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能植入小白鼠大脑的功能小晶体 山东省科学院“十年磨一晶”打造
◆导报记者 王伟济南报道
作为现代信息技术的基础，功能晶体在激光技术、核能、半导体、计算机的应用中，都起到了核心的基础材料作用。功能晶体的发展水平，直接关系到各领域的现代化程度。
近日，山东省科学院新材料研究所光转换材料与技术重点实验室历时多年研制出的适合二次电光效应的KTN电光调制器件，从技术上打破了二次电光晶体材料难以实用的传统认识，优化了晶体生长工艺。“较现有线性电光晶体相比，这项新技术使得调制效率提高了2个数量级。”在实验室，指着一台演示中的KTN电光开关，该实验室主任王旭平对经济导报记者说。
电压大降，易操控更安全
在实验室，经济导报记者看到，激光通过一个只有豆粒大小的立方形晶体，照射在终端的显示板上，电压不断升高，达到100伏时，激光经过晶体映射到显示板上的红点逐渐变弱，直至消失。这是一个用电压来控制激光的开关。此款电光开关的调制效率不仅远高于机械控制开关，在性能上也大大优于普通的电光开关。
济南晶众光电科技有限公司，是位于济南市高新区的一家专业从事激光光学器件研发、生产及销售的高新技术企业，电光开关是其生产的产品之一。山东省科学院新材料研究所光转换材料与技术重点实验室与该公司合作开发的这款开关，只需百伏电压就可自如控制激光开合，较以往生产的产品性能大大提升了。
“相比常用的几千伏电压，这款开关的电压只有100伏，易操控，也更加安全。”王旭平说。
更重要的是，这款开关所使用的晶体材料较普通材料有了极大改进，尤为突出的表现是尺寸大大缩小了。王旭平用手指捏着这个只有豆粒大小的晶体展示给经济导报记者看：“它的尺寸只有5毫米×3毫米×2毫米，比普通的体积减少了1/5。”
相比通常开关中使用的大块头晶体，这款开关在小型化和集成化的道路上远远走在了前面。
小小晶体功劳大
器件尺寸的缩小在实际应用中究竟有多么重要呢？
已有生物医学科研机构与省科学院光转换材料与技术重点实验室取得了联系，吸引他们的是该实验室研发的晶体的小尺寸。“做实验时植入小白鼠脑袋，大晶体是无法实现的，必须用这种小晶体。”王旭平解释说。
别看这款晶体小，性能可一点不比大晶体差，因为它的电光系数大大提高了，小小一颗就能替代大晶体的所有功能。
在生物医学领域，功能晶体的应用可谓广泛。神经线的运动速度是每秒100米，有医学研究机构找到王旭平，想利用他的新技术来捕捉神经线的运动轨迹。
“十年磨一晶。”小小尺寸的变化，凝聚的是大量的汗水和持之以恒的坚持。在技术改进上，王旭平和他的课题组付出了艰辛的努力。2005年开始，项目组开展了提拉法生长立方相KTN晶体的研究，近年来一直致力于改善KTN晶体的Kerr性能和光学质量研究。他们与北京大学、南开大学、中科院光电技术所等建立了紧密的合作关系，正分别开展基于KTN电光晶体应用于生物医学、光波导和空间测距等领域的高精尖应用。
值得关注的是，当前，功能晶体正朝着复合化、功能器件一体化的方向发展，以满足全固态激光“拓展波长”“超快”“超强”的发展趋势。激光技术领域，高质量、大尺寸和高热导率的激光晶体已引起广泛关注；非线性光学晶体、新型闪烁晶体、压电晶体、铁电晶体以及电光晶体也成为国际科技界研究的重点。
研究表明，基于钽铌酸钾晶体二次电光效应的光调制在降低驱动电压、减小器件尺寸方面更具优势，更能满足未来激光器宽波段、小型化、集成化发展的需要。
改用钼坩埚降低成本
2016年与山东晶瑞公司的合作，是王旭平的研究团队在产业化道路上的又一次尝试。
王旭平手拿一个装有晶体的器皿向经济导报记者展示：“这是做实验用于生长晶体的白金坩埚，直径8公分，价格就得十几万元。”
此前，晶瑞公司用于生产大尺寸晶体的器皿为铱坩埚，虽然价格较白金坩埚已大大降低，但是对企业来说，成本仍然很高：一个10公分口径的铱坩埚就重达3-5公斤。
不仅如此，晶瑞公司还发现，用铱坩埚做生成晶体的器皿，在加热过程中有挥发，会造成一定的损耗。如何才能降低生产成本呢？
在山东省科学院材料所研究团队的帮助下，晶瑞公司通过技术攻关，改用钼坩埚做器皿，成本大大降低。“钼坩埚生长大尺寸YAG激光晶体技术成功降低了该晶体的制备成本，为该公司年增产值近千万元。”王旭平说。
据他透露，今后他们还将继续整合相关优势单位，开展KTN系列晶体制备及其器件设计和应用研究。
业内预计，上述项目实施后市场前景广阔，同时可带动全省在全固态激光技术产业，乃至后续激光照明、激光显示灯领域的发展，提升山东省在激光领域的技术创新能力。同时，本项目的实施还可形成示范产业，推动相关优势学科方向加快从实验室到商品化的过渡进程，进而推动全省相关产业的发展。
