摻雜對(duì)材料光學(xué)性能的影響 演示文稿課件

缺陷對(duì)LiNb03光折變性能的影響鈮酸鋰晶體簡(jiǎn)介鈮酸鋰晶體的結(jié)構(gòu)鈮酸鋰晶體的本征缺陷鈮酸鋰晶體的非本征缺陷光折變效應(yīng)簡(jiǎn)介L(zhǎng)iNb03晶體的光折變效應(yīng)的基本過(guò)程摻鐵鈮酸鋰晶體光折變性能的優(yōu)化鈮酸鋰晶體簡(jiǎn)介鈮酸鋰(LiNb03，LN)晶體是具有氧八面體結(jié)構(gòu)的鐵電體。它集壓電、電光、聲光、光學(xué)非線性和光折變等效應(yīng)于一身，在光調(diào)制、光信息放大、光開(kāi)關(guān)和光波導(dǎo)等眾多方面有著廣泛的應(yīng)用，特別吸引人的是它在光全息存儲(chǔ)領(lǐng)域的應(yīng)用前景，是迄今人們所發(fā)現(xiàn)的光學(xué)性能最多、綜合指標(biāo)最好的人工晶體。四十多年來(lái)，人們對(duì)LiNb03晶體進(jìn)行了大量的研究，主要集中在以下幾個(gè)方面口：(1)晶體生長(zhǎng)、晶體結(jié)構(gòu)及缺陷、摻雜離子在晶體中占位的研究；(2)摻雜對(duì)LiNb03晶體性能的影響：(3)LiNb03作為基片的光波導(dǎo)器件的研究(4)LiNb03晶體的光折變性能及相關(guān)器件的研究(5)摻雜稀土元素的LiNb03晶體的發(fā)光及相關(guān)器件的研究(6)LiNb03晶體中聚邊多疇的研(7)不同[Li]／[Nbl比對(duì)LiNb03晶體性能影響的研究(8)化學(xué)計(jì)量比LiNb03晶體的生長(zhǎng)及性能研究這些研究使得人們對(duì)LiNb03晶體有了較全面的了解，促使這種晶體得以實(shí)用化。在高溫狀念的順電相為

點(diǎn)群，在低溫的鐵電相，其結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，成為3m點(diǎn)群。在LiNb03的晶體結(jié)構(gòu)中，負(fù)離子

堆積成品格骨架，形成平面層，沿c軸方向堆積，正離子“和”填充在骨架中。順電相時(shí)，每個(gè)堆垛中氧八面體按下述順序交替出現(xiàn)。一個(gè)中心有Nb的氧八面體，兩個(gè)在其公共面上有Li的氧八面體。在順電相，Li和Nb分別位于氧平面和氧八面體中心，無(wú)自發(fā)極化。在鐵電相，Li和Nb都發(fā)生了沿c軸的位移，前者離開(kāi)了氧八面體的公共面，后者離開(kāi)了氧八面體的中心，造成了沿c軸的電偶極矩，即出現(xiàn)了自發(fā)極化。鈮酸鋰晶體的本征缺陷在通常情況下鈮酸鋰晶體都處于缺Li的狀念，即Li／Nb<1。造成這一現(xiàn)象的原因是：

和

具有幾乎相同的離子半徑(分別為0．68A和0．69A)，且二者均被畸變的氧八面體包圍，處于相似的品格環(huán)境中，但

—鍵要比比—鍵強(qiáng)得多，所以LiNb03晶體的組分有偏離其化學(xué)計(jì)量比的趨勢(shì)。1.氧空位模型：由于鋰的缺少，在鈮酸鋰品格中形成鋰空位，同時(shí)形成相應(yīng)數(shù)量的氧空位來(lái)實(shí)現(xiàn)電荷的補(bǔ)償。2.鈮空位模型：LiNb03晶體中不存在氧空位，由于鋰缺少而造成的鋰空位全部由鈮填滿，形成反位鈮

，電荷的平衡是在鈮位形成相應(yīng)數(shù)量的鈮空位心

來(lái)實(shí)現(xiàn)的。3.鋰空位模型：同成分鈮酸鋰晶體中不存在氧空位，鋰的缺少導(dǎo)致鋰空位，為了保證晶體的電中性，一部分鈮占據(jù)鋰位來(lái)實(shí)現(xiàn)電荷的補(bǔ)償，這時(shí)鈮酸鋰晶體的結(jié)構(gòu)可寫為摻入光折變敏感離子：

和某些變價(jià)元素，這些雜質(zhì)在光激發(fā)過(guò)程中充當(dāng)著電荷施主與受主的作用，參與光折變材料的電荷輸運(yùn)過(guò)程，從而提高了晶體的光折變性能。摻入光折變敏感雜質(zhì)的鈮酸鋰晶體廣泛的應(yīng)用于全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、全息關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)、相位共軛、光放大等領(lǐng)域。其中，F(xiàn)e：LiNb03晶體已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外光學(xué)體全息存儲(chǔ)和識(shí)別系統(tǒng)中的首選材料。摻入抗光折變雜質(zhì)離子抗光折變離子包括鎂

銦

、鈧

等，這種雜質(zhì)離子摻進(jìn)LiNb03中都有一個(gè)閾值濃度，通常要超過(guò)其閾值濃度才起到較明顯的作用。當(dāng)達(dá)到或超過(guò)閩值濃度的摻雜LiNb03晶體抗光損傷性能比純LiNb03晶體提高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)晶體的響應(yīng)時(shí)間縮短，衍射效率降低。摻進(jìn)抗光損傷雜質(zhì)離子的LiNb03晶體用于制做倍頻、調(diào)制器、Q開(kāi)關(guān)、參量振蕩器等器件摻入稀土族元素以LiNb03晶體作為固體激光基質(zhì)材料，通過(guò)摻入激活劑，獲得激光晶體。這方面工作集中在選擇稀土離子作摻雜劑，并對(duì)其吸收、激發(fā)、發(fā)射、熒光壽命等各種光譜性能進(jìn)行研究。已有報(bào)道的摻雜稀土離子包等。利用抗光損傷能力較強(qiáng)的Mg：LiNb03、zn：LiNbO3或In:LiNb03，代替純LiNb03作激光基質(zhì)材料，更為優(yōu)越。光折變效應(yīng)簡(jiǎn)介光折變效應(yīng)(Phocorefractiveeffect)是光致折射率變化的效應(yīng)的簡(jiǎn)稱，它是指在電光和光電導(dǎo)材料中，因光輻照導(dǎo)致的折射率變化現(xiàn)象。這種折射率變化不僅能將光的空間分布轉(zhuǎn)化為折射率的空間分布，記錄光的空問(wèn)信息，而且因光輻照所形成的折射率非局域分布會(huì)反作用于入射光波，引發(fā)光束問(wèn)能量的耦合和空間信息的傳遞。光折變材料具有靈敏度高，可反復(fù)擦除記錄，可實(shí)時(shí)處理等獨(dú)特功能，在許多領(lǐng)域都有十分重要的用途。例如在光學(xué)信息存儲(chǔ)、光學(xué)信息處理、光邏輯運(yùn)算、光相位共軛等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，特別是旨在以“光子”取代“電子”的“信息高速公路”工程中，可望發(fā)揮重要作用。LiNb03晶體的光折變效應(yīng)的基本過(guò)程LiNb03晶體中存在著某些雜質(zhì)或缺陷，這些雜質(zhì)或缺陷充當(dāng)電荷的施主或受主。當(dāng)晶體在調(diào)制光的輻照下，雜質(zhì)或缺陷上的電荷受光激發(fā)而進(jìn)入導(dǎo)帶或價(jià)帶，在導(dǎo)帶或價(jià)帶中電子或空穴由于濃度梯度而擴(kuò)散，或由于外加電場(chǎng)而漂移，或由于光生伏特效應(yīng)(LiNb03）晶體屬于鐵電晶體，其晶胞結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱導(dǎo)致了一個(gè)自發(fā)電極矩，經(jīng)過(guò)單疇處理后的晶體，每個(gè)晶胞的自發(fā)電極矩取向不一致，從宏觀上看形成了一個(gè)內(nèi)電場(chǎng)，光生載流子在此內(nèi)電場(chǎng)作用下產(chǎn)生遷移)而運(yùn)動(dòng)。這些運(yùn)動(dòng)著的電子或空穴被受主俘獲。這樣，電子或空穴由于光激發(fā)、遷移，最后被俘獲而使這些雜質(zhì)或缺陷上的電荷分布有了變化，形成了與光強(qiáng)的調(diào)制變化相對(duì)應(yīng)的空問(wèn)電荷分布，從而產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的空間電荷場(chǎng)?？臻g電荷場(chǎng)再通過(guò)電光效應(yīng)使晶體的折射率發(fā)生調(diào)制變化，形成光折變體位相柵。摻鐵鈮酸鋰晶體光折變性能的優(yōu)化從光折變效應(yīng)的基本過(guò)程可以看出，光折變效應(yīng)產(chǎn)生的基礎(chǔ)是在光折變晶體內(nèi)產(chǎn)生光激發(fā)電荷載流子，其根源是晶體內(nèi)的雜質(zhì)缺陷和本征缺陷，它們被統(tǒng)稱為光折變中心。因此，要想調(diào)節(jié)或優(yōu)化Fe：LiNb03晶體的光折變性能，改變其雜質(zhì)或本征缺陷狀況是優(yōu)化其光折變性能的重要途徑。1共摻抗光折變雜質(zhì)對(duì)Fe：LiNb03晶體的影響：目前為止，發(fā)現(xiàn)的抗光折變雜質(zhì)離子主要有Mg、Zn、Sc、In等具有單一價(jià)態(tài)和滿殼層結(jié)構(gòu)的離子，它們可以降低晶體的光折變性能，提高晶體的抗光致散射能力。2氧化還原對(duì)Fe：LiNb03晶體的影響：氧化和還原處理是通過(guò)一些化學(xué)反應(yīng)，改變晶體內(nèi)缺陷中心的性質(zhì)，如摻雜離子的氧化態(tài)、空位的濃度等，進(jìn)而影響晶體的光折變性能3.[Lil／lN