掺杂对材料光学性能的影响

缺陷对LiNb03光折变性能的影响李莹 1.铌酸锂晶体简介2.铌酸锂晶体的结构3.铌酸锂晶体的本征缺陷4.铌酸锂晶体的非本征缺陷5.光折变效应简介6. LiNb03晶体的光折变效应的基本过程7.掺铁铌酸锂晶体光折变性能的优化 铌酸锂晶体简介铌酸锂(LiNb03，LN)晶体是具有氧八面体结构的铁电体。它集压电、电光、声光、光学非线性和光折变等效应于一身，在光调制、光信息放大、光开关和光波导等众多方面有着广泛的应用，特别吸引人的是它在光全息存储领域的应用前景，是迄今人们所发现的光学性能最多、综合指标最好的人工晶体。四十多年来，人们对LiNb03晶体进行了大量的研究，主要集中在以下几个方面口： (1)晶体生长、晶体结构及缺陷、掺杂离子在晶体中占位的研究； (2)掺杂对LiNb0 3晶体性能的影响： (3)LiNb03作为基片的光波导器件的研究 (4)LiNb03晶体的光折变性能及相关器件的研究 (5)掺杂稀土元素的LiNb03晶体的发光及相关器件的研究 (6) LiNb0 3晶体中聚边多畴的研 (7)不同LiNbl比对LiNb03晶体性能影响的研究 (8)化学计量比LiNb03晶体的生长及性能研究 这些研究使得人们对LiNb03晶体有了较全面的了解，促使这种晶体得以实用化。 铌酸锂晶体的结构LiNb03晶体属三方晶系，其结构可视为由氧原子的畸变六角密堆积形成三种氧八面体，最小的八面体由Nb离子占据，体积居间八面体为Li离子群占据，而最大的八面体为空离子占据，而最大的八面体为空(用“口”表示) m在高温状念的顺电相为 点群，在低温的铁电相，其结构发生畸变，成为3m点群。在LiNb03的晶体结构中，负离子 堆积成品格骨架， 形成平面层，沿c轴方向堆积，正离子“ 和 ”填充在骨架中。顺电相时，每个堆垛中氧八面体按下述顺序交替出现。一个中心有Nb的氧八面体，两个在其公共面上有Li的氧八面体。在顺电相，Li和Nb分别位于氧平面和氧八面体中心，无自发极化。在铁电相，Li和Nb都发生了沿c轴的位移，前者离开了氧八面体的公共面，后者离开了氧八面体的中心，造成了沿c轴的电偶极矩，即出现了自发极化。 铌酸锂晶体的本征缺陷在通常情况下铌酸锂晶体都处于缺Li的状念，即LiNb1。造成这一现象的原因是： 和 具有几乎相同的离子半径(分别为068A和069A)，且二者均被畸变的氧八面体包围，处于相似的品格环境中，但 键要比比 键强得多，所以LiNb03晶体的组分有偏离其化学计量比的趋势。 1.氧空位模型：由于锂的缺少，在铌酸锂品格中形成锂空位，同时形成相应数量的氧空位来实现电荷的补偿。 2. 铌空位模型：LiNb03晶体中不存在氧空位，由于锂缺少而造成的锂空位全部由铌填满，形成反位铌 ，电荷的平衡是在铌位形成相应数量的铌空位心 来实现的。 3.锂空位模型：同成分铌酸锂晶体中不存在氧空位，锂的缺少导致锂空位，为了保证晶体的电中性，一部分铌占据锂位来实现电荷的补偿，这时铌酸锂晶体的结构可写为 铌酸锂晶体的非本征缺陷因为LiNb03晶体具有氧八面体结构，该结构的特殊性使得LiNb03晶体几乎可以掺入所有的会属离子，按照人们预期的目标束调节，晶体的性能。对光学方面应用的LiNb03晶体掺杂方面的研究，主要是围绕以下几个方面展开：掺入光折变敏感离子掺入抗光折变杂质离子抗光折变离子掺入稀土族元素 掺入光折变敏感离子： 和某些变价元素，这些杂质在光激发过程中充当着电荷施主与受主的作用，参与光折变材料的电荷输运过程，从而提高了晶体的光折变性能。 掺入光折变敏感杂质的铌酸锂晶体广泛的应用于全息数据存储、全息关联存储、相位共轭、光放大等领域。其中，Fe：LiNb03晶体已经成为国内外光学体全息存储和识别系统中的首选材料。 掺入抗光折变杂质离子抗光折变离子包括镁 铟 、钪 等，这种杂质离子掺进LiNb03中都有一个阈值浓度，通常要超过其阈值浓度才起到较明显的作用。当达到或超过闽值浓度的掺杂LiNb03晶体抗光损伤性能比纯LiNb03晶体提高12个数量级，同时晶体的响应时间缩短，衍射效率降低。掺进抗光损伤杂质离子的LiNb03晶体用于制做倍频、调制器、Q开关、参量振荡器等器件 掺入稀土族元素以LiNb03晶体作为固体激光基质材料，通过掺入激活剂，获得激光晶体。这方面工作集中在选择稀土离子作掺杂剂，并对其吸收、激发、发射、荧光寿命等各种光谱性能进行研究。已有报道的掺杂稀土离子包 等。利用抗光损伤能力较强的Mg：LiNb03、zn：LiNbO3或In:LiNb03，代替纯LiNb03作激光基质材料，更为优越。 大量实验表明：LiNb03晶体的物理性质强烈地依赖于晶体中的非本征缺陷结构，晶体中的杂质离子极其敏感地影响着晶体的性能。因为LiNb03晶体中“Li位和Nb位具有相似的环境，杂质离子进入晶体后，很难区分它们是占据Li位还是Nb位。所以多年来，人们一直努力研究杂质离子在LiNb03晶格中的占位方式。近几年来，人们利用先进的实验设备和方法，较精确地确定了各种离子在晶体中的占位。下面我们给出了已经研究的杂质离子在LiNb03晶体中的占位情况：1. H离子的占位 2.掺杂金属离子在LiNb03晶体的占位 光折变效应简介光折变效应(Phocorefractive effect)是光致折射率变化的效应的简称，它是指在电光和光电导材料中，因光辐照导致的折射率变化现象。这种折射率变化不仅能将光的空间分布转化为折射率的空间分布，记录光的空问信息，而且因光辐照所形成的折射率非局域分布会反作用于入射光波，引发光束问能量的耦合和空间信息的传递。光折变材料具有灵敏度高，可反复擦除记录，可实时处理等独特功能，在许多领域都有十分重要的用途。例如在光学信息存储、光学信息处理、光逻辑运算、光相位共轭等诸多领域有着广泛的应用前景，特别是旨在以“光子”取代“电子”的“信息高速公路”工程中，可望发挥重要作用。 LiNb03晶体的光折变效应的基本过程 LiNb03晶体中存在着某些杂质或缺陷，这些杂质或缺陷充当电荷的施主或受主。当晶体在调制光的辐照下，杂质或缺陷上的电荷受光激发而进入导带或价带，在导带或价带中电子或空穴由于浓度梯度而扩散，或由于外加电场而漂移，或由于光生伏特效应(LiNb03）晶体属于铁电晶体，其晶胞结构的不对称导致了一个自发电极矩，经过单畴处理后的晶体，每个晶胞的自发电极矩取向不一致，从宏观上看形成了一个内电场，光生载流子在此内电场作用下产生迁移)而运动。这些运动着的电子或空穴被受主俘获。这样，电子或空穴由于光激发、迁移，最后被俘获而使这些杂质或缺陷上的电荷分布有了变化，形成了与光强的调制变化相对应的空问电荷分布，从而产生相对应的空间电荷场。空间电荷场再通过电光效应使晶体的折射率发生调制变化，形成光折变体位相栅。 掺铁铌酸锂晶体光折变性能的优化从光折变效应的基本过程可以看出，光折变效应产生的基础是在光折变晶体内产生光激发电荷载流子，其根源是晶体内的杂质缺陷和本征缺陷，它们被统称为光折变中心。因此，要想调节或优化Fe：LiNb03晶体的光折变性能，改变其杂质或本征缺陷状况是优化其光折变性能的重要途径。 1共掺抗光折变杂质对Fe：LiNb03晶体的影响：目前为止，发现的抗光折变杂质离子主要有Mg、Zn、Sc、In等具有单一价态和满壳层结构的离子，它们可以降低晶体的光折变性能，提高晶体的抗光致散射能力。 2氧化还原对Fe：LiNb03晶体的影响：氧化和还原处理是通过一些化学反应，改变晶体内缺陷中心的性质，如掺杂离子的氧化态、空位的浓度等，进而影响晶体的光折变性能 3. LillNbl对Fe：LiNb03晶体的影响：LiNb03晶体的缺陷结构与晶体中的LiNb密切相关。当晶体中LiNb】发生变化时，晶体中的本征缺陷、光 折变敏感杂质的占位甚至价念都将发生变化，进而影响LiNb03晶体的光折变性能m】。同成分LiNb03晶体由于偏离化学计