鈮酸鋰的性質(zhì)及應(yīng)用

1、鈮酸鋰的性質(zhì)及應(yīng)用一、晶體基本介紹鈮酸鋰（LINbO3 , LN）晶體是一種集壓電、鐵電、熱釋電、非線性、電 光、 光彈、光折變等性能于一體的多功能材料，具有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定 性，可以利用提 拉法生長出大 尺寸晶體，而且易于加 工，成本低，是少數(shù)經(jīng) 久不衰、并不斷開辟應(yīng)用新領(lǐng)域的重要功能材料。目前，已經(jīng)在紅外探測(cè)器、激光調(diào)制器、光通訊調(diào)制器、光學(xué)開關(guān)、光參量振蕩器、集成光學(xué)元件、高頻寬帶濾波器、窄帶濾波器、高頻高溫?fù)Q能器、微聲器件、激光倍頻器、自 倍頻激光器、光折變器件（如高分辨的全息存儲(chǔ)）、光波導(dǎo)基片和光隔離器等方 面獲得了廣泛 的實(shí)際應(yīng)用，被公認(rèn)為光 電子時(shí)代光學(xué)硅的主要侯選材料之

2、一?；跍?zhǔn)相位匹配技術(shù)的周期極化鈮酸鋰（PeriodieallyPoledLiNbO3 ，PPLN），可以最大程度 地利用其有效非線性系數(shù)，廣泛應(yīng)用于倍頻、和頻/差頻、光參量振蕩等光學(xué)過程，在激光顯示和光通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，因而成 為非常流行的非線性光學(xué)材料。二、基本化學(xué)性質(zhì)鈮酸鋰晶體簡(jiǎn) 稱LN，屬三方晶系，鈦鐵礦 型（畸變鈣鈦礦型）結(jié)構(gòu)，AB03 型晶體結(jié)構(gòu)的一種類型。其原子堆積為ABAB堆積，并形成畸變的氧八面體空隙，1/3被A離子占據(jù)，1/3被B離子占據(jù)，余下1/3則為空位。此類結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是:A和B兩種陽離子的離子半徑相 近，且比氧離子半徑小得多。分子式 為LiNbO3，分子

3、量為147.8456。相對(duì)密 度4.30，晶格常數(shù) a=0.5147 nm， c=1.3856 nm，熔點(diǎn) 1240C,莫氏硬 度 5,折射率 n0=2.797，ne=2.208（入=600 nm） 界電常數(shù) & =44 & =29 5， & =84 & =30 一次電光系 數(shù)丫 13= 丫 23=10X 10m/V 丫 33=32X 10m/V r 22= 丫 12= 丫 61=6.8 X 10m/V非線性系 數(shù) d3仁-6.3 X0 m/V， d22=+3.6 X10m/V，d33=-47 X10m/V。鈮酸鋰是 一種鐵電晶體，居里點(diǎn)1140C，自發(fā)極化強(qiáng)

4、度50X10C/cm'。經(jīng)過畸化處理的鈮酸鋰晶體具有壓電、鐵電、光電、非線性光 學(xué)、熱電等多性能的材料，同時(shí)具有光折變效應(yīng)。_-二二 Co zA “i瞬I昵股民陋悴味胞三、生長方法1、雙柑禍連續(xù)加料法九十年代初，日本國立無機(jī)材料研究所采用了雙坩堝連續(xù)加料技術(shù)生長化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰晶體。將燒結(jié)好的多晶料放于同心雙坩堝中，外坩堝中的熔體可以 通過底部的小孔流入內(nèi)坩堝中，晶體生長裝置配備粉末自動(dòng)供給系統(tǒng)，根據(jù)單位 時(shí)間內(nèi)生長的晶體質(zhì)量向外坩堝中加入與晶體組分相同的鈮酸鋰粉料，避免了生 長過程中由于分凝造成的熔體組分的改變，從而可生長出高質(zhì)量和光學(xué)均勻性的 單晶。2、助熔劑法以氧化鉀為助熔劑從化

5、學(xué)計(jì)量比 LiNbO3熔體中生長SLN晶體。助熔劑的引入，降低了 SLN的熔點(diǎn)，當(dāng)氧化鉀的濃度達(dá)到6wt%時(shí)，熔體溫度大約降低了 100 C3、氣相輸運(yùn)平衡技術(shù)氣相輸運(yùn)平衡技術(shù)，是把薄的晶片放在富鋰的氣氛中進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚筁i離子通過擴(kuò)散進(jìn)入到晶格中，從而提高晶片中的鋰含量。Bordui等利用這一技術(shù)獲得了具有不同組分的單晶。該方法只能制備薄的晶片，很難獲得大塊單晶。四、晶體摻雜摻鎂、鋅、銦或四價(jià)鉛均可以提高晶體的抗光折變能力。摻鐵、銅可以提高 晶體的光折變性能，用于制作全息存儲(chǔ)原型器件。摻鈦可以改變晶體的折射率， 用于制作光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和器件。所謂光折變效應(yīng)是指當(dāng)入射到晶體上的激光功率密 度超

6、過一定限度的時(shí)候，晶體的折射率將發(fā)生一定的變化。光折變效應(yīng)開拓了鈮 酸鋰晶體在全息存儲(chǔ)，光放大等方面的應(yīng)用，同時(shí)它在一定程度上限制了頻率轉(zhuǎn) 換，光參量振蕩等方面的應(yīng)用。雜質(zhì)的種類、濃度和價(jià)態(tài)以及晶體的氧化、還原 等化學(xué)處理也會(huì)對(duì)光折變性能產(chǎn)生影響。摻 MgO的妮酸鏗晶體，可使其抗激光損 傷閾值成百倍的提高。普通鈮酸鋰晶體最重要的缺點(diǎn)之一就是，易受光折變損傷， 通常消除這一效應(yīng)的方法是將 LN晶體保持在升溫的狀態(tài)（400K或更高）。另一條 防止光折變損傷的途徑是MgO摻雜。韓立英寸SLN M(c) 2英寸MfiOSLN為W(d)播雜ELM萌棒五、光學(xué)性質(zhì)1、紫外可見光譜A T- fr t T -

7、7EU1 luuuEgoUQfldj 口W04I1I1IB200他伽ADO 1200IIWavelert-glh (iim|i e)砸收邊晶體的透過范圍覆蓋紫外、可見和近紅外波段，可見光波段的透過率達(dá)到75% 80%。CLN晶體的吸收邊位于320.1 nm, SLN晶體頭部(SLN-H)和尾部(SLN-T) 的吸收邊分別在305.0nm和305.6nm, MgOSLN晶體的吸收邊為 304.3nm。與同成 分鈮酸鋰晶體相比，近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰及摻鎂晶體的吸收邊朝著短波方向移動(dòng)。他 軸気電050320-1CLHS1N-T -一 SLN-HMgOSLN2、折射率鈮酸鋰晶體是光學(xué)負(fù)單軸晶，只有折射率

8、no和ne,其光軸方向?yàn)閆向。隨著 Li含量提高，o光折射率幾乎不變，e光折射率明顯降低，導(dǎo)致雙折射率增大；摻鎂 導(dǎo)致近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰晶體 o光折射率減小，而e光折射率增大，雙折射率減 小。六、鈮酸鋰晶體在光電技術(shù)中的應(yīng)用鈮酸鋰晶體是一種電光晶體(r32=32mp/v)現(xiàn)已成為重要的光波導(dǎo)材料。用 LN晶體制作光波導(dǎo)器件已有很長歷史，技術(shù)最成熟。用LN晶體制作集成光學(xué)器件可用于光纖陀螺，其特點(diǎn)是精度高和穩(wěn)定性好，成本低。LN光波導(dǎo)器件的特點(diǎn)： a.電光效應(yīng)大；b.制作波導(dǎo)的方法簡(jiǎn)單易行，性能再現(xiàn)性良好；c.光吸收小；d損耗 低，對(duì)波長依賴性?。籩.基片尺寸大。利用LN晶體的光折變性能可制作光

9、學(xué)體全息存儲(chǔ)器件。具體實(shí)現(xiàn)方法是采用 兩束光(一束為參考光，另一束作為全息光)在記錄媒質(zhì)中，形成光柵結(jié)構(gòu)的衍 射,全息圖便被記錄在晶體內(nèi)，理論上存儲(chǔ)容量高達(dá)1012一 1013 bits/cm³。LN晶體居里點(diǎn)高，壓電效應(yīng)強(qiáng)(d15= 7.8*10 -1C/N),機(jī)電耦合系數(shù)高0.68 ； 頻率常數(shù)2400- 3560Hz*m。在制作噴氣機(jī)壓力加速度計(jì)，鉆探用壓力傳感器，大 功率換能器，軍方使用的聲納技術(shù)等領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用。南京大學(xué)的閔乃本院士等在 LN晶片上制作出周期性交替變化的正負(fù)鐵電疇 (PPLN),構(gòu)成超晶格材料。PPLN亦可應(yīng)用于聲學(xué)領(lǐng)域，例如，用 PPLN已制作

10、出幾百至幾千兆的諧振器和濾波器。七、鈮酸鋰調(diào)制器在外加電場(chǎng)的作用下，晶體的折射率、光吸收和光散射特性發(fā)生了變化，由 此而產(chǎn)生的效應(yīng)稱為電光效應(yīng)。當(dāng)晶體折射率的改變與所加電場(chǎng)成正比時(shí)，即電 場(chǎng)的一次項(xiàng)，這種電光效應(yīng)稱為線性電光效應(yīng)，由 Pokels于1893年發(fā)現(xiàn)，也 稱為Pokels效應(yīng)，一般發(fā)生于無對(duì)稱中心晶體中，該效應(yīng)是電光調(diào)制的基礎(chǔ)。當(dāng) 晶體折射率的改變與所加電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比時(shí)，即電場(chǎng)的二次項(xiàng)，這種電光效應(yīng)由Kerr在1875年發(fā)現(xiàn)，稱為二次電光效應(yīng)或稱為 Kerr電光效應(yīng)，二次電光 效應(yīng)存在于一切晶體中。對(duì)LiNbO3晶體來說，線性電光效應(yīng)比二次電光效應(yīng)顯著 的多，因此調(diào)制器主要利用其線性電光效應(yīng)進(jìn)行調(diào)制。鈮酸鋰電光調(diào)制器的工作原理簡(jiǎn)單的描述為，當(dāng)晶體特定方向