哈工大全媒体（赵异肖 文/图）日前，我校物理学院田浩教授团队和西安交通大学、澳大利亚伍伦贡大学等单位组成的研究团队，在弛豫铁电单晶电光性能与透明性优化以及电光调Q开关应用方面取得重要突破，研究成果以《具有超高电光效应的铁电单晶使Q开关小型化》（Ferroelectric crystals with giant electro-optic property enabling ultracompact Q-switches）为题发表在《科学》杂志上。
如何实现对激光的精确控制是光子学应用的关键。电光晶体作为核心功能单元，决定着光学信号的调控能力。发展具有更大电光效应的电光晶体，对实现电光器件的小型化、低功耗和低驱动电压具有重要意义。
面对弛豫铁电单晶高透明性与高电光性能的双重挑战，研究团队通过铁电相、晶体取向和极化技术的协同设计，诱导了PIN-PMN-PT弛豫铁电单晶中特殊畴结构，成功消除了晶体中导致光散射的铁电畴壁，晶体透过率接近理论极限，器件镀增透膜后具有超高透射率（1064 nm波长下99.6%）。团队所设计的畴结构大幅提升了晶体的电光活性，具有超高电光系数（r₃₃=910 pm/V，rc=670 pm/V），比主流电光晶体提升30余倍。
研究首次基于弛豫铁电单晶实现了商用级的电光调Q器件，与铌酸锂、磷酸二氘钾（DKDP）商用电光Q开关相比，团队所研制的Q开关在体积上减小了一个数量级，工作电压从1.3～3.2 kV降低至0.2 kV。在输出激光脉冲宽度、峰值功率、能量转换效率以及输出脉冲序列稳定性上，完全媲美于商用电光Q开关。低驱动电压的小型Q开关，将大大降低脉冲激光器的尺寸、重量和功耗，同时缓解高压脉冲引起的电磁干扰问题。该成果有助于超小型、低功耗激光雷达的发展，满足精密医疗和科学设备高稳定性与可靠性的应用要求。
该工作由多个研究小组通力合作完成。文章共同通讯作者为西安交通大学李飞教授、我校物理学院田浩教授和澳大利亚伍伦贡大学张树君教授。共同第一作者为西安交通大学刘鑫博士后和我校物理学院谭鹏副教授。苏州大学许彬教授、新南威尔士大学王丹阳教授、我校航天学院李旭东副教授、西安交通大学徐卓教授和魏晓勇教授、美国宾夕法尼亚州立大学陈龙庆教授等为论文共同作者。研究工作得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划项目、国家111引智计划、博士后创新人才支持计划等项目的支持。
田浩教授研究团队近年来在先进光子学材料与器件研究方面取得了长足的学术进展和技术突破，2020年曾在《科学进展》（Science Advances)发表学术论文，并积极推动高性能光电单晶和器件的应用发展。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn7711


图（a）PIN-PMN-PT晶体电光系数与其他晶体的对比，左上图为透明化PIN-PMN-PT晶体。图（b）基于PIN-PMN-PT单晶研制的电光调Q开关，图中给出了商用DKDP单晶和铌酸锂（LiNbO₃ ）单晶电光Q开关照片和工作电压。


编辑：梁英爽