【参赛】【晶体创作】“冰心玉壶”——磷酸二氢钾晶体退偏振器件
邢珈凡
潍坊文华学校
杂工15442022/02/14原创 晶体养成所物理 IP:山东
中文摘要
用恒温蒸发法制备了KDP晶体,并对晶体进行加工封装制成退偏振器件。
关键词
KDP磷酸二氢钾恒温蒸发法晶体电光效应偏振光学器件

零、基本信息

本作品参加晶体创作比赛的“加工”“功能”“报告”三个维度。下图为未加工前晶体尺寸与透明度展示,其余图片将插入到下文中相应位置。

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一、理论基础与创作思路

这玩意儿实际上是个(由于精密加工能力一片空白)失败的泡克尔斯盒的一部分……我要真想做退偏器我绝对不会去打磨加工,直接用就得了。

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磷酸二氢钾晶体是典型的单轴双折射晶体,对于650nm的光,其$n_o=1.5067$,$n_e=1.4664$。当光沿y向传播时,x向偏振的光(e光)与z向偏振的光(o光)就会出现一个相位差,对于波长650nm的光,其o光与e光经过约16μm后就会附加一个2π的相位差。设线偏振光的偏振方向与x轴和z轴均成45度,那么o光与e光差kπ+π/2的相位时输出的是圆偏振光,差2kπ时输出的是原方向的线偏振光,差2kπ+π时输出的是与原方向垂直的偏振光,介于这之间的为椭圆偏振光。因为光源的发光光谱有一定宽度,不同波长的光经过同样光程产生的相位差不同,且晶体的xz面平整度比较差,从不同位置输入的偏振光经过的光程不同,因而出射的光各种偏振态都有,这些偏振态相互叠加,就实现了退偏振。但当入射偏振光方向与光轴平行或垂直时,其退偏振效果消失,因为晶体中只有o或e光传播,偏振态不发生改变。

二、晶体胚料生长

本文使用的晶体是在自制的恒温恒湿生长装置中用水溶液蒸发法生长得到的。恒温恒湿装置由废旧酸奶机(恒温40摄氏度)改造而成,在其中放入变色硅胶干燥剂控制湿度。该方法可以得到高品质的大单晶,不易受外界环境变化影响而导致透明度降低。 IMG20220204173418.jpg IMG20220204201440.jpg

水分迅速蒸发,自发成核,开始生长

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长到较大尺寸,担心继续生长连在一起,准备取出

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取出后未经加工的晶体

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大家可能注意到晶体尺寸不算大,这是因为同类大晶体生长在业余界已经是烂大街的成熟技术,但是需要较长的时间与较多的精力投入,而展示该晶体的一些简单的应用并不需要太大的晶体,所以就没有制备尺寸更大的晶体。当然假如实际应用于高功率激光器中,那么更大尺寸的高质量晶体是必需的。

三、晶体加工与封装

黄豆大的晶体就没必要(事实上也没法)去切片了吧……只要把两边的锥磨掉,磨出一个z向的平面来,就可以用于电光效应实验了。就纯手磨,没用任何机械设备。当然这是条件不行,等着哪天富裕了咱弄台CNC来,长上个巴掌大的KDP晶体出来,给咱科创的各位老哥切吧切吧分了,从此电光调Q激光白菜化(行啦行啦,别做梦啦,鸽哨声伴着起床号音啦😂

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拿个竹夹子夹住晶体,放在喷过水的木头板上磨,势如破竹,几分钟就能完全磨掉整个锥体。

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上面的已经被磨掉了。

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先后用1000目砂纸,2000目砂纸与眼镜布抛光两个刚磨出来的z平面,这一步没有图。

但是,打磨出来之后我傻了眼,沿z轴传播的光有着与入射光偏振方向无关的退偏,怀疑是由打磨精度导致的,于是做电光效应的想法凉透了……然后废物利用一下玩儿个退偏振器件吧。

为了降低光在表面上的散射,同时保护晶体,将制备好的晶体包裹进果冻蜡之中。果冻蜡是一种透明度很高的蜡,由液体石蜡和丁苯橡胶混合制成。经查询,液体石蜡折射率约为1.48,与KDP相差较小,可以起到较好的减反射作用。下图为Q弹的果冻蜡,得做好标记,别叫小孩儿给当果冻吃了。

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本想把果冻蜡浇到一个小玻璃瓶中,结果浇完之后玻璃不小心摔碎了,于是把浇注好的蜡取出,加工表面之后就可以作为退偏器件了。

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四、退偏效果测试

这里放几张图,晚些时候把更多测试的视频剪辑一下参加视频项目的比赛。

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五、一个暂时没想明白的问题

KDP晶体中,光沿x或y方向传播,均应有与入射偏振光偏振方向有关的退偏振现象,当偏振光平行或垂直于光轴时该现象消失。而当光线沿z轴传播时,不应该有晶体特性导致的退偏振,但是却在z方向观察到了与入射偏振光偏振方向几乎无关的退偏振。假如这个退偏振现象是由表面的粗糙导致的,那么为何压根就没打磨抛光的x/y方向却没有出现与入射光偏振方向无关的退偏振?为什么表面更加粗糙的单晶冰糖也没有?假如不是,那么是由什么机制导致的退偏振?这实际上就是我制作泡克尔斯盒失败的原因,在此向大家请教,不知各位专家有何高见?

六、其他晶体展示

尝试用暖瓶控制降温速率实现顶部籽晶降温法生长的翻车作品

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可能是科创长径比最大的晶体,干燥剂蒸发法尿素

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乙醇溶剂生长的二茂铁,碎了一烧杯底,做成了黄晶雨

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跟尿素一模一样方法长出来的硫酸铜,以及往硫酸铜母液里面掺入大量氯化铵废液出奇迹搞出来的不知名晶体(怀疑是四氯铜铵,改天想个法子分析一下)

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最后,祝论坛管理员同志,评委同志,各位参赛选手,各位网友情人节快乐!祝科创有情人终成眷属!

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上图为拿50W绿光LED+涂过红色荧光笔的白纸作为光源的灯笼,大概是全村最亮了吧😂

附:写了没派上用场的泡克尔斯效应介绍

泡克尔斯效应及其物理机制已在笔者参赛作品《从几道物理竞赛趣题看近稳恒电磁场与光波在晶体中的相互作用及其应用》中简要介绍,在此不再赘述,仅针对磷酸二氢钾(下文简称KDP)的泡克尔斯效应作一简要介绍。当沿磷酸二氢钾z轴加上外加电场时,其将变为双轴晶体,电场方向沿x',y',z的光的折射率分别为$n_o-kE$,$n_o+kE$,$n_e$。将磷酸二氢钾晶体沿x'Oy'平面切割,让光沿z方向传播,则其两个方向的偏振光就产生光程差,这个光程差只与外加电压大小和晶体本身性质有关,与晶体厚度无关,且在外加电压等于0时光程差为0,这就是泡克尔斯效应的纵向应用。而若使光沿x'或y'传播,在加电场后也能产生附加的光程差,这就是泡克尔斯效应的横向应用,但是此光程差与晶体切割形状有关,且在无外加电场时还有自然双折射贡献的光程差,这一光程差随温度的变化非常显著(对于10mm长度的晶体温度变化1摄氏度就可以使可见光两偏振方向的相位差变化π量级),若不采取恒温或补偿措施将导致电光调制晶体无法正常使用。因此我们选择了纵向应用的方式。

泡克尔斯盒的结构如下图。当无外加电场时,入射晶体的线偏振光在x'和y'的分量无相位差,在出射偏振片处发生相长干涉,从而使得偏振光能顺利通过。当有外加电场时,两偏振光出现相位差,干涉后光强下降,当相位差增加到π时,光强下降到最小,此时的电压被称为半波电压,对于KDP而言,其纵向应用的半波电压约为8kV。

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+1  科创币    zRed洲虹    2022/02/14 资瓷
+150  科创币    科创人民很行    2022/05/27 单项一等奖-加工
+150  科创币    科创人民很行    2022/05/27 单项一等奖-功能
+600  科创币    科创人民很行    2022/05/27 综合奖-银奖
来自:晶体培育 / 晶体养成所数理化 / 物理动手实践:实验报导
2
6
zRed洲虹
11个月25天前 IP:四川
1楼

支持!祝科创的有情人终成眷属!

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哈哈哈哈哈士奇
11个月25天前 IP:陕西
2楼

【成功参赛】作品序号:4;作品类型:晶体创作

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杂工1544
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文章
18
回复
295
学术分
1
2021/05/20注册,3时11分前活动

CQCQCQ,这里是干啥啥不行吃啥啥不剩的BI4KUF 出售:河图、天书、麒麟、獬豸、灵龟、龙马、白鱼、丹鲤、嘉禾(九穗),瑞麦(三岐),独眼石人(代埋代挖 ),黄帛绢书(代塞鱼腹)、黄袍(送货上门)、黄鸟之旗等

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