铌酸锂的性质及应用

铌酸锂的性质及应用一、晶体基本介绍铌酸锂(LINbO3，LN)晶体是一种集压电、铁电、热释电、非线性、电光、光弹、光折变等性能于一体的多功能材料，具有良好的热稳定性和化学稳定性，可以利用提拉法生长出大尺寸晶体，而且易于加工，成本低，是少数经久不衰、并不断开辟应用新领域的重要功能材料。目前，已经在红外探测器、激光调制器、光通讯调制器、光学开关、光参量振荡器、集成光学元件、高频宽带滤波器、窄带滤波器、高频高温换能器、微声器件、激光倍频器、自倍频激光器、光折变器件(如高分辨的全息存储)、光波导基片和光隔离器等方面获得了广泛的实际应用，被公认为光电子时代光学硅的主要侯选材料之一。基于准相位匹配技术的周期极化铌酸锂 (PeriodieallyPoledLiNbO3，PPLN)，可以最大程度地利用其有效非线性系数，广泛应用于倍频、和频/差频、光参量振荡等光学过程，在激光显示和光通信领域具有广阔的应用前景，因而成为非常流行的非线性光学材料。二、基本化学性质铌酸锂晶体简称LN，属三方晶系，钛铁矿型(畸变钙钛矿型)结构，AB03型晶体结构的一种类型。其原子堆积为ABAB堆积，并形成畸变的氧八面体空隙，1/3被A离子占据，1/3被B离子占据，余下1/3则为空位。此类结构的主要特点是:A和B两种阳离子的离子半径相近，且比氧离子半径小得多。分子式为LiNbO3，分子量为147.8456。相对密度4.30，晶格常数a=0.5147 nm，c=1.3856 nm，熔点1240，莫氏硬度5，折射率n0=2.797，ne=2.208(=600 nm)，界电常数=44，=295，=84，=30，一次电光系数13=23=1010m/V，33=3210m/V22=-12=-61=6.810m/V，非线性系数d31=-6.310 m/V，d22=+3.610m/V，d33=-4710m/V。铌酸锂是一种铁电晶体，居里点1140，自发极化强度5010C/cm。经过畸化处理的铌酸锂晶体具有压电、铁电、光电、非线性光学、热电等多性能的材料，同时具有光折变效应。三、生长方法1、双柑祸连续加料法九十年代初，日本国立无机材料研究所采用了双坩埚连续加料技术生长化学计量比铌酸锂晶体。将烧结好的多晶料放于同心双坩埚中，外坩埚中的熔体可以通过底部的小孔流入内坩埚中，晶体生长装置配备粉末自动供给系统，根据单位时间内生长的晶体质量向外坩埚中加入与晶体组分相同的铌酸锂粉料，避免了生长过程中由于分凝造成的熔体组分的改变，从而可生长出高质量和光学均匀性的单晶。2、助熔剂法以氧化钾为助熔剂从化学计量比LiNb03熔体中生长SLN晶体。助熔剂的引入，降低了SLN的熔点，当氧化钾的浓度达到6wt%时，熔体温度大约降低了100 3、气相输运平衡技术气相输运平衡技术，是把薄的晶片放在富锂的气氛中进行高温热处理，使Li离子通过扩散进入到晶格中，从而提高晶片中的锂含量。Bordui等利用这一技术获得了具有不同组分的单晶。该方法只能制备薄的晶片，很难获得大块单晶。四、晶体掺杂掺镁、锌、铟或四价铅均可以提高晶体的抗光折变能力。掺铁、铜可以提高晶体的光折变性能，用于制作全息存储原型器件。掺钛可以改变晶体的折射率，用于制作光波导结构和器件。所谓光折变效应是指当入射到晶体上的激光功率密度超过一定限度的时候，晶体的折射率将发生一定的变化。光折变效应开拓了铌酸锂晶体在全息存储，光放大等方面的应用，同时它在一定程度上限制了频率转换，光参量振荡等方面的应用。杂质的种类、浓度和价态以及晶体的氧化、还原等化学处理也会对光折变性能产生影响。掺MgO的妮酸铿晶体，可使其抗激光损伤阈值成百倍的提高。普通铌酸锂晶体最重要的缺点之一就是，易受光折变损伤，通常消除这一效应的方法是将LN晶体保持在升温的状态(400K或更高)。另一条防止光折变损伤的途径是MgO掺杂。五、光学性质1、紫外可见光谱晶体的透过范围覆盖紫外、可见和近红外波段，可见光波段的透过率达到75%80%。CLN晶体的吸收边位于320.1nm，SLN晶体头部(SLN-H)和尾部 (SLN-T)的吸收边分别在305.0nm和305.6nm，MgOSLN晶体的吸收边为304.3nm。与同成分铌酸锂晶体相比，近化学计量比铌酸锂及掺镁晶体的吸收边朝着短波方向移动。2、折射率铌酸锂晶体是光学负单轴晶，只有折射率no和ne，其光轴方向为Z向。随着Li含量提高，o光折射率几乎不变，e光折射率明显降低，导致双折射率增大;掺镁导致近化学计量比铌酸锂晶体o光折射率减小，而e光折射率增大，双折射率减小。六、铌酸锂晶体在光电技术中的应用铌酸锂晶体是一种电光晶体（r32=32mp/v）现已成为重要的光波导材料。用LN晶体制作光波导器件已有很长历史，技术最成熟。用LN晶体制作集成光学器件可用于光纤陀螺，其特点是精度高和稳定性好，成本低。LN光波导器件的特点：a.电光效应大；b.制作波导的方法简单易行，性能再现性良好；c.光吸收小；d.损耗低，对波长依赖性小；e.基片尺寸大。利用LN晶体的光折变性能可制作光学体全息存储器件。具体实现方法是采用两束光（一束为参考光，另一束作为全息光）在记录媒质中，形成光栅结构的衍射，全息图便被记录在晶体内，理论上存储容量高达1012一 1013 bits/cm³。 LN晶体居里点高，压电效应强（d157.8*10 11C/N），机电耦合系数高0.68 ； 频率常数24003560Hz*m。在制作喷气机压力加速度计，钻探用压力传感器，大功率换能器，军方使用的声纳技术等领域已被广泛应用。南京大学的闵乃本院士等在LN晶片上制作出周期性交替变化的正负铁电畴（PPLN），构成超晶格材料。PPLN亦可应用于声学领域，例如，用PPLN已制作出几百至几千兆的谐振器和滤波器。七、铌酸锂调制器在外加电场的作用下，晶体的折射率、光吸收和光散射特性发生了变化，由此而产生的效应称为电光效应。当晶体折射率的改变与所加电场成正比时，即电场的一次项 ，这种电光效应称为线性电光效应，由Pokels于 1893年发现，也称为Pokels效应，一般发生于无对称中心晶体中，该效应是电光调制的基础。当晶体折射率的改变与所加电场强度的平方成正比时，即电场的二次项 ，这种电光效应由Kerr在 1875年发现，称为二次电光效应或称为Kerr电光效应，二次电光效应存在于一切晶体中。对LiNbO3晶体来说，线性电光效应比二次电光效应显著的多，因此调制器主要利用其线性电光效应进行调制。铌酸锂电光调制器的工作原理简单的描述为，当晶体特定方向施加电场作用时，由于电光效应导致晶体折射率的改变，继而引起晶体中传输光波的额外相位变化，从而达到调制光波的目的。常见的电光强度调制器是马赫-曾德尔(MZ)调制器，光波在光波导中传输至第一个3dB耦合器处，光波被分成相等的两路，光波在每个支路路分别通过光波导传送至第二个3dB耦合器处，两列波最后相干叠加。