（材料学专业论文）高稳定电光Q开关大尺寸LiNbOlt3gt单晶的生长与研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 l i n b 0 3 晶体以其优越的电光性能，在很多激光器上用作q 开关材料，在脉 冲电压下，可以产生不同脉冲宽度的激光。n d ：y a g 激光测距仪在军事上有着非 常重要的应用前景，l i n b 0 3 晶体电光q 开关是其中的关键部件。而目前使用的 同成分l i n b 0 3 晶体做电光q 开关，在室温下可以稳定开关，但在高低温( - 4 0 或5 0 ) 下难以关严，出现漏光，不能满足我国军事的使用要求。而进口俄罗 斯武器中所使用的q 开关l i n b 0 3 晶体，在这一温度范围内，可以正常使用。因 此，对俄罗斯的q 开关l i n b 0 3 晶体的分析和研究，以及对这种宽温度范围高稳 定性o 开关l i n b 0 3 晶体材料的制备，对我国国防工业具有非常重要的意义。 我们通过研究分析了俄罗斯的q 开关l i n b 0 3 晶体、同成分l i n b 0 3 晶体的 晶胞参数，介电常数，半波电压，组分含量、居里温度以及 l i n b l l g 。结果表 明，俄罗斯的o 开关l i n b 0 3 晶体之所以能够在一4 0 5 0 范围内稳定工作，其 组分含量是一个重要因素。俄罗斯的q 开关l i n b 0 3 晶体f l + j l i n b 比比同成分 l i n b 0 3 晶体的 l i n b 】比( 4 8 6 5 1 4 ) ( 摩尔百分比) 高。比化学计量比的l i l 妯0 3 晶体的 l i n b l 比( 1 ：1 ) ( 摩尔百分比) 低，是一种非同成分非化学计量比的 晶体。 在上述分析的基础上，我们选定了三种晶体生长方案，进行了宽温度范围高 稳定性q 开关大尺寸的l i n b 0 3 晶体材料的制备及研究，目前已生长出近于俄罗 斯的q 开关l i n b 0 3 晶体性能的优质大尺寸单晶。 1 、k 2 0 助熔剂提拉法：我们采用自制的硅碳棒高温提拉炉，在含3 5 w t k 2 0 的同成分l i n b 0 3 熔体中，籽晶为( 0 0 0 1 ) 方向，以1 0 2 0 r m i n 的转速和o 1 o 2 m m h 的拉速，成功的生长出直径为3 0 r a m ，高为3 0 m m 的光学优质的l i n b 0 3 单晶。经过测试分析，所生长的晶体的“的含量为4 9 1 6 m 0 1 ，略高于俄罗斯 l i n b 0 3 晶体的l i 的含量。 2 、富l i 提拉法：我们采用j d 4 0 型中频单晶提拉炉，以1 0 2 0 r m i n 的转 速和0 1 1 m m h 的提拉速度，籽晶为( 0 0 0 1 ) 方向，在 l i l n b = l ：l ( 摩尔百 分比) 的熔体中成功的生长出直径为5 0 r a m ，高为5 0 r a m 的近完美的l i n b 0 3 单 山东大学硕士学位论文 晶。经过测试分析，所生长的晶体l i 的含量为4 9 0 1 m 0 1 ，半波电压为4 2 0 0 v ， 均接近于俄罗斯的q 开关l i n b 0 3 晶体。对沿y 轴方向生长的晶体做成的q 开 关进行测试，结果表明，可在- 4 0 5 0 。c 范围内实现开关。 3 、富l i 掺质提拉法：我们采用j d 一4 0 型中频单晶提拉炉，在1 ：l 配比( 摩 尔百分比) 的熔体中加入3 m 0 1 的m g o ，籽晶为( 0 0 0 1 ) 方向，以1 0 2 0 r m i n 的转速和0 1 o 。3 m m h 的提拉速度，成功生长出了直径为5 0 m m ，高为5 0 r a m 的近完美的l i n b 0 3 单晶。经过测定，晶体l i 的含量为4 9 3 m 0 1 ，半波电压为 4 0 6 0 v ，均接近于俄罗斯的q 开关l i n b 0 3 晶体。 以k 2 0 作助熔剂生长l i n b 0 3 晶体，由于在低于居里温度的条件下生长，生 长出的晶体一般为单畴，晶体质量较好，且无生长条纹。但是存在着生长速度慢， 等径控制较难的问题；同时晶体中易存在因k ：o 引起的包裹体等缺陷。 富l i 掺质法生长l i n b 0 3 晶体，由于异质粒子产生分凝作用，生长中易出现 生长条纹，开裂等缺陷，生长难度加大。 富“法生长l i n b 0 3 晶体，虽然存在沿z 轴生长方向的l i 的组分不均的现 象，但是我们采用大坩埚生长小晶体，选择x 轴或y 轴方向生长晶体。实验结 果表明，有利于减少z 轴方向的组分不均，避免了组分不均对z 方向通光的q 丌关器件性能的影响，使晶体可在一4 0 5 0 温度范围实现q 开关。同时这种 方法还有利于减少异质粒子的影响，所以我们认为这是生长高稳定电光q 开关 l i n b 0 3 晶体较好的方法。 关键词：高稳定q 开关；铌酸锂晶体；富l i ；富“掺质；提拉法 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t l i t h i u mn i o b a t e c r y s t a l s a r eu s e di nm a n yo fl a s e r sa s q s w i t c h e dm a t e r i a l s b e c a u s eo ft h e i re x c e l l e n te l e c t r o - o p t i cp r o p e r t i e s u n d e rp u l s e dv o l t a g e ，w ec a ng e t l a s e rw i t hd i f f e r e n t p u l s ew i d t h s l i n b 0 3c r y s t a le l e c t r o - o p t i cq - s w i t c hi s a k e y c o m p o n e n to f n d ：y a gl a s e rr a n g e f i n d e ro fw h i c hh a sv e r yi m p o r t a n ta p p l i c a t i o ni n m i l i t a r ya f f a i r s h o w e v e r , q s w i t c h e s ，w h i c h a r em a d ef r o m c o n g r u e n tl i n b o s c r y s t a l sf o rt h em o m e n t ，o n l yc a nw o r ks t a b l ya tr o o mt e m p e r a t u r ea n dl e a kl i g h ta t h i g ho rl o wt e m p e r a t u r e t h i sc o u l dn o t m e e tt h em i l i t a r ya p p l i c a t i o n ，w h i c hn e e dt h e q - s w i t c hm u s tw o r kw i t hh i g hs t a b i l i t yf r o m 一4 0 t o5 0 c b u tq - s w i t c h e s w h i c h a r eu s e di nm i l i t a r yw e a p o n so fr u s s i a ，c a nm e e tt h e s er e q u i r e m e n t s t h e r e f o r e ，t h e g r o w t ho f t h i sh i g hs t a b l eq s w i t c h e dl i n b 0 3 c r y s t a l su s e di nw i d et e m p e r a t u r er a n g e ， a sw e l la st h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fr u s s i a nl i n b 0 3 c r y s t a l s ，a r ei n d i s p e n s a b l eo f o u ri n d u s t r yo f n a t i o n a ld e f e n c e i nt h i s p a p e r ，w eh a v ea n a l y z e da n dc o m p a r e dt h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no f r u s s i a nq - s w i t c h e dl i n b 0 3a n dc o n g r u e n tl i n b 0 3c r y s t a l w eh a v ea n a l y z e dt h e e l e m e n tc o m p o s i t i o nb ye l e c t r o n i cp r o b em e a s u r e m e n t ，t h ec u r i et e m p e r a t u r e ，t h e l a t t i c ep a r a m e t e r , t h eh a l fw a v e v o l t a g ea n d 【l i n b 】r a t i o t h ed a t ap r e s e n t e di nt h i s w o r ks h o wt h a t t h e l i n b 】r a t i o i n q - s w i t c h e dl i n b 0 3c r y s t a l s o fr u s s i ai s 4 9 0 2 5 0 9 8 ，h i g h e r t h a nt h a ti n c o n g r u e n tl i n b 0 3c r y s t a l s t h ec r y s t a l s a r e o f f - c o n g r u e n t a n d n o n s t o i c h i o m e t r yl i n b 0 3c r y s t a l s w eh a v ec h o s e dt h r e e c r y s t a lg r o w t hm e t h o d sa n ds t u d i e dt h eg r o w t ho ft h e h i g h l ys t a b l ee l e c t r i c o p t i cq s w i t c h f o rt h em o m e n t ，w eh a v eg r o w nt h eh i g hq u a l i t y l a r g el i n b 0 3c r y s t a l st h a ta r ea n a l o g i c a lt or u s s i a nl i n b 0 3c r y s t a l s 1 a d d i t i o no fk 2 0c z o c h r a l s k im e t h o d ：t h ec r y s t a l so f h i g ho p t i cq u a l i t yw i t h t h es i z eo fm 3 0 x 3 0 m mh a v es u c c e s s f u l l yb e e ng r o w n b yo u rh o m e - m a d es t o v ew i t h t h es ia n dcs t i c kf r o mac o n g r u e n tm e l tw i t ha d d i t i o no f3 5 w t k 2 0 ，w h i c hw e r e p u l l e da l o n gt h e ( 0 0 0 1 ) d i r e c t i o nw i t ht h ep u l l i n gr a t e o f0 1 o 2 m m ha n dt h e i i l 山东大学硕士学位论文 r o t a t i o ns p e e do f1 0 2 0r p m a n a l y s e ss h o w t h a t ，t h e 【l i n b 】r a t i oi s4 9 1 6 m 0 1 s o m e w h a t h i g h e r t h a nt h a to f l i n b 0 3c r y s t a lf r o mr u s s i a n 2 l i r i c hc z o c h r a l s k im e t h o d ：t h e h i g ho p t i c a lc r y s t a l ( 0 5 0 x 5 0 m m ) ，w h i c h w a s p u l l e da l o n gt h e ( 0 0 0 1 ) d i r e c t i o nw i t ht h ep u l l i n gr a t e o f0 1 1 o m m ha n dt h e r o t a t i o ns p e e do f1 0 2 0 r p m ，h a v es u c c e s s f u l l yb e e ng r o w nb yl i r i c hc z o c h r a l s k i m e t h o df r o mt h em e l t w i t h l i i n b 】= 1 ：1 t h eq s w i t c hm a d e o f t h ec r y s t a l st t a i n e d a l o n g ( 0 10 0 ) w i t hl i r i c hc z o c h r a l s k im e t h o d i tw a s p r o v e d t h a ti tc a nw o r k s t a b l ya t t h er a n g ef r o m 一4 0 t o5 0 * c 3 d o p e di m p u r i t y i nl i - r i c hc z o c h r a l s k im e t h o d ：t h eh i g h o p t i c a lc r y s t a l ( 0 5 0 x 5 0 m m ) ，w h i c hw a sp u l l e da l o n gt h e ( 0 0 0 1 ) d i r e c t i o nw i t ht h ep u l l i n gr a t eo f o 1 0 3 m m ha n dt h er o t a t i o ns p e e do f1 0 1 5 r p m h a v es u c c e s s f u l l yb e e n g r o w nb y l i r i c hc z o c h r a l s k im e t h o df r o mt h e d o p e di m p u r i t ym e l tw i t h 【l i n b = 1 ：1 l i n b 0 3c r y s t a l s ，w h i c hw e r eg r o w nb ya d d i t i o no fk 2 0m e t h o d ，a r es i n g l e d o m a i nd u et ot h a t t h e yw e r eg r o w ni nl o w e rt h ec u r i et e m p e r a t u r e t h ec r y s t a l q u a l i t yi sg o o d a n dn o g r o w ns t r i p e s l i n b 0 3c r y s t a l sw h i c hg r o w nb yt h ed o p e di m p u r i t yi nl i - r i c hc z o c h r a l s k i m e t h o d ，s o m e t i m e sa p p e a rt h eg r o w ns t r i p e sa n dc r a c k ，b e c a u s eo ft h es e g r e g a t i o no f i m p u r i t y i ns p i t eo fl i n b 0 3c r y s t a l s ，g r o w nb yt l i - r i c hc z o c h r a l s k im e t h o df r o mt h e c o n g r u e n tm e l t ，h a v et h ea s y m m e t r yo fl ia l o n gt h ed i r e c t i o no fg r o w t h ，t h em e t h o d t h a tt h el i t t l e c r y s t a l sw e r eg r o w nw i t ht h eb i gc r u c i b l ea l o n gt h e ( 0 0 0 1 ) o r ( 0 0 0 1 ) d i r e c t i o nr e s o l v et h eq u e s t i o n t h er e s u l t si n d i c a t et h eq - s w i t c ho fo u rc r y s t a l sc a n w o r k s t a b l ya tt h et e m p e r a t u r er a n g ef r o m 一4 0 t o5 0 c a tt h es a m et h i sm e t h o d c a nr e d u c et h ei n f l u e n c eo ft h ei m p u r i t y , b e c a u s eo ft h es c a r c i t yo ft h ei m p u r i t y s o w et h i n ki ti st h eb e t t e rm e t h o di nt h eg r o w no f t h eh i g hs t a b l eq s w i t c h e d k e yw o r d s ：h i g hs t a b l eq s w i t c h ；l i t h i u mn i o b a t ec r y s t a l s ；l i c h l i ：d o p ei m p u r i t yi n l i c h - l i ；c z o c h r a l s k im e t h o d v 原创性声明 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：熟鲎盛日期：地丝苎j 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：缝益导师签名：丝 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 晶体概述 1 1 1 晶体结构 铌酸锂( l i n b 0 3 ) 晶体在室温下，属于三方晶系，是现在已知居里点最高 ( 1 2 1 0 。c ) 和自发极化最大( 室温时约0 7 0 c m 2 ) 的铁电体【”。顺电相和铁电相 的空间群分别为r 3 c 和r 3 c 。如图1 1 ，l i n b 0 3 晶体是由八面体n b 0 6 组成的晶 体，自发极化主要是铌离子沿氧八面体三重轴偏离中心所造成的。各氧八面体以 共面的形式叠置起来形成堆垛。氧八面体空隙位置的1 3 为n b 原子占据，1 3 为“原子占据，1 3 为空位。公共面与氧八面体的三重轴垂直，亦即与极轴垂直。 许多堆垛以八面体共棱的形式连接起来形成晶体，铁电相时，每个堆垛中氧八面 体按以下顺序交替出现：一个中心有n b 的氧八面体，两个在其公共面上有l i 的氧八面体，只在公共面上有l i 的氧八面体。在顺电相中，l i 和n b 分别位于 氧平面内和氧八面体中心，无自发极化。在铁电相中，l i 和n b 都发生了沿c 轴 ( a ) j i n 电相结构 u _ - - - j - _ - 一 ，j i l ， ( b ) 铁电相结构 图1 - 1l i n b 0 3 晶体结构示意图 | 二 三 窜 山东大学硕士学位论文 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一1 1 , 。由于l i 和n b 的移动，造成了正负电荷重心沿c 轴的相对位移，即出现了沿c 轴的自发 极化。这是l i n b o 晶体具有优良的非线形光学性质的结构基础。 该结构也可看成是由与极轴垂直且相互等距的氧平面组成的。顺电相时， n b 位于两个氧平面的中央，l i 位于第三个氧平面内。实际上，l i 分布在氧平面 内及氧平面上下各o 0 3 7 r a n 处，平均位置在氧平面内。铁电相时，l i 和n b 都沿 + c ( 或一c ) 轴位移。 1 1 2 相图分析 l i n b 0 3 晶体生长的理论依据为l i 2 0 - n b 2 0 5 膺二元体系相图【2 】。l i n b 0 3 晶体 是一种典型的非化学计量比的复合氧化物，从如下相图可以看出，固液同成分点 温度是1 2 4 0 - 1 - 5 0 ，其组成是在l i 2 0 的含量为4 8 6 m o i 处，而不是5 0 m 0 1 处， 在一定固溶区内，尽管都能生长出l i n b 0 3 晶体，但要长出高光学质量的单晶， 只能在固液同成分处生长，即生长熔体配料为：l i 2 0 的摩尔百分数为4 8 6 ，而 n b 2 0 5 的摩尔百分数为5 1 4 。 实验表明若按照l i 2 0 和n b 2 0 5 的摩尔百分比为( 1 ：1 ) 来配料，则在所配 的熔体中生长晶体，由于组分偏离，不容易生长高光学质量的单晶p 】。从相图1 2 可以看出，可以通过增加配料中的l i 2 0 的摩尔百分含量来生长出高于同成分 p - 图1 - 2l i 2 0 n b 2 0 s 膺二元体系局部相图 山东大学硕士学位论文 【l i n b 】比的l i n b 0 3 晶体。y a s u n o r if u r u k a w a l 4 1 等人用这种方法生长出不同 l i n b 】比的晶体，但是晶体质量不好，还不如同成分生长的晶体质量好。因此 可见，生长大尺寸的高质量光学l i n b 0 3 单晶比较困难f 5 1 。由于晶体在降温过程 中有铁电相变点，所以如果晶体在居里温度以上生长，生长出的晶体一般为多畴， 而在居里温度以下生长则可以长出单畴晶体f 6 】。 1 2 晶体的研究现状 l i n b 0 3 晶体是一种优良的非线性光学晶体材料，具有优良的电光、声光和 非线性光学性质，在激光调制和光通信等领域具有广泛的应用前景1 7 】。特别是具 有完美晶格的化学计量比的l i n b 0 3 大单晶，由于消除了缺陷的不利影响，晶体 的许多性能得到了改善，如矫顽场显著减小、电光系数、非线性光学系数、光折 变灵敏度和光敏折射率都有一定提高【8 1 ，适合制作光的各种控制耦合和传输器 件，如光隔离、放大、波导、调制等器件，代表着该晶体的主要应用方向【9 】。近 来，由于晶体微观工程领域的突破，周期性极化的l i n b 0 3 晶体( p p l n ) 同样在 激光倍频、通讯、环境探测等方面具有出色的表现 1 0 - 1 3 】。 许多文献中报道了掺杂l i n b 0 3 晶体的研究1 1 4 】，如掺m g o 的m g ：l i n b 0 3 晶 体【l ”2 1 ，可使其抗激光损伤闽值成百倍的提高，迅速地促成了l i n b 0 3 晶体在非 线性光学领域中应用的新局面。首先是用m g ：l i n b 0 3 晶体制成的电光和非线性 器件，可在较高功率密度下使用，作为n d ：y a g 激光器的腔内倍频，其输出功率 己高达6 0 左右。其次在m g ：l i n b 0 3 晶体中掺入激活离子n d 3 + ，使其变为自倍 频激光晶体，用这种晶体制造的激光器可以实现自倍频、自调q ，并可以在半导 体激光器泵浦下使用。掺m g o 和f e 2 0 3 的双掺杂m g ：f e ：l i n b 0 3 晶体可产生光折 变效应【2 4 】，这也是当前研究最多的一种光折变晶体，并将成为有发展前途的 光折变材料。l i n b 0 3 晶体通常使用的掺杂剂f e 原子【2 5 】，进入晶格后成为f e 2 + 或f e ”离子，这两种离子的浓度比决定了晶体的光折变行为，光伏特性记录的灵 敏度随着f e ”浓度的增加而增大。晶体的暗电导率和光电导率依赖于载流子的寿 命，而载流子寿命与f e 2 + 浓度成反比。另外z n ：f e ：l i n b 0 1 【2 6 】、c e ：f e ：l i n b 0 1 f 2 7 】、 t b ：f e ：l i n b 0 3 【2 8 1 、 i n ：f e ：l i n b 0 3 【2 9 1 、e r ：l i n b o 1 1 3 2 1 、y ：l i n b o 1 3 3 1 、 山东大学硕士学位论文 c o ：l i n b 0 3 | 3 4 】【3 5 】、z n ：l i n b 0 3 、t i ：e r ：l i n b 0 3 【3 6 】、t i ：l i n b 0 3 3 7 1 1 3 8 1 1 3 9 1 、 c r ：l i n b o 一1 1 4 1 1 4 2 】、c o ：c 出n b o 3 【4 3 】、c o ：m g ：l i n b o 一、w ：l i n b 0 1 4 5 1 、 n d ：l i n b 0 3 【4 6 】1 4 7 1 、c r ：m g ：l i n b 0 3 【4 8 1 1 4 9 1 等掺杂晶体也有很多的研究。 目前应用的l i n b 0 3 晶体，大部分是从同成分熔体中生长的高光学质量的单 晶【5 0 】。但是，l i n b 0 3 晶体的实际组分具有偏离其化学计量比的趋势“1 。一般条 件下生长出的l i n b 0 3 晶体总表现为“缺少，通常使用的同成分l i n b 0 3 晶体的 【l i n b 比约为4 8 6 5 1 4 ( 摩尔百分比) ，小于化学计量比( 1 ：1 ) ( 摩尔百分比) 。 由于严重缺l i ，晶体中形成了大量的本征缺陷，这对l i n b 0 3 晶体的诸多性能造 成了较大的影响。如光学损伤闽值低，电光系数随温度变化大等。这种材料做成 的器件，抗光损伤能力和温度稳定性差，所以晶体的应用受到很大影响。 近年来，为了扩大l i n b 0 3 晶体的应用范围，近化学计量比的l i n b 0 3 晶体的 研究成为热点。由于近化学计量比的l i n b 0 3 晶体高的光学性能和晶格的完整性， 可以大量用作衬底材料【5 2 】。用提拉法生长特定组成的高质量非同成分l i n b 0 3 晶 体是非常困难的，由于组分偏离，即使在富l i 的熔体中生长的l i n b 0 3 晶体，l i 的含量虽有提高，但晶体上下成分不均匀。为了克服这个弱点，现在发现了很多 生长近化学计量l = l i n b 0 3 晶体的方法，开辟了新的应用前景。第一种为气相交 换平衡技术，就是把同成分l i n b 0 3 晶体放在富l i 气氛中进行高温处理，使锂扩 散到晶体中，这种方法只适用于制备片状样品，很难获得大块单晶。第二种为双 坩埚技术。日本的k i t a m u m 等人用双坩埚法生长出了高光学质量的化学计量比的 l i n b 0 3 单晶，尺寸为q b 4 5 x 8 0 m m ，其l i 的含量为4 9 9 9 + _ 0 o l m 0 1 5 3 。但是由于 该方法所用的设备复杂，一般实验条件很难实现。第三种为以k 2 0 作助熔剂的顶 部籽晶法，可以通过控制向同成分熔体中加入k 2 0 的量，进而改变 l i n b l 比， 从而生长不同 l i y b 】比的高光学质量的l i n b 0 3 体。通过原子吸收分析，晶体 中的钾含量很小，可以忽略不计。1 9 9 6 年，西班牙的v b e r m u c e z 等人用这种方法 生长出化学计量比的l i n b 0 3 晶体，国内南开大学和中国科学院上海光学精密机 械研究所也报道了用这种方法生长出化学计量比的l i n b 0 3 晶体。由此看来，用 k 2 0 作助熔剂的生长方法有一定的应用前景。 虽然在富l i 的熔体中生长高光学质量的化学计量比的l i n b 0 3 晶体比较困难， 但是通过采用大坩埚长小晶体的方法，可以在一定程度上减少晶体组分的不均匀 山东大学硕士学位论文 性；并且当其 l i 【n b 】比高于同成分的l i n b 0 3 晶体而远离化学计量比( 1 ：1 ) ( 摩 尔百分比) 时，可以生长出高光学质量的晶体。作为q 开关应用的晶体材料的生 长方法，其有一定的应用前景。 1 3 前期已做的工作犯4 1 0 。4 5 。9 0 。 图1 - 3l i n b 0 3 晶体电光开关示意图 光 l i n b 0 3 晶体电光开关工作原图，如图1 - 3 所示，偏光镜的振动方向平行于 晶体的x i 轴或x 2 轴。若入射光强度为1 0 ，则经过上面的光学系统后，透射光强 度为： 刀玎：y i = i o s i n 2 r 2 2 i o s i n 2 广v 3 ( 1 - i ) 相对透过率t 为： t ：扣一孕v 3 = s i n 2 筹 z ， 半波电压的表达式 ( 1 3 ) 数参要 主的能性关 蝴 征 = 表 出推式公 山东大学硕士学位论文 m e n x 为波长，为折射率，为半波电压，当x 和所加电压k 一定时，与 3 和y 成反比，特别是圪随的三次方而改变，即”。有较小变化就会引起非 常大的变化。所以折射率是影响晶体的半波电压的主要参数。俄罗斯的l i n b o ， 晶体制作的q 开关可以在宽温度下保持高稳定性，说明其折射率随温度改变变 化不大。同成分l i n b 0 3 晶体仅能在室温( 2 5 c ) 实现开关，而不能在低温- 4 0 或高温5 0 。c 实现开关，可能主要原因是折射率的温度稳定性差，即折射率的 温度系数大。 我们认为影响l i n b 0 3 晶体q 开关温度稳定性的根本原因是晶体中的 l i n b 】比。但是，高光学质量的化学计量比的l i n b 0 3 晶体生长比较困难，而 且成本较高。实验表h y j l i n b 比越靠近( 1 ：1 ) ( 摩尔百分比) ，生长高光学质 量均匀的晶体越难。我们所测的俄罗斯的l i n b 0 3 晶体的【l i n b 】比为 4 9 0 2 5 0 9 8 ，在同成分l i n b 0 3 晶体和化学计量比l i n b 0 3 晶体之间。这就说明 l i n b 】比有一个极限值，达到这个值，l i n b o 晶体q 开关就能实现在一4 0 5 0 范围内稳定使用。前期工作的主要成果： l 俄罗斯q 开关l i n b 0 3 晶体的研究 我们用俄罗斯的q 开关l i n b 0 3 晶体与同成分l i n b 0 3 晶体进行了对比分析， 用电子探针对其进行了元素分析，并用测居里点、晶胞体积、紫外吸收边和红外 吸收光谱测出了晶体 l i n b 】比。以上各种测试结果表明，适用于宽温度范围高 稳定电光q 开关l i n b 0 3 晶体的 l i n b 】比要比同成分的高，而又小于化学计量 比( 1 ：1 ) ( 摩尔百分比) 。测试数据表明，这种晶体为非同成分非化学计量比的 l i n b 0 3 晶体，其l i 的含量为大于或等于4 9 0 2 m 0 1 。 2k 2 0 作助熔剂生长l i n b 0 3 晶体 在同成分l i n b 0 3 熔体中加入k 2 0 ，可以使生长的l i n b 0 3 晶体中的 l i n b 比提高，随着k 2 0 ；0 n , h ；l c i 拘增加，l i n b 0 3 晶体中的 l i n b 】比也逐渐向化学计 量比( 1 ：1 ) ( 摩尔百分比) 靠近。我们发现加入k 2 0 在熔体中的含量为3 5 时，所生长的晶体约为4 9 1 6 m 0 1 ，与俄罗斯的q 开关l i n b 0 3 晶体的l i 2 0 的 含量接近。 3 富l i 法生长l i n b 0 3 晶体 在同成分l i n b 0 3 熔体的基础上，加入过量的l i 2 0 ，将起到助熔剂的作用。 6 山东大学硕士学位论文 随着熔体中l i 2 0 含量的增多，晶体中【l i l n b 】比也逐渐增大。我们发现在熔体 o l i n b 】e l = ( 1 ：1 ) 时，所生长的晶体的l i 2 0 的含量接近俄罗斯的q 开关 l i n b 0 3 晶体l i 的含量4 9 0 2 m 0 1 。 4l i n b 0 3 晶体性质的研究 我们认为俄罗斯q 开关l i n b 0 3 晶体，能够在一4 0 5 0 范围内稳定工作， 主要是因为晶体的成分决定的，即在略高于同成分l i n b 0 3 晶体的 u 】 n b 】比的 情况下，晶体中的l i 空位减少，从而减少了晶体中的点缺陷，进而提高了晶体 的温度稳定性。 以k 2 0 作助熔剂生长l i n b 0 3 晶体，由于温场、拉速、转速等原因，晶体易 于凹界面生长，导致晶体中存在大量的因k 2 0 和气体引起的包裹体，还有小角 晶界和色心等缺陷。色心可以通过把晶体在空气的气氛下放在电阻炉中在1 1 0 0 恒温1 0 小时而消除。 以k 2 0 作助熔剂生长l i n b 0 3 晶体，在由于在低于居里温度生长，生长出的 l i n b 0 3 晶体一般为单畴。同成分生长或富l i 法生长l i n b 0 3 晶体，其生长温度 一般高于居里温度，所以生长的晶体为多畴，需要在1 1 8 0 下极化，以消除畴 肇。 1 4 本论文的研究目标、思想路线、实验方案 1 4 1 研究目标 生长出在宽温度范围稳定工作的可以作为q 开关使用的大尺寸高质量的 l i n b 0 3 晶体。晶体的技术指标是： ( 1 ) 偏振椭圆系数：不小于1 0 0 ； ( 2 ) 对比度系数：不小于3 0 ： ( 3 ) 在环境温度一4 0 5 0 的条件下及温度变化情况下，椭圆度系数，对 比度系数及电光系数均不发生明显变化。 1 4 2 实验思想路线 ( 1 ) 通过测定晶体的居里温度、半波电压，以及采用电子探针、x 粉末衍 山东大学硕士学位论文 射等手段的分析，确定俄罗斯的l i n b 0 3 晶体成分、【l i n b 比及半波电压与同 成分的l i n b 0 3 晶体的区别，分析其与q 开关稳定性的关系： ( 2 ) 通过合适的生长方法，生长出具有与俄罗斯晶体的 l i n b 比和半波 电压相近的优质大晶体。分析晶体结构、成分、 l i n b 】比及半波电压；对其光 学性质进行评估并进行q 开关实验，研究温度的变化对q 开关的影响：寻求最 佳的 l i n b 比和半波电压； ( 3 ) 对在环境温度一4 0 5 0 的条件下，实现高稳定开关的l i n b 0 3 晶体的 生长工艺进行研究，总结出规律性。 ( 4 ) 对晶体的缺陷进行研究，分析其对晶体- | 生质的影响，并找出其形成的 原因，从而通过减少不利的缺陷，改善晶体质量。 1 4 3 实验方案 ( 1 ) 采用k 2 0 作助熔剂的顶部籽晶提拉法，生长出0 3 0 x 3 0 m m 的l i n b 0 3 晶体； ( 2 ) 采用富l i 提拉法，通过设计合适的温场，采用适当的提拉速度和转速 生长0 5 0 x 5 0 m m 的l i n b 0 3 晶体： ( 3 ) 采用富l i 掺质提拉法生长0 5 0 x 5 0 m m 的l i n b 0 3 晶体。 参考文献 【1 】张克从，王希敏，非线形光学晶体材料科学，科学出版社，( 1 9 9 6 ) 2 】陆学善，相图与相变，中国科学技术大学出版社，( 1 9 9 0 ) 【3 】k p o l g a r ，a ，p e t e r , e ta 1 j o u m a lo f c r y s t a lg r o w t h ，2 1 8 ( 2 0 0 0 ) 3 2 7 4 】y a s u n o r if u r u k a w a ，k e n j ik i t a m u r a ，s h u n j it a k e k a w a ，o p t i c sl e t t e r s ，2 3 ( 1 9 9 8 ) 1 8 9 2 5 】王忠敏，人工晶体学报，3 1 ( 2 0 0 2 ) 1 7 3 6 】s h u n s u k ei z u m i ，m a n a b us a t o ，e ta l ，j p n j a p p l p h y s ，3 7 ( 19 9 8 ) 1 3 8 3 7 李文润，耿华，姚江宏，阮永丰，等人工晶体学报，3 2 ( 2 0 0 3 ) 3 5 1 8 】w i l l i a mh o l s t e i nl j o u r n a lo f c r y s t a lg r o w t h ，1 7 1 ( 1 9 9 7 ) 4 7 7 【9 】j e rm a n nf s i m o nm ，k r a z i ge j o p t s o c a m ，b 1 2 ( 1 9 9 5 ) 2 0 6 6 【1 0 】u b a d e r ，j 一pm e y n ，e ta l ，o p t i c sl e t t e r s ，2 4 ( 1 9 9 9 ) 1 6 0 8 r 山东大学硕士学位论文 【1 1 u s c h l a r b ，k b e t z l e r ，p h ) r s i c a lr e v i e wb ，4 8 ( 1 9 9 3 ) 1 56 1 3 1 2 r u e i - c h a n gl u ，e ta l ，o p t i c a la n dq u a n t u me l e c t r o n i c s ，3 2 ( 2 0 0 0 ) 3 1 3 【1 3 】p m b r i d e n b a u g h ，i o u m a lo f c r y s t a lg r o w t h ，1 9 ( 1 9 7 3 ) 4 5 1 4 】范志新，刘新福，人工晶体学报，3 1 ( 2 0 0 2 ) 6 7 【1 5 】徐衍岭，刘欣荣，徐悟生，徐玉恒，王继扬，高技术通讯，4 ( 1 9 9 9 ) 3 4 【1 6 b c g r a b ma i e r ，f o t t o ，j o u r n a lo f c r y s t a lg r o w t h ，7 9 ( 1 9 8 6 ) 6 8 2 【1 7 y a s u n o r if u r u k a w a ，e ta l ，j o u r n a lo f c r y s t a lg r o w t h ，9 9 ( 1 9 9 0 ) 8 3 2 【1 8 】l u i sa r i z m e n d i ，r i c h a r dc p o w e l l ，j a p p l p h y s ，6 1 ( 1 9 8 7 ) 2 1 2 8 1 9 】w i l l i a m1 h o l s t e i n ，j o u r n a lo f c r y s t a lg r o w t h ，1 7 1 ( 1 9 9 7 ) 4 7 7 2 0 】b c g r a b m a i e r , e ta l ，j o u r n a lo f c r y s t a lg r o w t h1 1 0 ( 1 9 9 1 ) 3 3 9 【2 l 】yf u r u k a w a ，k k i t a m u r a ，e ta l ，j o u r n a lo f c r y s t a lg r o w t h ，2 1 1 ( 2 0 0 0 ) 2 3 0 【2 2 】y a s u n o r if u r u k a w