用稀土离子改性的钨酸铅晶体制作的声光调制器 本发明涉及一种用稀土离子改性的钨酸铅晶体制作的声光调制器。属于声光器件领域。
声光调制器(AOM)是利用透明介质(晶体或玻璃)中声波与通过介质的光束之间的相互作用对光束的强度、相位和传播方向进行控制的一种光学器件，它由声光晶体、电-声换能器和超声吸收(或反射)装置组成(图1)。它广泛应用与激光照排、艺术表演、信息处理和生物医学应用等众多领域。作为一种无源光电子器件，它已被大量生产，如美国Newport公司、法国Automates Et Automatismes公司、中科院上海硅酸盐所等等。声光材料的性能直接影响着AOM的质量，因此对声光材料的选择十分重要。现有的AOM使用的声光晶体主要有两种：钼酸铅PbMoO4(PMO)和氧化碲TeO2。其中TeO2晶体价格昂贵，主要应用于高档声光器件如声光偏转器等。而大量使用的则是PbMoO4晶体，但在长期的使用中发现，PMO晶体有某些不足之处：
1．PMO的光吸收边约为400nm，所以晶体略呈黄色，透过率较低；
2．当它应用于蓝绿区激光地调制时，长期工作会导致透过率逐渐降低。
经长期研究，特别是对PMO和PWO晶体的光学和声光性质进行全面比较后发现，如果用钨酸铅取代钼酸铅晶体，将能有效地改进声光调制器的性能。经过多次试验，证实了上述推论。此外，PWO是一种优良的闪烁晶体，在研究该晶体的辐照损伤问题时，对它的抗辐照问题已取得很多经验。在此基础上，将PWO晶体抗辐照研究中取得的成果，引入制作高性能的声光调制器，使用稀土改性的PWO晶体作为声光介质，取得了很好的效果。由此引出本发明的目的。
本发明的目的在于提供一种用稀土离子改性的PbWO4晶体取代PbMoO4作为声光介质，制作声光器件，它可以在保持PMO的制作声光器件设计和结构基本不变的前提下，有意义地改进声光调制器的性能，特别是工作波段向近紫外区延伸，并具有抗辐照能力。具体地说稀土离子掺入的RE:PbWO4(RE:PWO)晶体中的RE为La3+或Y3+离子。
本发明的目的是通过下述技术方案具体实施的。
PWO和PMO晶体均为四方晶系，属4/m点群，它们都是光学单轴晶，其折射率no和ne也较为接近。另据测试，PWO沿C轴的声速略低于PMO，因此有较高的声光优值M2。因而PWO制作的声光器件结构可以沿用PMO、制作的声光器件的参数，例如声光晶体尺寸、通声、通光方向，电声换能器和吸声装置的材料和尺寸均可保持不变，只需根据实际应用的需要作一些微调。总之，当实施用PWO取代PMO晶体制作新的AOM方案时，可以沿用PMO制作的声光器件的器件结构和尺寸，不必进行专门的器件设计。对PWO制作的声光器件的测试结果表明，新器件的总体性能与PMO制作的声光器件非常接近，包括衍射效率、中心带宽等主要参数。同时，为了进一步提高PWO制作的声光器件的性能，将掺有稀土离子如La3+(或Y3+)的PWO晶体用于制作AOM。该晶体可以用提拉法或坩埚下降法生长，晶体原料为99.999％的高纯PbO和WO3，并在熔体中加入100-200ppm的La2O3或Y2O3，沿C轴生长晶体。考虑到La3+在PWO中有很高的分凝系数，在制作器件时，应切去晶锭的尾部(生长后期的晶体)。该晶体有较高的透过率(特别是在近紫外区，即340-480μm波段)，并具有良好的抗光伤能力。这种掺杂对声光性能没有影响。
用稀土改性钨酸铅晶体(RE:PWO)取代常用的钼酸铅晶体制作声光调制器，可以产生如下效果：
1．La:PWO和Y:PWO的光吸收边为330nm，且陡直上升，与TeO2晶体基本相同。而PMO晶体的光吸收边约为400nm。当用RE:PWO(La:PWO或Y:PWO)取代PMO后，可使声光调制器的工作波长范围向近紫外区延伸约60-70nm；而且在很宽的波长范围内器件的透过率明显提高，从而减少了器件的光学插入损耗(图2)；
2．PWO晶体掺入La3+或Y3+后，可显著改进其短波区的透过特性，并大大增强它的抗辐照损伤的能力。对La:PWO晶体和PMO晶体进行的紫外辐照试验表明：当用高压汞灯作为光源进行辐照，在相同条件下照射20分钟，PMO的透过率在短波区(420-580μm)略有下降；而La:PWO则无变化，它更适合在短波区工作(图2)；
3．目前PMO晶体只能用提拉法生长，而PWO晶体既能用提拉法，也可用坩埚下降法生长。近年来，在闪烁晶体应用的推动下，PWO已能用多工位生长炉(每炉28根Φ30×280mm的大尺寸晶体)进行批量生产，从而使成本大大降低；此外，PWO晶体的加工性能较好，较PMO不易开裂。
下面通过附图和实施例进一步说明本发明用稀土改性的的钨酸铅晶体：La3+:PWO或Y3+:PWO取代PMO晶体制作声光调制器的实质性特点和显著的进步。
图1是声光调制器的结构和工作状态示意图。
图2是钼酸铅晶体和稀土改性钨酸铅晶体透过特性比较。横座标为波长，单位纳米；纵座标为透过率％；直线为PbMOO4，虚线为稀土La3+或Y3+改性钨酸铅晶体透过率曲线。
图3是钼酸铅晶体经紫外光辐照后出现的透过率下降的现象。虚线为紫外辐照后的透过率曲线。横座标为波长，单位纳米；纵座标为透过率％。
图中：
1-信息信号 2-驱动电极
3-振幅调制器的超声频率 4-电-声换能器
5-超声吸声器 6-激光器
7-平行光束 8-衍射光束
9-声光晶体
实施例1
用La3+:PWO晶体取代PMO或TeO2晶体制作声光调制器，La3+掺入浓度为150ppm，声光调制器由声光晶体9、电-声换能器4和超声吸声器5组成。当激光器平行光束7通过声光晶体9，形成三条不同角度的衍射光束8，分别为+1级、声光零级和-1级，相位分别为ωd=ωi+ωs；ωd=ωs以及ωd=ωi-ωs。与TeO2晶体的性能相当，其透过曲线如图2的虚线所示，但价格比在TeO2低得多。
实施例2
用Y3+:PWO晶体制作的声光调制器，Y3+的掺入量为180ppm，其结构如图1所示，透过率与图2的虚线所示曲线相似，光吸收边约为330nm，比PMO晶体向近紫外区延伸约60-70nm，而且在很宽范围内器件的透过率明显提高。其余同实施例1。