“中國(guó)晶體珍寶”
——KTP晶體

人工晶體在光電信息現(xiàn)代科技發(fā)展中起著舉足輕重的作用，一些晶體的出現(xiàn)具有劃時(shí)代意義：如壓電水晶及諧振器的出現(xiàn)開(kāi)創(chuàng)了現(xiàn)代通信新時(shí)代；硅單晶及集成技術(shù)的成功把人類帶入微電子及計(jì)算機(jī)時(shí)代；紅寶石晶體首次實(shí)現(xiàn)激光輸出，標(biāo)志著光電子時(shí)代的來(lái)臨。而中國(guó)在世界上聲名顯赫的晶體除了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的BBO、LBO、KBBF等“中國(guó)牌”晶體外，還有“全能”的非線性光學(xué)晶體——磷酸鈦氧鉀(KTiOPO4，簡(jiǎn)稱KTP)晶體。

KTP晶體由法國(guó)Masse等于1971年首先合成，后經(jīng)一系列生長(zhǎng)方法探索，第一塊KTP體單晶由杜邦公司Zumsteg等于1976年用水熱法生長(zhǎng)成功。KTP晶體具有大的非線性系數(shù)、大的可接收角和小的走離角、寬的透過(guò)波段、大的電光系數(shù)、低的介電常數(shù)和高的熱傳導(dǎo)系數(shù)，以及良好的物理、化學(xué)和機(jī)械性能。由于水熱法條件苛刻，初時(shí)生長(zhǎng)的晶體體積小，但由于其重要的軍事和科技應(yīng)用價(jià)值，美國(guó)政府將其列為高度保密產(chǎn)品，對(duì)我國(guó)實(shí)行嚴(yán)格技術(shù)封鎖和禁運(yùn)，即便實(shí)驗(yàn)碎片，也不允許我國(guó)科學(xué)家?guī)С鰧?shí)驗(yàn)室拿到中國(guó)來(lái)研究。后經(jīng)中國(guó)科學(xué)家的不懈努力，KTP晶體在我國(guó)生長(zhǎng)成功并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，成為中小功率固體綠光激光器最好的倍頻材料，此外還可用于激光參量振蕩以及電光調(diào)制器等，在軍事、科研、醫(yī)療、海洋光學(xué)、激光武器和環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

1982年，國(guó)家建材局人工晶體研究所(中材人工晶體研究院有限公司前身)科研人員獲知KTP晶體優(yōu)異的性能，激發(fā)了濃厚的研究興趣。為打破國(guó)外技術(shù)封鎖，他們?cè)谏L(zhǎng)鈮酸鉀的頂部籽晶熔劑法工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行了改革，不到半年就生長(zhǎng)出了尺寸達(dá)25 mm×15 mm×10 mm的高光學(xué)質(zhì)量KTP單晶，這也是國(guó)際上首次用熔劑法生長(zhǎng)出可用于實(shí)際倍頻的KTP單晶。幾乎與此同時(shí)，山東大學(xué)用籽晶浸沒(méi)法也生長(zhǎng)出了KTP晶體，并率先進(jìn)行了成果鑒定，1987年獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)。人工晶體研究所生長(zhǎng)的KTP晶體Z向截面比較大，有利于波導(dǎo)的制備和電光應(yīng)用，因此獲杜邦公司采購(gòu)意向，杜邦公司甚至在1988年資助9萬(wàn)美元支持人工晶體研究所開(kāi)展進(jìn)一步研究，該研究成果獲2001年杜邦科技創(chuàng)新獎(jiǎng)。

圖1 頂部籽晶熔劑法KTP晶體(中材人工晶體研究院有限公司提供)

中國(guó)科學(xué)家的努力使得KTP晶體成為僅有的三種商業(yè)化非線性光學(xué)晶體之一(另外兩種是BBO和LBO)。中國(guó)熔劑法KTP晶體的出口不但賺取了外匯，而且極大地提高了我國(guó)在國(guó)際晶體生長(zhǎng)界的聲譽(yù)，一舉打破了美國(guó)在國(guó)際市場(chǎng)的壟斷，KTP晶體價(jià)格大幅下跌，一塊3 mm×3 mm×5 mm KTP變頻器的價(jià)格從原來(lái)的2750美元降到50美元。進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，量子保密通信、量子計(jì)算、量子材料與器件、量子精密測(cè)量等量子信息科學(xué)在科技領(lǐng)域取得一系列進(jìn)展。國(guó)內(nèi)外高壓縮度和糾纏度的壓縮態(tài)和糾纏態(tài)量子光源的制備均利用周期性極化KTP晶體(periodically poled KTP，簡(jiǎn)稱PPKTP)的準(zhǔn)相位匹配獲得，人工晶體研究所Z切KTP晶體基片可用于制作PPKTP，保障了全球量子信息科學(xué)研究的進(jìn)行。

此后，我國(guó)科技人員積極致力于KTP晶體新功能和制備新技術(shù)的開(kāi)發(fā)。人工晶體研究所沈德忠院士團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了電光應(yīng)用的KTP晶體，通過(guò)特殊工藝將普通KTP晶體的電導(dǎo)率降低了三個(gè)數(shù)量級(jí)以上，滿足了國(guó)家重大工程需求，成果“大尺寸新型電光晶體KTP的制備技術(shù)”獲2002年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。桂林有色礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司經(jīng)過(guò)多年努力采用水熱法生長(zhǎng)了高抗灰跡KTP(HGTR-KTP)晶體，尺寸已達(dá)到50 mm×50 mm×70 mm，質(zhì)量300～400 g，除用于中高功率綠光激光器外，還可用于激光器的電光開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代。

一個(gè)晶體的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用離不開(kāi)一代晶體人的辛勤付出。山東大學(xué)晶體材料研究所于1989年興辦了山東中晶光電子公司(現(xiàn)山東華特知新材料有限公司)，人工晶體研究所在20世紀(jì)90年代成立了爍光特晶科技有限公司，致力于KTP晶體的工程化。如今，依托科研院所的技術(shù)研發(fā)，還孵化了一些全球知名的KTP晶體制造商，如青島海泰光電技術(shù)有限公司、桂林百銳光電技術(shù)有限公司等。產(chǎn)品性能的提升和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的進(jìn)步使KTP晶體器件的應(yīng)用范圍快速擴(kuò)大，也促進(jìn)了固體激光技術(shù)的發(fā)展。

圖2 水熱法KTP晶體及器件(桂林有色礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司提供)

從1971年至今，KTP晶體已經(jīng)走過(guò)了五十余年。隨著光電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的日益擴(kuò)大，KTP晶體也將繼續(xù)在倍頻、光參量、周期性極化和電光開(kāi)關(guān)器件等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱。