（光学工程专业论文）硅酸镓镧晶体光电性能及应用研究.pdf

原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 、， 论文作者签名：杰犟辑日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：黼师签名：鱼丝日期：2 丛：燮 山东大学硕士拳位论文 中文摘要 从2 0 世纪8 0 年代首次报道至今，硅酸镓镧( l a 3 g a s s i 0 1 。简称l g s ) 晶体 的研究一直为人们所关注最初，l g s 被作为激光晶体研究，自从有关l g s 单晶 振动具有零温度系数的报道之后，对l g s 的压电性能以及声体波( b a w , b u l l 【 o m t i cw a v e ) 、声表面波( s a w ，s u 血a c o t l s t i cw a v e ) 性能的研究成为热点 l g s 具有比石英大2 3 倍的机电耦合系数与石英相当的温度稳定性，b a w 、 s a w 传播速度低，从室温到熔点( 1 4 7 0 ) 都没有相变诸多特性使得l g s 成为 压电领域广泛关注的对象就像石英一样，l g s 也是一种用途广泛的材料l g s 具有适中的电光性质：稳定的物理化学性质，可调的半波电压，中等的损伤阈值， 成熟的生长技术因此，l g s 在光学、电光领域的应用前景又引起了研究者的重 视，用其制作的调q 开关被用于中等功率激光器中实现稳定输出本文利用多种 光学手段，对l g s 的光学性质和电光性质进行了研究，系统的描述了l g s 的这种 多功能材料的光电性能情况；并从理论上分析了l g s 的b a w 和s a w 传播特性。 以此可以为l g s 的声光研究提供一定的理论指导。 i 采用反射式椭圆偏振光谱技术，在可见光区无损伤的测量了小尺寸l g s 晶 体样品的折射率，拟合了s e l m e i e r 色散方程 采用平行偏振光干涉，通过记录干涉光谱，直接计算了l g $ 晶体的双折 射率即h 御0 1 。小的双折射使l g s 无法实现正单轴晶的第一、第二类角度位相 匹配谐波倍频 n i 采用平行偏振光干涉测量l g s 晶体的旋光，拟合了b o l m a a n n 旋光色 散方程l g s 旋光小于石英，样品为右旋晶 由于旋光的存在，l g s 电光现象不同于常见的磷酸二氘钾( k d 2 p o ， d k d p ) 电光晶体经过对l g s 旋转，在一条光路上用d k d p 补偿位相差，测量 了小长宽比l g s 晶体样品的线性电光系数丫i i 并将l g s 用于对声频、超声频信号 的线性调制 v 从理论上分析计算了l g s 声体波传播特性，画出b a w 慢度曲线 关键词：硅酸镓镧，光学性质，电光调制，电光性质，声体波，声表面波 山东大学硕士掌位论文 _ - - - _ - _ - - _ _ - - i _ _ _ - - _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ a b s t r a c t s i n c et h e 丘斌删o f l a l l 础q 却g a 5 s i 0 1 l g s ) i n1 9 8 0 s , t h c 鲰l d y l g s h a sb e e n 删删yp a i d 啦晒t ob y 弛越c h c 裙a t 五r s t i a 3 s 啪sm a i n l ys ：n l c l i e d 鹳 l a s 盯c r y s t a l 柚盱1 h ed i s c o v e r yo f 踟钯叫弦r a n 聪d e p c 锄蛔c 啦o f1 1 3 ss i | 嘲e c r y s 协l 恤瓯| d i 鹤i t sp i e z o e l e c t r i cp c 响眦a n ，b u l ka c 蛳c 啪v ea n d 黜妇 扯删cw i a v cp e d b l m a n c 鹤b | 涨妇f o c u so f r e s e a r d 姚l 1 3 sc r y s t a lc x h i b i t sm a 掣 a d v 衄曲g 鹤t o r 位a ：a p p l i c a t i o n 丘d d s ，乳烛鹞l 越g ed _ 口倪璀d l a n i c a i u p l i n g f a c t o 璐w h i c h 矾罄h i g h 鹳州t ot h r e et i m e so ft h o 辩o fq u a r t z ( a - s i 0 9w h i l e1 b c 鲫n et e m l 把 r a v a r e 嘲刚毡l o w e rv e l o c i t i e so fb t 】【l l c 啪t l s t i ca n ds l 墙蚴删c w a v e sc o m p a r e dw i 也t h o s e o f q u a r t z , 舡i dn op i l a 辩吣i t i sf r o mr o 锄t 萌n 弘= f m 玳 t ot b cm e l t i n gp o 窳( 1 4 7 0 c ) a l lt h ea d v a n t a g e sm a k cl g sav e r y 啦a c t i v c 蛐b j e c 【i n p i e z i 晡cf i e l d l i k eq u a n z ，l g si sa i 的ak i n do fma l l 鲥献w i t hm u l t i p l eu s a g i t h a s 珥叩贸c l p o p 吐c 印d l 埯r d 髓，s u c h 够啦a b l cp h y s i c a la n d 吐吼n i c a ip l d l ，e 晒嚣， a 由啦缸b l ek d | 棚cv ) l t 8 9 e ，柚dm e d i 啪d a m g e 也他s h o l 文t h e 糯f o 他，t h e 弘o s p e 吐o f l ( 3 sa p p l i e di no p 6 c a la n dd e p t i cf i e l d s 删m c 乜t h ea t t e n t i o no fr e s e a r c h e r s n 站 e l e c t r i cqs w i t c hf a b r i c a t e dw i 也l g sw 嬲u 聪di nl l l l n l i u mp o w e rl 蝴e 坦v i t y , a n d t h e 就a b i co u t l e tw 豳o b t a i n e d i nt h i sd i s n 8 t i ，t h eo l 垴c a la n dc l 髑：垃o o p t i c p r 叩硎嚣o fl g sw e 犯s t u d i e db yd i f f e r e mo p t i c a l 钯c h i l i q t i 笛，a n dt h ep h o t o e l e c t r i c p c d o r m 髓o fi x 3 sc r y s t a lw 鹤s y g i e l n a t i c a l l yd e s c r i b e d a l s ot h ep r o p a g a t i n g d 删抽曲e r i s t i c so fb 1 ) i ，ds a wi nl g sw e t l 删i c a l l y 如越弦e dw h i c hm i g h t p r o v i d es 咖el b 烈孵吐c 越g u i d a n c ef o rs t u d y j t s m 塔t o o p t i cp | 耐研m 锄t b cm a j n c l m t e n to f t h i sd i s s e r t a t i o ni sa sf o i l o w s ： i t t zr e i 琦c t i wi n d i 淄o l i o si nv i s i b l el i g h t 蚓雠m 聊 删w i 懿眦 i l p a i l m 僦b y 恤r e f l e c t i o ne l 啦爝嘲删珂m e t h y l t h cr e f r a c t i v ed 呻i o nc 帆o f l g s 砌噶右执e dt os c l l m 商贯t se q 瑚舶乱 珏a 踟m i n gt oj n 蛔蛐gt h 叮o f 删e lp o i 捌l i g h t ，l h e 抽磺曲g o f i a 3 $ w 笛c a l 伽- l a l c dt h r o u g h r d i n gt h ei n l c 】睡f i n gs p 呱t h e r e s u l tw 笛啦删0 1 2 山东大学硕士掌位论文 i i - t h eb i r e f l 吨e n c ew a ss ol i t t l et h a t t h ep h a s e - m a t c h e do l m c a l 冀c o n dh a r m o n i c g e n e r a t i o n f o rl g si si m p o s s i b l e t h eo p 【t i c a la c t i v i t yo f l g sw a si n v e s t i g a t e db yt h es a m ep a r a l l e li n t e r f e r o m e t r i c m e t h o d 笛a b o v e t h es p e c i f i cr o t a t i o nd i s p e r s i o nw a sf i t t e dt ob o l t z m a n n se q u a t i o m t h eo l 岖c a li o t a 蛀o l lo f l g si sr e l a t i v e l y 锄础瞄p 缸e dw i t ht h a to f q u a r t z i v ，t h ee l 蹦缸争神p h e n o m e n aw 骶i n v e s t i g m e d w h i c hw a sn o ti nc o m m o nw i t h t h a to f k d 2 p 0 4 ( d k d p ) f o rt h eo i 删a c t i v i t y t h el i n e a re l e c t r o - o p t i cc o e f f i c i e n t i o f l g ss a m p l ew i t has m a l lr a t i oo n e n g t h t ow i d t hw a sc o n v e n i e n t l yd e t e r m i n e db y p l i i l go n ed k d pe l e c t r o - o p e c 口y s t a li nt h eu n i q u eb e a mp a t ht oc o m p e n s a t et h e p h 蹴d i f f e r e n c ei n d u c e db yl g s f l c t h ee x p e r i m m o f l i n e a rm o d u l a t i o nf o r t h ev o l t a g es i g n a li ns o l l i ca n du l t r a s o n i cf r e q u e n c yb yl g s 口y s t a lw a sc a r d e do u t v t h e o r e t i c a l l ya n a l y s i so n t h ep r o p a g a 血gc h a r a c t e r i s t i c so f b a wi nl g sc r y s t a l w a sf i n i s h e d t h es l o w n e s sa 衄懈o f b a wi nd i f f e r e n tp l a n e so f l g sw e r ep l o t t e 也t h e p r o p a g a t i n gc h a r a c t e d s t i c so f s a ww e r ea l s od e s c r i b e d k e y w o r d s ：l a n g a s i t e , o p t i c a lp r o p e r t i e s , e l e m v - o p t i cm o d u l a t i o n , e l e c t r o - o p t i c p r o p e r t i e s ，b u l ka c o u s t i cw a v e , s u r f a c ea c o u s t i cw a v e 山东大学硕士掌位论文 符号说明 压电应力常数 机电耦合系数 真空中光波波长 沿光传播方向上的晶体长度 垂直于光传播方向上的晶体长度 逆介电系数 介电系数 线性电光系数 常应变线性电光系数 常应力线性电光系数 二次电光系数 压电应变常数 声平面波传播方向矢量 声平面波波矢量 弹性刚度系数 旋光张量 k九，d甸址a嘞，k q g 山东大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 硅酸镓镧晶体研究进展 硅酸镓镧( 1 a n g a s i t e ，分子式为l a 3 g a s s i 0 1 ) 晶体，简称l o s 1 9 8 2 年，前 苏联著名的激光专家a a k a m i n s k y 在苏联科学院快报上首次报道了一种新型晶体 ( l a i , n d x ) 3 c - a s s i o 即n d ：l o s 晶体的激光特性【”，并对该晶体的一些其他可能用 途傲了初步估计随后，九 k a m i n s k y 等于1 9 8 3 年又报道了n d ：l o s 和l o s 晶 体的生长和光学性质田。以及光谱和机电性质【3 1 可见在l g s 研究初期这段时间， l ，g s 晶体主要作为光学、激光晶体来研究，主要的研究对象为n d ：l g s 1 9 8 4 年， 前苏联的a i a n d r e e v 等首次报道了l g s 单晶的弹性振动具有零频温度系数切型后 1 4 】，引起了器件研究设计人员的关注1 9 8 6 年，前苏联的e g b r o n n i k o v a 等人报 道了用l o s 单晶制作出高稳定的b a w 单片滤波器和谐振器i 习；同年，前苏联的 s a s s a l d m r o v 等人申请了单片式l o s 晶体滤波器的专利旧，开拓了l g s 作为优良 压电材料的应用 压电材料广泛应用于制作无线电频率( r a d i of r e q u e n c y ) 的控制器件( 共振器) 和选择器件( 滤波器) 压电晶体谐振器、滤波器和振荡器作为时间频率标准， 是电子设备、遥测导航和通讯等系统中的关键元器件随着无线通信和电子技术 的急速发展，作为其基础的压电元器件正在向微型化、集成化和高可靠、高频化、 高精度方向发展，也对压电材料提出了新的更高的要求 目前，用于压电工程的主要材料是石英( s i 0 2 ) 晶体石英晶体具有良好的压 电性和温度稳定性，但是由于它的机电耦合系数小( 大约7 ) ，使得它用于滤波 器的范围受到限制，器件的插入损耗大这些局限性使得石英晶体只能用于制作 窄带滤波器，通带带宽对中心频率的相对值仅为0 3 一直来人们都希望找到性 质更为优良的压电材料来替代或部分替代石英晶体 l o s 晶体的机电耦合系数( 1 7 ) 约为石英的2 3 倍，却同时拥有与石英相同 的温度稳定性，在制作声体波( b a w ) 和声表面波( s a w ) 滤波器方面有巨大的 应用前景同时由于l o s 晶体中声表面波的传播速度比较低，可使滤波器的尺寸大 大减小，对于压电器件的小型化是非常有利的因此，l g s 晶体的研究受到了美国、 山东大学硕士学位论文 德国、俄罗斯，日本以及韩国等国科研工作者的关注和重视，各国相继对这一系 列材料进行了广泛深入的研究我国科研工作者也对该晶体的研究和应用十分关 注，进行了相当的研究工作m 1 1 表l - il o s 摹晶与石英晶体性质及压电性能对比 为了进一步提高晶体的性质参数并改善晶体性能以及降低材料成本，人们又 在l o s 基础上进行离子掺杂和置换，生长了许多结构、性质类似的同构物晶体材料， 如：l a 3 0 a 5 沁如1 1 5 。m 、垴g a 5 j r a o 如( l g 可15 峋、n d 3 c - a s s i o i ( n g s ) v 。j 、 s r 3 g a 2 c - e 4 0 1 4 ( s g 酬堋、n 剖g a g o g g ) 【1 9 】等又由于i d s 晶体材科( g a 2 0 d 成本高，以及晶体内部结构的离子占位不均匀导致材料性质的不均匀，人们试图 对其综合性能进行改进，并进行了掺杂改性的研究，生长出一系列离子占位均匀 的晶体，这些晶体主要有：c a 3 n b g a 3 s i 2 0 1 4 ( c n g s 尸嘲、c a 3 t a c - a 3 s i 2 0 ( c t g s ) 蚓、s r 3 n b g a 3 s i 2 0 1 ( s n g s ) 嗽2 6 1 、s r 3 t a c - a 3 s i 2 0 i ( s t g s ) 阮2 7 蚓， 它们的分子式可以统一的写为：a 3 b c 3 d 2 0 1 4 ( a b c d ) 目前，俄罗斯以及美国、日本、德国，韩国的科研工作者积极从事该系列晶 体的研究，我国山东大学晶体材料研究所也正在从事这类材料的生长和性能研究， 并在国内处于领先水平另外。一些国际知名企业，公司也参与了研究与开发， 如日本的三菱公司、三洋公司，富士通公司等，日本n e c 公司就曾开发了大尺寸 的l g s 单晶，用于2 l 世纪手机中的s a w 滤波器，并试图确立该产品的批量生产技 术及在公司内部实现器件商品化 可见，l g s 作为压电材料一直以来是人们研究的主愿从2 0 0 2 年起l g s 晶体 的电光性质引起了研究者的关注，对其电光性能的研究又成了一个新的热点在 2 0 0 2 年，我国山东大学晶体材料研究所的尹鑫首次研究并报道了i g s 的电光性质， 发现这种晶体在电光领域可能有巨大的研究潜力和应用前景，并首次用l g s 做成了 山东大掌硕士掌位论文 电光调q 开关，将之用于中等功率激光器中嗍同年。德国人j s 协d c 也报道了l g s 及其同构物玳和u 玎的电光性质嗍随后。山东大学晶体所尹鑫、王继扬等多 次发表论文报道关于l g s 的电光性能及应用口t - 3 e 2 0 0 2 年王继扬、尹鑫等在我国申 请了l g s 电光调q 开关的专利闯，表明l g s 的电光应用已经开始逐步实用化、产品 化同时，由于l g s 晶体存在旋光性，使得该晶体的电光应用十分复杂，在旋光效 应存在下电光效应的应用及器件设计是继续研究l g s 晶体电光性能的下一步工作 重点 当前关于l g s 晶体的研究工作，主要集中在：i 生长大尺寸、高质量的l g s 单 晶材料：i i 进一步降低材料成本，采用元素取代或添加方法，生长性质更为优良 的同构晶体；i i i 压电器件的产品化同时，l g s 晶体在电光应用方面有一定的前 景，是其新的应用领域，需要进一步研究与开发 1 2 本论文的研究工作 本文主要采用多种新颖的光学方法和技术对l g s 晶体的光学性质、光电性能 及应用进行了研究，并从理论上计算了l g s 声波传播特性包括：采用对晶体样 品无损伤、无需样品特殊加工的椭圆偏振光谱法测量了l g s 晶体在可见光区的折 射率色散；采用新颖的偏振光干涉法测量了l g s 晶体在可见光波段的双折射率和 旋光率，并利用同样的方法测量了与l g s 同构的几种a b c d 型晶体( s n g s 、s t g s 、 c n g s ，c t o s ) 的旋光和双折射；采用静态位相补偿法研究了i a 3 s 晶体的线性电 光效应，测定了其线性电光系数，并将之用于信号的线性调制，研究了l g s 的电 光调制性能：计算并分析了l g s 晶体的声学性质，描述了l g s 晶体中体声波( b a w ) 传播特性 ， 山东大拳硕士拳位论文 第二章硅酸镓镧晶体的生长及基本性质 2 1i a s 晶体的结构 硅酸镓镧晶体的分子式为l a 3 c j a 5 s i o ( l g s ) 。它属于三方晶系，3 2 点群， 空间群为p 3 2 1 ( n o 1 5 0 ) ，与c a 3 0 a 2 0 e 4 0 l 1 1 】为同构体 研究晶体的性质首先要明确晶体的晶轴以及坐标系是如何选择的l 心s 属三 方晶系、3 2 点群。具有一个3 次转轴和三个2 次转轴田在结晶学中。通常选3 次旋转轴为c 轴，在垂直于c 轴的平面内选取a 、b 、d 轴与= 次轴重合或平行， 且a = b = d 。有时也只用a 、b 、c 三个轴来表示通常在直角坐标系中分析其性质， 这时选择z 轴平行c 轴，x 轴与a 轴平行。y 轴垂直于舷( ) 面 1 0 】 圈2 - 13 2 点群晶体的结晶轴与物理学轴关系 在l o s 结构中有4 种不同的阳离子位置p 】，这一结构的统一化学式可表示为 a 3 b c 3 d 2 0 l ( a b c d ) ，其中a 和b 分别代表与氧原予八配位的十面体和六配位的 八面体中心的阳离子位置；而c 和d 都代表与氧原子四配位的四面体中心的阳离 子位置，但d 位置比c 位置略小在l o s 晶体中，l a ，+ 占据a 位，g a ) + 占据b 位、 c 位以及一半的d 位，而s ，占据着另一半d 位，所以l o s 写为a b c d 型表达式 为：l a 3 g - a g a 3 ( o a s i ) o , 4 i 山东大学葡士学位论文 圈2 - 2l g $ 晶体结构示鬈圈 图2 - 3l g s 晶体结构沿( a ) 垂直【0 0 l 】和( b ) 平行【o l o 】方向的投影图 2 2l g s 晶体的生长及其基本性质 目前l g s 晶体的生长主要采用提拉法1 4 - - - 提拉法又叫丘克拉斯基 ( c z o c h r a l s k i ) 技术，这种方法生长周期短，技术比较成熟：另外，液相外延法f 6 刁 ( l i q u i dp h a s ee p i t a x y , l p e ) 常用于l g s 薄膜生长，相对于晶体材料来说，l g s 薄膜不能选择切向导致应用受限，目前实际中研究较少本文研究的l g s 晶体样 品是采用提拉法生长的 2 2 1l o s 晶体的生长 l g s 晶体在1 4 7 0 c 左右一致熔融，在生长湿度至室温没有相变点。与其他晶 体相比，l g s 晶体在生长特性方面具有一定优势，采用提拉法可以在较短的周期 内生长出大尺寸单晶，目前已经能够生长出长度1 5 c m 以上、直径9 5 m m 的l g s 单晶【s 1 9 山东大学硕士学位论文 - _ - - _ _ _ 一i _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ 本文所用的l g s 单晶材科由山东大学晶体所袁多荣、王增梅用提拉法生长， 生长l g s 采用了高纯原料：l a 2 0 3 、g a 2 0 3 、s i 0 2 ，按l a 3 g a s s i o i 4 化学计量比研磨、 混料、压辩、烧结，然后放入铂金坩埚中加热提拉生长化学反应方程式为： 3 l a 2 0 3 + s g a 2 0 3 + 2 s i o f 2 l a 3 g a s s i o i 4 考虑到g a 2 0 3 在生长过程中会有少量挥发。在配料时要使g a 2 侥适当过量， 以保证晶体中c r a 含量不偏离组分太多 生长设备采用西安理工大学生产的t d l - j 4 0 型号的单晶炉。使用2kh z 中频 炉加热提拉系统的提拉范围在0 1 3 0 m m h ，转速在o 卜5 0 r p m ，炉温用欧陆表控 制，精度可达o 1 利用提拉法生长l g s 单晶，生长气氛为加1 - 3v 0 1 0 2 ， 以防止g a 2 q 的挥发。生长晶体所用的籽晶为尺寸：4 4 1 5 r a m 经定向的l g s ( 0 0 1 ) 晶棒，籽晶用铂金丝绑在铂金的耔晶杆上。晶体的提拉速度为0 5 2 m h ， 转速为1 5 - 3 0 r i 咂，生长出的晶体尺寸为0 1 5 2 0 2 0 7 0 衄，颜色为桔黄色或近 乎无色经过实验发现所生长晶体的颜色主要与生长气氛中氧的含量有关经 过改进工艺( 调整拉速与转速) ，采用平放肩技术，可以生长出尺寸更大0 4 0 5 0 x 5 0 7 0 m m 的l g s 晶体 ( a ) n 一卜靠m ，铱金坩埚 ( b ) 盼卜2 。帕金坩塌 山东大学硪士学位论文 吐p t - i 一托0 b 帕金坩塌 圈2 4 不同生长条件下的l g s 晶体 2 2 2l g s 晶体的基本性质 l g s 晶体化学性质稳定，空气中不潮解，与石英晶体相似，不溶于水以及常 见的有机溶剂 用x - r a y 粉末衍射对所生长的l g s 晶体结构进行鉴定，根据耪末衍射图中的 2 础，计算三方晶胞参数为；a 卸8 1 5 3 0 2 士0 0 0 0 1 6 2 n m ，c = o 5 0 8 3 6 1 士- 0 0 0 0 1 7 5 r i m ， v = 0 2 9 2 6 4 n m , ，与文献嗍报道的晶胞参数( 删8 1 7 2 - - - t - 0 0 0 0 i n t o , c - - - 0 5 1 0 2 士- 0 0 0 0 1 r i m ) 相比。a 和c 值都略小 比热是影响晶体热稳定性的一个重要因素，影响晶体的损伤阈值：熟膨胀也 是很重要的参数，它会影响晶体的生长和应用，晶体吸收热量后。热膨胀会在晶 体内部产生温度梯度，导致晶体的开裂 在测量的温度范围( 2 9 8 1 5 k - - 4 5 3 1 5 k ) 内，l g s 晶体比热随温度基本线性 变化，在2 9 8 1 5 k 和4 5 3 1 5 k 时，l g s 晶体的比热分别为0 6 j i g k 和0 9 0 j g k ， 而石英晶体在2 7 3 1 5 k 和3 2 3 1 5 k 时的比热分别为o 1 6 6 4 j g k 和0 1 8 7 0 j g k 【， 表明l g s 晶体的比熟大于石英晶体的比热这样，当l g s 作为压电体工作时， 温度梯度变化较小因此，跟石英晶体相比，l g s 单晶的应用温度范围将更宽， 温度稳定性更高 山东大学硕士学位论文 图2 4l g s 单晶的比热随温度变化曲线 l g s 晶体属于三方晶系只有两个独立的熟膨胀系数分别为a 和a 1 在测量 的温度范围内，未发现反常膨胀现象，在2 9 8 1 5 k 至4 7 2 i s k 之间测得晶体的z 轴平均线性膨胀系数为3 8 x1 0 r 。而沿y 轴为5 1 0 r 这个结果表明，l g s 晶体的热膨胀系数为各向异性的，而且小于石英晶体的热膨胀系数：a ，1 3 7 1 1 0 1 ( 一，= 7 4 8 1 0 1 r 。l 瑚，因此在较高的温度使用条件下，l g s 晶体受热膨胀的 影响要比石英要小，因此更稳定 2 圈2 - 6 l g s 晶体沿y 轴和z 轴方向的热膨胀 窖甚i)l里卫景，善 山东大学葡士掌位论文 表2 - il o s 晶体基本物理性质 参数 。 值 熔点( ) 1 4 7 0 密度( 咖3 ) 硬度( 莫氏) 5 7 5 5 5 比热(jgk)06(室温) 热膨胀系数( k ) a t = 3 8 l 矿a 3 - - - 巧x i 酽 2 3 本章小结 介绍了l o s 晶体的生长情况。这种晶体可以在较短的周期内生长出来，不同 条件下生长的晶体性质略有差别l o s 晶体具有稳定的物理，化学性质，具有稳 定的热性质，比热和熟膨胀系数都小于石英晶体因此，在高温环境下i n s 晶 体更稳定 山东大学硕士拳位论文 第三章硅酸镓镧晶体的光学性质 l g s 是正光性单轴晶体，非常光折射率大于寻常光折射率仉 n o ，唯一的高 次( 3 次) 旋转对称轴即是其光轴c c l l z ) 3 1 材料均匀性和透过率 材料的均匀性对材料的性质有巨大影响，对其应用至关重要因此，我们首 先利用马赫一曾德( m a t h - - z e h n d e r ) 干涉对l g s 晶体的材料均匀性进行了观测， 干涉条纹整齐，没有明显的畸形，经过计算其折射率不均匀性约为励8 6 x 1 0 。 为了比较，对s t g s 的材料均匀性也同时进行了观测，发现s t g s 的折射率均匀性 较差，晶体质量明显不如l g s ( i ) l g s 干涉田i b ) s r 0 s 干涉圈 图j - ! l g $ 材料均匀性全息于涉图 l g s 晶体透明一般略带桔黄色，不同生长条件生长出的晶体略有不同通常 来说，晶体的颜色和吸收与晶体的生长气氛中氧( 0 2 ) 的含量有关，0 2 含量越高， 颜色越深，但差别不大总的来说，l g s 晶体具有很好的透光性，紫外截止波长 约为3 0 0 r i m ，从可见到红外波段都有很高的透过率 1 4 山东大学磺士掌位论文 图3 - 2 不同l g $ 晶体的透过率谱 圈3 - 3l g s 晶体三个方向上的透过率 从图3 - 3 可以看出l g s 在红外波段3 t t m 波长附近有一个很大的吸收峰，其机 理尚不明确，这一特性有可能导致l g s 新的用途，比如红外探测、传感等 3 2 折射率 折射率是光学晶体的一个基本参数，是研究晶体其他光学性质的基础对于 折射率的测量，通常用的方法有：最小偏向角法【心、v 型棱镜，- 。1 3 1 、椭偏法【4 罔 最小偏向角法用的最为广泛同时也最为精确，需要将晶体加工成一定的三棱镜形 毫麓 山东大掌硕士掌位论文 - _ i - _ _ - iii i i i _ _ l _ - - i - _ _ - _ _ _ - - _ l - - 状；而利用椭圆偏振光谱技术可以同时测量晶体的多个参数，对晶体无损伤，晶 体也无需加工成特殊形状 3 2 1 椭偏原理 当一束偏振( 线偏振) 光入射到晶体表面，经过晶体表面反射后的反射光通 常不再是线偏振光而变成椭圆偏振光，这一状态的改变包含着晶体的折射率等光 学参数的信息，通过观测反射光相对于原入射光偏振态的改变，就可以计算出晶 体的折射率等光学参数这就是反射式椭圆偏振光谱测量术嘲 卉- - 南 1 圈3 - 4 光在两种介质表面的反射 考虑倾斜入射的平面光波在复折射率为n o 的各向同性环境煤质0 和寻常( 复) 折射率和非常( 复) 折射率分别为n i o 和n i 。的各向异性单轴晶体基片1 的界面处 反射，则入射角等予反射角， - 一；如对于给定的入射光波振幅和偏振态，可 以由界面两傅电场矢量( e ) 和磁场矢量h 切向分量的连续性求得反射波的振 幅和偏振态对于任意的电矢量偏振态，都可以分解为振动平行于入射面的p 分 量和振动垂直于入射面的s 分量两部分一般来说，反射波的偏振不同于入射波 的偏振，它们之间的关系可表示为： 乏 = 22 乏 c 3 ， 即 j 台+ ! 一。刍 ( 3 2 ) i 厶i i c 晨，e w 4 - 疋瓦 、。 山东大学硕士拳位论文 反射式椭偏测量系统经过测量入射波和反射波的偏振态僖到其比值老7 i e r l ，定 义椭偏参数 脚矿。酬妒白白= 每鲁 c s - s ， 如果各向异性单轴晶体的光轴与环境媒质一基片界面垂直，则界面反射, v - 矩阵r 是对角矩阵，震，= 足，= d ，而对角反射系数l 和i t = 由下式给出： r ：塑! 。型! 竺盘= 型q ( 型：二塑；塑：盎2 1 ： 一一 n i 。n i 。c o s 毋o + n o r n 2 一n ：暑i ，1 2 ，口 小器筹糍群 将( 3 - 2 ) 和( 3 - 4 ) 代入( 3 3 ) 得： p = 留y 酬丛) = 乏 ( 3 - 4 ) ：监竖翌噬二丝! 娶型磐：盘罢盟坚虹盟尝2 型筘2 - 罕2 1 1 2 ( 3 - 5 ) i 。“m , s o + o ( k 一埘s i n 2 ) ”2 o 姗九一o ( 心一坼s i n 2 7 考虑测量的晶体存在吸收，则其折射率应为复数，故令： j i 一副。k o ( 3 - 6 ) 。 【“= 一呶 其中n o 、n c 是晶体中o 光、e 光折射率，l 【o 、k c 是其消光系数对于任意波长，一 个入射角可以测得一组缈，) ，通过测量两个入射角的情况就可以确定单轴晶体基 片材料的( ，t 。，七) 3 2 2 测量过程及结果 实验中使用的是光度式自动椭偏仪，这种椭偏仪使用同步旋转检偏器来检测 从待测样品表面反射的光波的偏振态：同步马达带动检偏器组件以恒定角速度绕 光路轴心同步旋转，根据探测器信号能量周期性变化进行傅立叶分析，进而导出 描述反射光的椭偏态，而椭偏仪内起偏器的方位是固定的，因此- - y 以得出椭偏参 1 7 山东大学碡士掌位论文 数缈，) 。并由计算机给出 图3 - 5 光度式椭偏仪装置结构图 通常入射光的入射角一般要求在材料的布儒斯特角附近；光源采用氤灯，用 光栅单色仪分光波长准确度为0 2 n m 。我们采用这个椭偏系统测量了l g s 晶体 从3 6 5 n m 到7 0 6 r i m 之问的9 个波长的折射率( 表3 - 1 ) 通常晶体的折射率在正常 色散区服从s e l l m e i e r 色散方程： n 2 ( = 4 + 击一d 刀( 3 - 7 ) 其中，a 、b 、c 和d 为s e l l m e i e r 系数，九的单位应取为) t i n 根据所测量折射率对 l g s 晶体的色散进行拟合结果如图3 - 6 表3 1l o s 晶体折射率 1 0 山东大学硕士学位论文 q - 0 m m w a v e l e n 0 1 h ( u m ) 圈3 - 6l , g s 晶体的折射率色敢 衰3 2l , g s 晶体折射率色散s e l l m e i e r 系数 根据l g s 晶体的折射率色散曲线，看出l o s 具有较小的双折射率( o 0 1 1 ) 对于正单轴晶体中可能存在的两种非线性位相匹配效应嘲，l o s 位相匹配角e 阿都 不存在因此，在0 5 p m 2 5 岬范围内l g s 晶体无法用于第一、第二类位相匹 配的光学倍频在文献f 7 l 中，报道l g s 在1 0 6 4 t t m ( 基波长) 处的非线性系数d x l 约为1 7 x l o 。1 2 m 蕾pi一，lp鐾芷 r 山东大掌硕士学位论文 _ _ _ _ _ _ _ i _ _ _ _ _ _ _ 一 襄3 - 3 正单轴晶体( ，l 户) 位相匹配方式和条件 3 3 双折射 通常将单轴晶体的o 光、e 光主折射率差称为双折射或双折射率双折射可 以通过测量出晶体的n o 和n c 后相减得到，如上文我们测量了l g s 晶体的折射率， 血= 以一心；o 0 11 这里我们采用偏振光干涉法，通过记录l g s 的偏振干涉光谱 计算了l g s 晶体的双折射率，也给出较好的结果 当线偏振光垂直于光轴入射并通过单轴晶体时，会分解为振动分别垂直于z 轴的0 光和平行于z 轴的e 光，经过晶体产生恒定的位相差如果在晶体后放置 一个偏振片，使两束光通过偏振片后变成振动方向相同的线偏振光，则可以产生 干涉【 图3 - t 平行偏振光干涉装置 入射线偏振光用偏振片产生，称为起偏器p i ；晶体后偏振片称为检偏器p 2 入射光垂直于z 轴，通常选为沿x 或y 轴。经过厚度为i 的晶体产生位相差为； 艿。孥( 丹。一，k ) ， ( 3 8 ) 其中九为真空中波长根据式( 3 - 8 ) 位相差6 会随着波长九的改变而变化，不同的 波长双折射a t 一一也不相同，但对于我们考察的波段属于正常色散，月一般 山东大学硕士学位论文 变化不大且位于分子( 从约为l o ，约l o = m ，故，九1 矿) ，故6 的变化主要 由波长九引起 如果偏振方向p i p 2 ，则光在p 2 后产生干涉的光强为： j = ，。【l 一三2 8 i n 2 2 p ( 1 一s 艿) 】 ( 3 勺) ， 其中五为从p l 出来入射到晶体上的光强，o 为起偏、检偏方向与光轴z 的夹角 可见，e 固定后，当艿= 2 m u 时，光强极大；万= ( 2 m + 1 ) a 时，光强极小，( 册= 0 , 1 , 2 ) 对于干涉谱上相邻的两个极大极小，我们假设其，( 由于从很小。a n l - 与t m 2 之差 此时忽略) 相等，就可以计算出其值的大小： 咖署知 。1 其中k 和k 分别为相邻极大极小干涉所对应的波长，且( 如) 使用t u 1 9 0 1 紫外一可见分光光度计，测量了l g s 晶体在波长范围3 5 0 珊l 8 5 0 胴的平行偏振光干涉谱，晶体厚度沿x 方向( 1 = 1 0 1 4 r a m ) ，所得结果与文献 嗍吻合较好 “) 棱长范圈( 6 8 0 - - 7 8 0 r m ) ( b ) 美长范围( 8 0 0 - 8 5 0 r m ) 圈3 8 l g s 晶体x 方向的平行偏摄光干涉 2 l 山东大学硕士掌位论文 表3 - 4 l g s 晶体双折射搴 利用同种方法，测量了s n g s 和s t g s 晶体x 切片的双折射率，在测量波长 范围内结果n 分别为n s n 岱9 0 嘶日0 0 9 和6 i i s t g s ( 啪- 9 0 岫o o 0 7 ，显示s n g s 和 s t g s 晶体的双折射都比l g s 大，与l i n b 0 3 ( 6 日= n 。- n 。甜0 0 8 ) l i l l 差不多，我们在 上文中看到s t g s 的折射率均匀性较差。远不如l g s ，这有可能是s t g s 晶体双折 射测量效果不佳的原因s n g s 和s t g s 较大的双折射率可能导致光学倍频效应的 存在 3 4 旋光性 3 4 1 旋光现象 一个线偏振光波，沿光轴方向透过单轴晶体时，在一般情况下，其振动方向 并不改变但在有些单轴晶体中( 如水晶) ，单色线偏振光波沿光轴方向通过晶体 后，其振动面会发生转动，转动的角度与晶片的厚度成正比这就是晶体中的旋 光现象 根据菲涅耳( f r e s n e l ) 的圆双折射理论f 姗，旋光现象可作如下解释：一个线 偏振光波沿着不发生双折射的方向进入晶体时可以分解为两个圆偏振光波( 其中 一个是左旋的，一个是右旋的) 在不具有旋光性的晶体中，这两个圆偏振光波具 有相同的速度和折射率，在任何时刻，其合成振动矢量的方向始终维持不变；在 具有旋光性的晶体中，这两个圆偏振光波的速度和折射率不同，在入射处位相相 同的两个波，从旋光晶体中射出时，就出现了位相差，导致合成振动矢量的方向 发生旋转 山东大学硕士学位论文 $ 图3 - 9 旋光现象的圆偏振光理论解释( ( a ) 入射于晶体端面：( b ) 从晶体出射) 设左旋圆偏振光和右旋圆偏振光沿旋光晶体光轴方向的传播速度分别为h 和 v