高电阻率RTP晶体生长与性能研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0135

摘要/Abstract

摘要： 本文采用顶部籽晶熔盐法结合动态温场技术，成功生长出大尺寸、高电阻率RTP晶体，并对RTP晶体的性能进行了研究。本研究中所生长的晶坯尺寸达到54 mm×68 mm×52 mm，质量达到265 g。晶坯内部质量均匀，结晶完好，电阻率集中在1.0×10¹²~3.4×10¹² Ω·cm。1 064与532 nm激光照射晶体同一位置1 000 s后，抗灰迹吸收为125 ppm/cm。电子探针微区成分分析测试结果表明，电阻率高的RTP晶体原子摩尔百分比更接近化学计量比。电阻率为1.6×10¹² Ω·cm的RTP晶体在直流电压3 200 V加压1 200 h后，无电流溢漏或击穿。在-40~70 ℃，RTP电光调Q开关均可正常运转且消光比大于20 dB@1 064 nm。RTP晶体的激光损伤阈值为1.78 GW/cm²@1 064 nm & 9.6 ns。这些研究结果为RTP晶体作为电光调Q开关的关键材料应用提供了重要依据。

关键词: RTP晶体; 电阻率; 抗灰迹吸收; RTP电光调Q开关; 消光比; 激光损伤阈值

Abstract: RTP crystals with large size and high resistivity were successfully grown by the top-seeded solvent growth method combined with dynamic temperature field control technology， and their properties were researched. The crystal size reaches 54 mm ×68 mm×52 mm and its weight reaches 265 g. The internal quality is uniform and the crystallization is intact. The resistivity of the crystal is concentrated within the range of 1.0×10¹²~1.4×10¹² Ω·cm. The absorption of gray-tracking resistance is 125 ppm/cm after co-irradiation at the same crystal spot for 1 000 s by 1 064 and 532 nm laser. The electron probe micro-area composition analysis test result indicates that the molar percentage of each atom is closer to the stoichiometric ratio in the RTP crystal with higher resistivity. The RTP crystal with resistivity of 1.6×10¹² Ω∙cm is no current leakage or breakdown when it is pressurized with a DC voltage of 3 200 V for 1 200 h. Within the temperature range from -40 ℃ to 70 ℃， the RTP electro-optic Q-switch could operate normally and the extinction ratio is higher than 20 dB@1 064 nm. The laser induced damage threshold of the RTP crystal is 1.78 GW/cm²@1 064 nm & 9.6 ns. These results provide important basis for the application of RTP crystals as a key material for electro-optic Q-switch.

Key words: RTP crystal; resistivity; absorption of gray-tracking resistance; RTP electro-optic Q-switch; extinction ratio; laser induced damage threshold

中图分类号:

O782

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图/表 10

图1 RTP晶坯图

Fig.1 Photograph of RTP crystal boule

图2 RTP晶体的粉末XRD图谱

Fig.2 Powder XRD patterns of RTP crystal

图3 RTP晶体在1 064 nm和532 nm激光共同照射下吸收系数曲线

Fig.3 Absorption coefficient curve of RTP crystal exposed to 1 064 nm laser and 532 nm laser

图4 RTP晶体电阻率分布图

Fig.4 Resistivity distribution of RTP crystal

图5 不同电场强度时RTP晶体电阻率

Fig.5 RTP crystal resistivity at different electric field intensity

表1 不同电阻率样品的EPMA测试结果

Table 1 EPMA result of samples with different resistivity

Element	Molar percentage/% （Sample 1：2.1×10¹⁰ Ω·cm）	Molar percentage /% （Sample 2：3.6×10¹² Ω·cm）
O	74.951	60.982
P	9.964	14.108
Ti	5.375	11.695
Rb	9.711	13.215

表2 不同电阻率RTP电光调Q开关的耐压时间

Table 2 Withstand voltage time of RTP electro-optic Q-switches with different resistivities

Q-switch	Resistivity at 25 ℃/（Ω·cm）	Withstand voltage time/h	Phenomenon
Q-switch 1	4.4×10¹⁰	43	Black
Q-switch 2	1.9×10¹¹	140	Black
Q-switch 3	1.6×10¹²	1 200	Not black

图6 青岛海泰光电商用化的RTP电光器件

Fig.6 RTP electro-optic device of Crystech for commercial use

表3 不同温度下RTP电光调Q开关的消光比

Table 3 Extinction ratio of RTP electro-optic Q-switches at different temperatures

Q-Switch	Temperature/℃	Static extinction ratio/dB	Dynamic extinction ratio/dB
Q-Switch 4	-40	31	30
	25	36	34
	70	33	31
Q-Switch 5	-40	26	24
	25	33	31
	70	31	30
Q-Switch 6	-40	28	26
	25	35	32
	70	32	31

图7 RTP晶体能量密度与损伤概率关系

Fig.7 Relationship between energy density and laser damage probability of RTP crystal

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