要问20世纪最聪明的人是谁？大多数人肯定支持爱因斯坦占有一席之地。他被公认为是继伽利略、牛顿以来最伟大的物理学家。这其中就不得不提他1921年获得诺贝尔物理奖的代表工作：光电效应。光电效应指的是在高于某特定频率的电磁波（该频率称为极限频率threshold frequency）照射下，某些物质内部的电子吸收能量后逸出而形成电流。头脑风暴开启：那有电光效应吗？物理总是如此的奇妙，原来早在1875年，J.克尔发现放在电场中的物质，由于其分子受到电力的作用而发生取向（偏转），呈现各向异性，结果产生双折射，即沿两个不同方向物质对光的折射能力有所不同。后人称它为克尔电光效应，简称克尔效应。
大量的科学家在电光效应领域深耕多年，已有许多电光（EO）器件材料被发现。以LiNbO3(LN)和KD2PO4(DKDP)为代表的铁电晶体因其大尺寸和良好的温度稳定性而成为现有EO器件的重要组成部分。DKDP具有非常高的光学损伤阈值，适合大功率Q开关使用。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晶体的有效EO系数较低导致需要在EO器件中使用高电压或者更厚的材料，导致高辅助成本（高电压电源）和难以小型化。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普克尔斯效应的替代材料，以最小化EO器件的驱动电压和尺寸。同时，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。在过去的几十年里，已经做出了相当大的努力来消除这些铁电体中的光散射畴壁，但成功的例子非常有限。
鉴于此，来自西安交通大学李飞教授、哈尔滨工业大学田浩教授和卧龙岗大学张树君教授合作开发了一种特定的高温极化工艺，用于[011]取向Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PIN-PMN-PT)的弛豫铁电晶体，主要通过去除不需要的畴壁来提高相互正交方向的透明度，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 pmV-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。作者使用这种极化的PIN-PMN-PT晶体构建了一个超紧凑的自由空间EOQ开关，并证明了与最先进的EO器件相比，它在小型化和降低驱动电压方面的可行性和有效性。相关研究成果以题为“Ferroelectric crystals with giant electro-optic property enabling ultracompact Q-switches”发表在最新一期《Science》上。
【实验设计与表征】
作者首先选择菱面体0.21PIN-(0.79-x)PMN-xPT(x=0.28,0.30,0.32)晶体作为示例材料，因为它们具有可比的室温电性能，但与积极研究的弛豫铁电晶体PMN-PT相比，温度和电场稳定性大大提高。作者展示了菱面体晶体的相场模拟域结构，沿[011]方向（图1A-C）。只有两个具有极化沿的域变体[111]和图片方向保留在晶体中，形成71°畴壁。由于这些光散射畴壁的存在，当光束穿过晶体时，具有圆形横截面的633nm高斯光束被强烈散射（图2D）。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。
图1. [011]极化菱形PIN-PMN-PT晶体中每个域的模拟域模式和光学指标
图 2. [011] 取向菱面体 PIN-PMN-32PT 晶体的畴结构通过常规和高温方法极化
作者采用高温极化方法来降低钳位效应并消除光散射畴壁。具体来说，晶体被加热到~105°至115°C，因此处于斜方晶相。然后，通过施加5kVcm-1的电场，作者可以实现正交单畴结构。最后，通过施加电场将晶体缓慢冷却至室温。
由于改进的极化技术，目前的PIN-PMN-PT晶体的光学透射率大大高于先前报道的弛豫铁电晶体。通过在透明表面涂上抗反射膜可以进一步提高透光率，特别是在1064 nm波长处的透光率为99.6%，其中晶体的光吸收和表面反射损耗分别为0.16和0.24%。此外，PIN-PMN-32PT晶体的EO系数远高于先前报道的弛豫铁电晶体，与强烈的温度依赖性相比，PIN-PMN-32PT晶体的EO系数在频率方面表现出出色的稳定性。r33、r13和rc系数在10到104Hz的频率范围内表现出低于5%的微小变化。
图 3. 高温极化法沿[011]方向极化的PIN-PMN-PT晶体的透明度和电光特性
【材料器件应用】
为了展示PIN-PMN-PT晶体在实际应用中的竞争优势，作者构建并表征了电光Q开关。PIN-PMN-32PTQ开关的脉冲宽度约为1.8 ns，与商用Q开关相比略有改进。PIN-PMN-32PTQ开关可以在相对较宽的重复频率范围（10 Hz至2 kHz）和泵浦能量（~2.3至3.7 mJ）内产生更对称的脉冲，与基于DKDP和LN的同类产品相比，其脉冲宽度始终更窄，同时基于PIN-PMN-32PT的Q开关的体积大幅缩小一个数量级以上。
图4. 由透明PIN-PMN-32PT晶体制造的Q开关的关键性能
【作者简介】
李飞教授，西安交通大学电子科学与技术系教授，研究领域：铁电材料的性能与结构关系研究；压电材料与器件研究；铁电材料的相场模拟。
田浩教授，哈尔滨工业大学物理学院执行院长。研究方向为先进光子学材料与器件物理。入选“长江学者”青年学者、“龙江学者”特聘教授。现为黑龙江省光学学会副理事长、黑龙江省物理学会理事、中国光学学会全息与光信息处理专委会委员、中国稀土学会稀土晶体专业委员会委员、中国物理学会电介质物理专委会青年委员、电子元器件关键材料与技术专委会常务委员。
张树君教授，澳大利亚卧龙岗大学（University of Wollongong）教授，教育部长江学者奖励计划讲座教授，澳大利亚研究理事会未来学者计划教授。他是IEEE高级会员，担任IEEE Transaction UFFC、Journal of the American Ceramic Society、Journal of Electronic Materials等期刊的副主编，以及MDPI Crystals期刊Crystal Engineering部门的部门主编。2011年被IEEE UFFC协会授予“铁电领域青年科学家奖”。2015年被推选为IEEE UFFC协会2016-2018执行委员会委员。