掺铌酸锂晶体的光损伤行为

掺铌酸锂晶体的光损伤行为

1hf浓度对合成铌酸锂晶体的影响为了深入研究四价同时羟基磷酸钠晶体的抗光折射性能，我们培育了一系列同成分的同族同族氢磷酸钠晶体。作为比较，我们还培育了含有6.5%镁的六.5mol耀县晶体。我们测量了上述晶体的抗光折变能力及其红外吸收谱和紫外-可见光吸收谱。2实验2.1掺hf出的样品纯度采用传统的Czochralski法,将坩埚放置于一个精密电子称重系统上,自动控制系统根据电子秤称得的质量变化自动改变加热功率,来实现晶体生长过程中的放肩、等径和收尾的自动控制。生长晶体的原料为Li2CO3、Nb2O5、HfO2和MgO,它们的纯度皆为99.99%。成分配比为[Li]/[Nb]=48.38/51.62。掺入HfO2的浓度分别为2mol%、4mol%和6mol%,该掺Hf铌酸锂系列样品分别被标志为LN:Hf2,LN:Hf4和LN:Hf6;掺入MgO的浓度为6.5mol%,记作LN:Mg6.5。晶体沿C轴方向生长,LN:Hf系列晶体生长速度为1mm/h,LN:Mg6.5晶体生长速度为0.6mm/h,它们的旋转速度皆为12/min,生长晶体的尺寸约为ϕ30mm×50mm。生长后的晶体经过极化处理,切为3mm和1mmY方向的晶片,并将Y面抛光。2.2晶体法检测晶体结构用两种方法测试上述样品的抗光折变性能。第一种方法是光斑畸变。Ar+离子激光器发出波长为514.5nm的激光,经过光阑和凸透镜,聚焦到3mm晶体上,在观测屏上接受其透射光斑。激光偏振方向平行于晶体C轴。调节激光器的输出功率,同时观察透射光斑的形状。当激光功率密度较小时,晶体中不产生光损伤,此时透射光斑为一圆形斑。当激光功率密度逐渐增大到某一个值,晶体内部产生光损伤,此时透射光斑沿晶体C轴拉长,中心光强减弱,发生畸变。第二种方法为全息法,其实验光路如图1所示。Ar+离子激光器出射波长为514.5nm的激光,经过1/4波片与分束器变为光强相等的两束e偏振光,对称地入射到3mm晶片上,在晶片中形成折射率光栅。我们将其中一束光作为信号光(I20),另一束作为探测光(I10),在探测光的光路中,晶片前后分别加一个快门对其进行自动控制。体全息光栅的衍射效率公式为:η=exp(−αd/cosθcry)sin2(πdΔn/λcosθcry)(1)η=exp(-αd/cosθcry)sin2(πdΔn/λcosθcry)(1)其中,η为晶体光栅的衍射效率;α为晶体的吸收系数,在样品较薄、测量精度要求不高时可忽略;d为晶体厚度;λ为探测光波长;θcry为探测光在晶体中的入射角;Δn为晶体的折射率变化。本实验信号光和参考光的强度为600mW/cm2,它们在空气中的夹角为24°。将快门1打开,同时关闭快门2,写入光栅;间隔0.5s后关闭快门1,同时打开快门2,记录衍射光强度。衍射效率定义为衍射光强与光栅不存在时的透射光强之比。测试衍射效率随时间变化关系曲线,得出最大衍射效率,当忽略了晶体的吸收,代入公式(1)中,即可求出晶体的最大折射率变化,折射率变化越小,晶体的抗光折变能力则越强。2.3氧化对铁电体的r型光谱测试铌酸锂晶体中氢离子一般以OH-离子的形式存在。因为OH-振动对周围的离子环境非常敏感,可以将OH-作为探针来研究晶体的缺陷结构。我们利用MAGNA-560FT-IR型光谱仪在室温下对1mm晶片进行了测试,测试范围为400～4000cm-1。OH-引起的振动峰在3500cm-1附近,为了便于比较,取其范围为3400～3600cm-1。铌酸锂晶体是氧八面体型铁电体,它的基本光学吸收边可以认为是电子由O2-的2p轨道向Nb5+的4d轨道的电荷转移跃迁能量决定的。当不同类型的杂质离子进入到铌酸锂晶格当中,它的禁带宽度会发生一定程度的变化,从而导致吸收边的红移或紫移。我们采用BECKMANDU-8B型光谱仪在室温下测试了1mm晶片的紫外-可见光吸收光谱。3掺杂铌酸锂晶体的检测对于同成份纯铌酸锂晶体,光功率密度为0～100W/cm2时,光斑就会发生严重的畸变而弥散。LN:Hf2晶体的抗光折变光强为700W/cm2,比同成分纯铌酸锂晶体的抗光折变能力提高了一个数量级。光强高达5×105W/cm2时,LN:Hf4晶体的透射光斑才开始发生微小的畸变,但基本上仍为一圆形斑,其抗光折变能力显著提高,比同成份的提高了3个数量级,完全可以和高掺镁铌酸锂晶体相媲美(LN:Mg6.5晶体的光损伤光强阈值约为5×105W/cm2)。当激光功率密度稍大于5×105W/cm2时,LN:Hf6晶体的透射光斑开始发生畸变,它的抗光折变能力与LN:Hf4晶体的基本相当。光斑畸变法测试结果表明,在铌酸锂晶体中掺入4mol%Hf后,晶体的抗光折变能力大幅提高。表1列出了掺Hf系列铌酸锂晶体与高掺Mg晶体的全息实验结果。从表中可以看出,掺Hf浓度为2mol%时,晶体的最大折射率变化为2.2×10-5;掺Hf浓度为4mol%或6mol%时,晶体的最大折射率变化明显降低,与高掺Mg6.5mol%的相类似,约为8×10-6,比LN:Hf2晶体的降低了2.5倍。可见,当晶体中掺入4mol%以上的Hf后,其抗光折变能力得到显著提高。图2为掺杂铌酸锂晶体红外吸收谱的测试结果。OH-振动在3500cm-1附近形成了一红外吸收带。同成份铌酸锂晶体的OH-带中心位于3484cm-1处;对于掺镁铌酸锂晶体,当掺镁量低于阈值时,OH-吸收峰的位置不会发生变化,只有掺杂量超过阈值浓度,OH-吸收峰的位置才会移动到3535cm-1附近,它对应于Mg2+占铌位。图2中LN:Mg6.5晶体的OH-的吸收谱的主吸收峰出现在3535cm-1,与文献报道的一致。LN:Hf2晶体的出现在3484cm-1,与同成分纯铌酸锂晶体的相同,表明晶体的掺杂量在阈值以下。LN:Hf4与LN:Hf6晶体的主吸收峰发生了一定程度的紫移,出现在3487cm-1附近,表明晶体中氢离子周围的环境发生了变化,晶体中的反位铌(NbLi4+)已经全部被驱赶到正常铌位,Hf离子在铌酸锂晶格中已经占据Nb位,并以(HfNb)-的形式存在。由于(HfNb)-比(MgNb)3-对H+离子的吸引力要弱,因此高掺铪铌酸锂晶体(达到或超过阈值)的红外吸收峰的移动要小于高掺镁晶体的红外吸收峰的移动。图3为掺杂铌酸锂晶体紫外-可见光吸收谱的测试结果。晶体的吸收边的位置定义为吸收系数a为20cm-1时对应的波长。图3中:虚线为LN:Mg6.5晶体的吸收曲线,吸收边位于310nm;实线为LN:Hf晶体系列的吸收曲线。图中小图A,B和C分别表示LN:Hf2,LN:Hf4和LN:Hf6晶体的吸收曲线,对应的吸收边分别位于316.6nm,315.9nm和316.1nm。铌酸锂晶体的吸收边随着掺Mg浓度的变化出现了明显的移动,低掺时先逐渐紫移,在阈值浓度附近吸收边的波长最短,紫移程度最大,再增加掺杂量,吸收边又逐渐红移。在我们的掺Hf铌酸锂晶体系列当中也发现了类似的规律,掺4mol%Hf时,吸收边紫移程度最大,掺Hf浓度为6mol%时,吸收边发生了一定程度的红移。这一实验结果进一步证明了Hf的阈值浓度约为4mol%。4hf掺杂添加量在同成份铌酸锂晶体中掺入Hf,可以提高晶体的抗光折变能力。熔体中掺入4mol%铪时,晶体的抗光损伤光强为5×105W/cm2,比同成份纯铌酸锂晶体提高了4个量级;全息写入时的最大折射率变化为8.7×10-6,晶体的抗光折变性能完全可以和高于阈值浓度的掺镁铌酸锂晶体的相媲美,从而为抗光折变铌酸锂晶体系列当中添加了一个四价掺杂成员。掺铪浓度高于阈值后,晶体的OH-吸收谱移动到了3487cm-1附近,紫外吸收边发生了一定程度的红移。实验结果表明Hf的掺杂阈值浓度约为4mol%。铌酸锂晶体是一种多功能、多用途的人工晶体材料,但同成份铌酸锂晶体抗光折变能力较低,在纯铌酸锂晶体中掺入杂质是提高晶体抗光折变(光损伤)能力的一个有效手段。1980年,南开大学和西南技术物理所合作在南开大学实验室发现当铌酸锂晶体中的掺镁量超过4.6mol%时,晶体的抗光折变能力可以提高2个量级以上。1990年,Volk等人报道了在铌酸锂晶体中掺入高浓度ZnO,也可获得与高掺镁晶体同样的抗光折变效果。1992年,Yamamoto等人首次报道了在铌酸锂晶体中掺入Sc(1mol%),晶体的抗光折变能力比纯铌酸锂晶体提高了两倍,为抗光折变铌酸锂晶体系列当中添加了一个三价掺杂成员。1994年,孔勇发等人生长了掺铟铌酸锂晶体系列,当熔体掺杂浓度为5mol%时,晶体的抗光折变能力完全可以和高于阈值浓度的掺锌铌酸锂晶体相媲美。对于四价掺杂,人们研究最多的是钛,鉴于