)一直沒有突破，KTN電光調(diào)制器的發(fā)展長時(shí)間處于停滯階段。

圖9 KTN電光調(diào)制器原理示意圖（a）及等效電路圖（b）Fig. 9 (a) Schematic of KTN electro-optic modulator and(b) equivalent circuit diagram

2005年，NTT公司的Toshihiro Itoh研究了順電相KTN單晶的高頻響應(yīng)，采用射頻阻抗法測(cè)量了復(fù)介電常數(shù)與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)果顯示，KTN電光調(diào)制器在400 MHz高頻下仍然有300 pm/V以上的電光系數(shù)，可以滿足寬帶電光調(diào)制應(yīng)用[68]。2013年，NTT公司的Mitsuru Shinagawa在高質(zhì)量KTN晶體生長技術(shù)的基礎(chǔ)上嘗試研制KTN電場(chǎng)傳感器，設(shè)計(jì)了如圖10所示的帶寬與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)性實(shí)驗(yàn)，但實(shí)際工程應(yīng)用中只研究了23 MHz調(diào)制帶寬[24]。

圖10 3種KTN調(diào)制器的3 dB帶寬測(cè)量Fig. 10 3 dB bandwidth measurement of three KTN modulators

2013年，ARL的Robert C. Hoffman也進(jìn)行了帶寬與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了3種基于不同KTN晶體的電光調(diào)制器，3種調(diào)制器的響應(yīng)時(shí)間分別達(dá)到2.12 ns、1.19 ns和4.53 ns。響應(yīng)帶寬理論上可以達(dá)到300 MHz[69]。但受脈沖發(fā)生器（1 ns）限制，無法測(cè)得響應(yīng)時(shí)間的極限值，同時(shí)提出了通過提高二次電光系數(shù)有效降低響應(yīng)時(shí)間的思路。

表5分析了PMNT、PLZT和KTN材料的電光調(diào)制適用性?？梢姡琍MNT材料的響應(yīng)速度慢和光散射嚴(yán)重，PLZT材料的透過率低，而KTN晶體理論上不存在上述難題，因此更有望用于實(shí)現(xiàn)高速電光調(diào)制。

表5 PMNT、PLZT和KTN電光調(diào)制適用性分析Tab. 5 Applicability analysis of different electro-optic modulations

5 發(fā)展趨勢(shì)分析

基于PMNT材料的電光調(diào)制器由于材料本身的疇壁運(yùn)動(dòng)，造成響應(yīng)速度慢、光散射嚴(yán)重，其響應(yīng)速度只能達(dá)到180 ns，帶寬只有10 kHz。研究材料的微疇影響機(jī)理，通過摻雜等手段研究疇壁的影響規(guī)律，尋求調(diào)制帶寬的增強(qiáng)方法是該材料實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的關(guān)鍵。

基于PLZT陶瓷的電光調(diào)制器由于材料本身的透過率只能達(dá)到65%，無法滿足高分辨率的應(yīng)用需求。目前國內(nèi)外專家學(xué)者已經(jīng)研究了PLZT陶瓷的Dy和Al摻雜改性，通過摻雜不同元素可以使晶胞松弛、晶格稀松，促進(jìn)晶粒生長，提高材料的透過性能和二次電光性能。對(duì)于摻雜改性而言，摻雜量的增加會(huì)使性能逐漸降低，那么不同特性元素的摻雜研究將是改善透過率的關(guān)鍵。

相比于PMNT材料和PLZT陶瓷因材料屬性限制了電光調(diào)制器的帶寬性能和透過性能，基于KTN晶體的電光調(diào)制器帶寬不受KTN材料限制，同時(shí)透過率高、透過范圍廣、光學(xué)均勻性較高，理論上具有優(yōu)異的電光調(diào)制性能，近年來日本NTT公司和ARL等單位也探索制作了相應(yīng)的調(diào)制器。為了進(jìn)一步促進(jìn)該類調(diào)制器的實(shí)用化，目前基于KTN晶體的電光調(diào)制器有兩個(gè)發(fā)展方向：一是增加二次電光系數(shù)和調(diào)制帶寬以改善調(diào)制性能；二是建立性能表征模型，減小噪聲以提高信噪比。

針對(duì)KTN晶體的調(diào)制性能，希伯來大學(xué)、羅馬大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等多家單位均對(duì)KTN晶體微觀特性進(jìn)行了研究[52,54,59,63,70～71]，通過實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合探索研究了摻雜和快速降溫對(duì)性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)銅、鋰、錳等不同離子摻雜能夠控制PNR的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)無標(biāo)度光學(xué)，從而實(shí)現(xiàn)超高分辨率成像，同時(shí)不同降溫速度和降溫歷史使PNR具有不同的重定向機(jī)制[72]，可以調(diào)節(jié)光偏振，減小光散射，增強(qiáng)電光效應(yīng)。因此，從微觀層面分析并定量表征摻雜改性和快速冷卻的影響規(guī)律，進(jìn)一步提升二次電光性能和帶寬等將是未來的研究熱點(diǎn)。

此外，受溫度、電場(chǎng)頻率和電壓等因素影響，KTN晶體性能會(huì)發(fā)生顯著變化。定量表征KTN器件調(diào)制性能的影響因素是實(shí)用化的首要難題，除此之外，研究KTN器件本身的相位調(diào)制噪聲和電光調(diào)制過程中產(chǎn)生的殘余幅度調(diào)制噪聲的抑制方法，將是KTN晶體衍生器件實(shí)用化的關(guān)鍵所在。

6 結(jié)束語

KTN晶體具有電光系數(shù)大、調(diào)制帶寬高、各向同性等優(yōu)異性能，基于此材料的電光調(diào)制器在激光三維成像領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。以低半波電壓、大視場(chǎng)的電光調(diào)制器為需求牽引，以突破傳統(tǒng)LN電光調(diào)制器調(diào)制電壓高、視場(chǎng)角小等瓶頸問題為目的，提出基于新型電光材料的電光調(diào)制技術(shù)，并分析相關(guān)技術(shù)的研究進(jìn)展。通過鈣鈦礦結(jié)構(gòu)電光材料與傳統(tǒng)3m晶體點(diǎn)群材料的對(duì)比分析，并重點(diǎn)關(guān)注PMNT材料、PLZT陶瓷和KTN晶體3種典型鈣鈦礦材料。理論上，基于鈣鈦礦材料的電光調(diào)制技術(shù)能夠突破傳統(tǒng)LN電光調(diào)制器在激光三維成像應(yīng)用時(shí)視場(chǎng)低、半波電壓高的瓶頸。

若使新型電光材料的電光調(diào)制技術(shù)走向?qū)嵱?，PMNT材料還需要克服材料本身的疇壁運(yùn)動(dòng)對(duì)響應(yīng)速度和調(diào)制帶寬的限制，PLZT陶瓷還需要解決材料本身存在的低透過率難題，相比而言，KTN晶體二次電光系數(shù)大、透過性能好、調(diào)制帶寬不受材料本身限制，具有更優(yōu)異的電光調(diào)制性能。

經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，KTN晶體已經(jīng)具有成熟的制備工藝，對(duì)于材料性能的研究也取得了豐富的科學(xué)成果，近年來多國專家學(xué)者深入研究的摻雜改性和快速冷卻技術(shù)也為進(jìn)一步提高調(diào)制性能指明了方向。但從激光三維成像領(lǐng)域的實(shí)用性來看，缺乏適用于定量分析的理論模型，在復(fù)雜工作環(huán)境下難以表征其調(diào)制性能和調(diào)制噪聲，致使基于KTN晶體的電光調(diào)制方法仍然有技術(shù)瓶頸。相信在不遠(yuǎn)的將來，通過學(xué)者們的深入探索研究，這些瓶頸一定能夠突破。