以Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT或PMNT)为代表的弛豫铁电单晶具有远高于常用锆钛酸铅Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT)陶瓷的压电性能, 引起了基于新一代压电单晶的功能器件研究热潮。本研究团队在国际上率先利用Bridgman方法生长出了大尺寸、高质量PMN-PT等弛豫铁电单晶(d33～2 000 pC/N, k33～92%), 并对PMN-PT等弛豫铁电单晶的生长、多层次微观结构和性能调控进行了多方面的研究, 发现弛豫铁电单晶不仅具有超高压电性能, 还具有突出的热释电性能、电光性能以及与磁致伸缩材料复合形成磁电复合材料的超高磁电耦合性能。本研究团队多年来一直在努力推动弛豫铁电单晶在医用超声换能器、热释电红外探测器、电光器件、磁电型弱磁传感器等各种器件的应用研究。本文主要总结了弛豫铁电单晶的多功能特性, 并介绍了本研究团队在弛豫铁电单晶器件应用上的研究结果。

设计了一种四电极八边形结构的铌酸锂电光偏转器。仿真分析了四电极八边形结构和理想电极结构偏转器的电场分布特性,讨论了结构参数对偏转器电场分布、场强梯度和有效通光口径比的影响,并给出了四电极八边形偏转器结构参数的选取方法。仿真结果表明,在相同的晶体和施加电压下,近轴区域内四电极八边形结构与理想电极结构偏转器的电场分布一致,场强误差小于10%。根据分析结果,制备了八边形铌酸锂晶体电光偏转器。实验结果表明,该偏转器的偏转灵敏度为0.312 μrad/V,与理论计算结果(0.340 μrad/V)相吻合。

研制了一种基于铌酸锂(LN)电光调Q的高重复频率窄脉宽短腔激光器.通过测量激光穿过置于正交偏振镜间的电光晶体后, 透射强度随晶体上施加的脉冲高压的变化情况, 探究了不同尺寸LN晶体中的压电振铃效应, 并与磷酸钛氧铷(RTP)晶体中的压电振铃效应进行了比较.实验发现, 块状LN晶体中的压电振铃效应严重, 而小尺寸LN晶体中的压电振铃效应和RTP晶体中的相似, 基本可以忽略.结合压电效应理论得出, 压电振铃效应的强弱与外加电压大小及晶体固有的压电共振频率有关, 电压越低, 压电共振频率越大, 压电振铃效应越弱.在此基础上, 制备了可高重频应用的尺寸为1.2 mm×9 mm×9.4 mm的LN调Q开关, 并实现了LN晶体的高重频调Q运转.激光增益介质采用具有较大受激发射截面和较短荧光寿命的Nd∶YVO4晶体, 其一端镀有1.064 μm的全反膜, 另一端沿布儒斯特角切割, 从而省去了全反镜和偏振镜, 缩短了腔长。泵浦源采用中心波长为808 nm的光纤耦合激光二极管.设计的激光器谐振腔长度仅为20 mm。在退压式电光调Q运转下, 获得了最大重复频率为15 kHz、脉宽为5.4 ns、峰值功率为2.94 kW的稳定的激光输出.

提出了1 种通用的三维电光器件仿真方法。该方法将有限元电场分析和电光效应耦合波理论相结合，通过求解电光器件的琼斯矩阵，计算了任意光传播方向和任意电场分布下的电光调制特性。以横向调制的Bi₄Ge₃O₁₂(BGO)晶体光学电压传感器(OVS)为例，对该方法进行了详细说明。讨论了Bi₄Ge₃O₁₂晶体内的非均匀电场及光路偏移对测量精度的影响，给出了在不同的精度等级条件下的最大允许光路偏移。该方法为光学电压传感器和其他电光器件的设计和性能评估提供了参考依据。

提出并制造一种新颖的椭圆芯中空光纤，采用热极化方法使其具有高二阶非线性，可用作相位调制器。该光纤在300 ℃温度、大于1×108 V/m强电场和9 cm有效电极长度条件下热极化30 min后，产生大的线性电光相移。基于双椭圆芯中空光纤构建一种纤内马赫曾德尔干涉仪，通过观察干涉条纹的移动来评估相移，最终得到1.16 pm/V的高二阶非线性系数和0.52 pm/V的线性电光系数。该技术具有简单、灵活的特点，可以用来制作高电光系数器件，降低制作成本，并能进一步提高全光纤器件的集成度。

作为一种用途广泛的电光器件，研究并改善液晶调制器的调制特性具有重要意义。本文通过构造一种对数型的驱动信号，实现了将液晶从0 到π 的非线性相位响应特性的线性化调制。同时，本文还在实验中发现了，相位响应的线性化程度会随着驱动频率的提高而降低。本文针对该现象，在应用该模型构造周期驱动信号的基础上，提出了将非线性响应映射为线性响应的方法。在不同频率的实验结果表明，从光强信号中获取0～π 的线性相位响应是可行的。