李飞教授主要从事铁电压电材料与器件的研究工作，分别于2006和2012年，在西安交通大学电子系获得学士和博士学位。2015-2018年，先后以博士后和助理研究员身份，在美国宾夕法尼亚州立大学从事研究工作。以第一作者或通讯作者在包括Nature，Science, Nature Materials，Nature Communication等国际顶级期刊发表学术论文60余篇，授权发明专利7项。获得2019年国家自然科学基金委“优秀青年基金”项目资助、IEEE UFFC Ferroelectric Young Investigator Award、美国陶瓷学会Ross Coffin Purdy Award等奖项。他研制的具有超高压电性能的透明铁电单晶入选2020年度中国科学十大进展。
从2018年回国以来的4年时间里，李飞教授专注一个领域的研究，作为通讯作者在Science和Nature发表3篇研究论文。此外，李飞教授还曾受邀在Science发表1篇述评文章。
今天,我们主要介绍西安交通大学李飞，哈尔滨工业大学田浩及卧龙岗大学张树君共同通讯在Science 在线发表题为“Ferroelectric crystals with giant electro-optic property enabling ultracompact Q-switches”的研究进展。
光传播和光强度的精确控制对于从激光器到光放大器和调制器的众多光子器件至关重要。通过电刺激对光信号进行快速有效的控制需要电光(EO)材料，这些材料的折射率n会随着施加的电场而发生较大的变化；例如，Pockels效应。Pockels效应的主要优点包括折射率n的变化与施加的电场之间的线性相关性、快速响应和强大的光控制能力，这些都是广泛的光子学应用的核心。以LiNbO3(LN)和KD2PO4 (DKDP)为代表的铁电晶体是现有EO器件的重要组成部分，因为它们具有大尺寸和良好的温度稳定性。DKDP 具有非常高的光学损伤阈值，适用于大功率Q开关。然而，它的吸湿特性需要小心防潮，因此基于EO器件的DKDP需要复杂的制造工艺。此外，LN和DKDP晶体的相对低的有效EO系数rc（分别为~21 和 24 pm V−1），需要在EO器件中使用高电压和/或厚材料，导致了高辅助成本（高电压电源）和小型化的困难。这个问题已经成为提高设备性能的关键障碍。因此，非常需要发现和使用具有更大Pockels效应的替代材料，以最小化EO器件的驱动电压和尺寸。许多钙钛矿铁电单晶的Pockels系数在102 pm V−1量级，例如BaTiO3、KNbO3和Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 -PbTiO3(PMN-PT)，它们尽管有前景的EO特性，但钙钛矿铁电体的光学透明度是一个长期存在的挑战，极大地阻碍了这些晶体的实际应用。晶体中天然存在的铁电畴壁极大地限制了它们的光学透明度，这是由于具有不同取向的相邻畴的折射率差异引起的畴壁处的光散射和反射，导致高光学损耗甚至不透明度可见到近红外光谱。
弛豫钛酸铅(PbTiO3)晶体具有极高的压电性，具有较高的电光系数。然而，弛缓型PbTiO3晶体的光学透明度由于光散射和畴壁反射而严重降低，限制了电光的应用，西安交通大学李飞，哈尔滨工业大学田浩及卧龙岗大学张树君等人通过铁电相、晶体取向和极化技术的协同设计，成功去除了所有光散射畴壁，并在增透膜涂层晶体中实现了99.6%的极高透射率，具有 900 pm V−1的超高EO系数r33，比传统使用的EO晶体高>30倍。使用这些晶体，该研究制造了需要极低驱动电压的超紧凑型 EO Q开关，其性能优于商业 Q 开关。这些材料的开发对于EO器件的便携性和低驱动电压具有重要意义。
要点1：弛豫铁电晶体的选择
图1. 模拟域模式和每个域的光学指标[ 011 ]-极化菱形 PIN-PMN-PT晶体。
作者使用选择菱面体0.21PIN-(0.79 - x )PMN- x PT ( x = 0.28, 0.30, 0.32) 晶体作为示例材料，因为它们具有可观的室温电特性（例如，介电和压电特性）与积极研究的弛豫铁电晶体PMN-PT相比，提高了温度和电场稳定性。当光穿过71°畴壁时，折射率保持不变。在[011]或者[100]结晶方向，导致抑制光散射和/或反射。相比之下，沿[01¯1]方向的光学透明度较低，考虑到光学指示线的主轴在(01¯1)面是不同的（图1F）。因此，与经典铁电体相比，当受到电场等外部刺激时，弛豫铁电晶体中的光学指示线的旋转可能更容易发生，从而导致弛豫铁电体中的电光活性更大。
要点2：PIN-PMN-PT 晶体的极化
使用偏光显微镜(PLM)来获取采用常规极化方法极化的0.21PIN-0.47PMN-0.32PT（PIN-PMN-32PT）晶体的[011]取向，即在室温下在两倍矫顽场的电场下进行极化。PLM 图像取自(011)和(01¯1)表面与模拟域结构一致（图2A）。在图 2B中可以看到许多畴壁，其中畴壁和畴壁之间的角度[01¯1]方向为~35°。由于畴壁处的折射率不连续性的衍射，散射束斑的形状几乎复制了畴图案（图2B）。显然，光散射会降低透明度并对EO器件的效率产生不利影响。进一步采用高温极化方法来降低钳位效应并消除光散射畴壁。如预期的那样，高斯光束的足迹在沿晶体传输该晶体后仍保持为圆形光斑[011]轴（图2G），意味着与室温极化的晶体相比，透光率显着提高。用于讨论EO特性和器件设计的PIN-PMN-PT 晶体通过高温极化技术进行极化。
图2. 域结构[ 011 ]取向的菱面体 PIN-PMN-32PT 晶体通过常规和高温方法极化。
要点3：透明度和电光特性[ 011 ]-极化 PIN-PMN-PT 晶体
当从两个方向观察时，极化晶体是高度透明的[100]和[011]方向。在550至2500 nm的波长范围内，沿极化样品的两个方向的透光率约为70%，如果仅考虑表面反射，则非常接近理论极限（图3B）。此外，[01-1]极化的PIN-PMN-PT晶体在中红外波段，即2500至5500 nm（图3C）中表现出高透明度，除了由OH-离子的伸缩振动引起的波长2840 nm附近的小吸收峰，作者还发现EO系数rc随着PT含量的增加而增加，即随着组成接近同形相边界（MPB）（图3E）。随着温度从5°C增加到60°C，发现EO系数增加了约30%到50%，因为它们类似于温度引起的介电和压电系数的变化，表明介电和压电相关的贡献在EO系数中起着关键作用。在高于菱面体-正交相变温度(~105°C) 的温度下，EO系数显着降低，因为沿[011]相变过程中的方向存在去极化效应。
图3. PIN-PMN-PT 晶体的透明性和电光特性[ 011 ]方向采用高温极化法。
要点4：PIN-PMN-PT晶体制成的电光Q开关
图4. 由透明 PIN-PMN-32PT 晶体制造的 Q 开关的关键性能。
作者为了展示PIN-PMN-PT晶体在实际应用中的竞争优势，构建并表征了电光Q开关。并将其与商业DKDP和LN Q 开关进行比较，记录了PIN-PMN-32PT Q 开关在3.7 mJ 的泵浦能量和 1 kHz 的重复频率下产生的100个连续输出脉冲的能量分布（图4H）。激光输出能量在脉冲序列上的变化系数估计为2.7%，证明了与商业DKDP和 LN Q 开关相当的超低输出能量抖动。
小结：
该研究针对Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PIN-PMN-PT)弛豫铁电晶体开发了一种特定的高温极化工艺，以增强通过去除不需要的畴壁实现在相互正交的方向上透明，并通过促进电场诱导的极化旋转来实现高EO系数。这种高度透明的PIN-PMN-PT晶体在900至2800 pm V−1范围内具有超高EO系数r33，温度范围为20°至100°C，频率范围为10至104 Hz。该研究使用这种极化的PIN-PMN-PT晶体构建了一个超紧凑的自由空间EO Q 开关，并证明了与最先进的EO器件相比，它在小型化和驱动电压降低方面的可行性和有效性。总之，这些材料的开发对于EO器件的便携性和低驱动电压具有重要意义。
参考文献：
Xin Liu, Peng Tan et al. Ferroelectric crystals with giant electro-optic property enabling ultracompact Q-switches. Science, 2022, 376, 371-377
DOI: 10.1126/science.abn7711
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn7711
