优良全息光折变存储材料-双掺铌酸锂晶体

我们生长与后处理了一系列双掺铌酸锂晶体,通过光折变存储性能的测试,在这些晶体中,我们发现了三种双掺晶体:LN:Fe,Mg;LN∶Fe,In;LN∶Fe,Zn,它们具有优良的光折变存储性能,即高衍射效率(高达60～80;)、快光折变响应(比LN∶Fe 晶体缩短了一个数量级)、和强抗光散射能力(比LN∶Fe提高近两个数量级).我们还系统地研究了光强阈值效应与全息写入的关系以及全息写入与入射光强的关系,发现在光强阈值附近耦合强度有一最大值,从而提出了最佳写入光强的概念.另外,全息光栅热固定研究还显示,双掺铌酸锂晶体比单掺Fe的铌酸锂晶体具有更优良的热固定性质:快固定时间、高固定效率、长固定寿命等.     

铁铪双掺铌酸锂晶体的光致散射研究

本文研究了铁铪双掺铌酸锂晶体的光致散射行为,对比了铁铪双掺铌酸锂晶体还原前后的光致散射结果.结果表明:晶体中的锂空位可使晶体暗电导增加并引起光致散射的泵浦光强阈值效应;高泵浦光强下产生的严重光致散射起源于晶体中的较高的三价铁离子浓度.铁铪双掺铌酸锂晶体具有较好的抑制光致散射的能力.     

近化学计量比掺镁铌酸锂晶体的抗光折变性能

应用气相传输平衡技术,我们获得了3种近化学计量比掺镁铌酸锂晶体,晶体的掺镁量接近我们以前提出的第二阈值.在我们实验室所能达到的最大光强26 MW/cm2照射下,在所有近化学计量比掺镁铌酸锂晶片中没有观察到光斑畸变,该光强比同成分铌酸锂晶体所能承受的光强高6个量级,为目前已报道的铌酸锂晶体之最.应用双光束全息写入法测得掺1.0 mol; Mg近化学计量比铌酸锂晶体的光折变饱和值仅有4.6×10-7,比同成分铌酸锂晶体小两个量级,从已有实验数据推测,该晶体的抗光折变能力应当比同成分铌酸锂晶体高9个量级以上.     

四价掺杂铌酸锂晶体抗光折变性能研究

我们在同成份铌酸锂晶体中掺入四价离子铪,生长了掺杂浓度分别为2、4、6mol;的掺铪铌酸锂系列晶体.掺铪浓度达到4mol;时,晶体的抗光损伤能力为5×105W/cm2,比同成份纯铌酸锂晶体提高了4个数量级.应用全息法测得掺4、6mol;铪的铌酸锂晶体最大折射率变化为8.7×10-6,与高掺镁(6.5mol;)铌酸锂晶体的类似.晶体的红外吸收谱和紫外-可见光吸收谱也显示,掺杂浓度为4mol;时具有明显的阈值特征.由此可以确定铪离子在铌酸锂晶体中的阈值浓度约为4mol;.     

掺锆铌酸锂系列晶体

本文简介了掺锆铌酸锂系列晶体的研究进展,包括单掺锆铌酸锂、锆铁双掺铌酸锂、锆铁锰及锆铜铈三掺铌酸锂。掺锆铌酸锂晶体不但在可见波段具有远优于掺镁铌酸锂的抗光损伤能力,即使在近紫外波段,也拥有其它掺杂晶体所不具备的抗光损伤性能。锆铁双掺铌酸锂晶体兼有高光折变灵敏度和高光折变衍射效率的性质。锆铁锰和锆铜铈三掺铌酸锂晶体不但能够实现非挥发存储,其光折变响应速度及灵敏度都较铁锰和铜铈双掺晶体有大幅提高。这些实验结果表明,掺锆铌酸锂有望成为出色的非线性光学晶体。     

Cr∶LiNbO_3及Cr,Fe∶LiNbO_3晶体热释电系数提高的研究

生长了掺杂量分别为0.2mol%、0.5mol%的掺铬同成分配比铌酸锂晶体和掺铬0.2mol%、铁0.04mol%的双掺同成分配比铌酸锂晶体。利用动态电流法测试了它们的热释电系数。在同样的测试条件下,与未掺杂的同成分铌酸锂晶体相比较,掺铬铌酸锂(Cr∶LiNbO3)晶体和铬、铁双掺铌酸锂(Cr,Fe∶LiNbO3)晶体的热释电系数明显提高。同时对掺杂提高晶体热释电系数的机理进行了探讨。     

铌酸锂晶体的光折变效应

铌酸锂(LiNbO₃, LN)是一种多功能多用途的人工晶体,被称为“光学硅”。近期以铌酸锂薄膜(LNOI)为平台的集成光子学发展迅速,有将“光学硅”变为现实的趋势。高集成意味着高局域高光强密度,使铌酸锂晶体的光折变效应变得不容忽视。光折变效应是光致折射率变化的简称,是非线性光学的重要组成部分。本文回顾了铌酸锂晶体光折变效应的发现和机理、不同掺杂及掺杂组合对光折变效应的调控,重点介绍了铋镁双掺铌酸锂晶体的光折变性能及相关理论和实验结果,概述了铌酸锂光折变波导和孤子,及基于LNOI的集成光子学器件中的光折变效应,并对未来的研究趋势进行了展望。期待我国发挥铌酸锂光折变研究及LNOI产业化的优势,在光子学芯片的竞争中占据主导地位。     

高掺镁铌酸锂晶体OH-吸收光谱的低温研究

本文测量了纯铌酸锂和高掺镁铌酸锂晶体的低温红外光谱,观察了OH-吸收峰的温度依赖特性.研究发现纯铌酸锂的OH-振动吸收峰基本不随温度而变化,而高掺镁铌酸锂晶体的OH-振动吸收峰的主峰峰位随温度的降低向高波数方向移动.通过分析两种晶体中不同的缺陷模型以及H+在晶格中的占位,我们提出高掺镁铌酸锂晶体中的H+紧邻高电性杂质缺陷(MgNb)3-分布,直接参与缺陷集团,完全不同于纯铌酸锂晶体中H+的分布情形,这造成了高掺镁铌酸锂晶体中OH-振动吸收峰随温度的变化.而集团内部缺陷之间相互作用随温度降低而增强的趋势是OH-振动吸收峰右移的主要原因.     

三元同成分掺镁铌酸锂晶体的生长与抗光损伤性能研究

以三元同成分为基础配料,生长了掺杂浓度为6.5 mol;、7.5 mol;的掺镁铌酸锂晶体,并与传统的掺镁5.0mol;(Li/Nb=48.38/51.62)铌酸锂晶体作对比.光斑畸变法实验表明所生长的掺镁晶体的抗光损伤能力均达到5×105 W/cm2,与掺镁5.0mol;同成分铌酸锂晶体相近.全息法测得晶体最大折射率变化分别为4.39×10-6、4.61×10-6,而掺镁5.0mol;晶体为5.62×10-6.晶体的红外光谱和紫外-可见吸收谱显示,所生长的掺镁6.5mol;、7.5mol;晶体均已超过掺杂阈值.综上可知,采用三元同成分配比是获得高质量晶体的有效途径.     

大直径、高掺镁铌酸锂晶体的生长及其紫外光折变性能研究

我们生长了掺镁量分别为3.0mol;、5.0mol;、7.8mol;、9.0mol;的76mm高掺镁铌酸锂晶体,检测了这些晶体的生长条纹情况,并利用双光耦合配置测试了这些晶体在351nm紫外光下的光折变性能.从实验结果看,采用同成分共熔点铌锂配比的高掺镁铌酸锂晶体生长条纹比较多;虽然高掺镁铌酸锂晶体在可见光波段有很好的抗光折变能力,但是在紫外光下具有良好的光折变性能,可以作为优良的紫外光折变材料使用.同时,实验结果表明,掺镁量在5.0mol;的铌酸锂晶体具有最佳的紫外光折变性能.     

同成分铌酸锂晶体中反位铌的扩散研究

通常商业使用的同成分铌酸锂晶体(CLN)是固液同成分共熔点配比,其Li2O含量约为48.6mol;,晶体中存在大量的锂空位和反位铌等本征缺陷,进而影响了晶体的电光系数、折射率、光折变等性能.研究表明,将缺锂的晶体在高温、富锂气氛下进行扩散处理可获得接近化学计量配比的铌酸锂晶体(nSLN),这种方法获得的nSLN晶体光学质量高,且技术简便、成本低,具有实际应用价值.本文分析了富锂气氛下CLN晶体扩散过程中反位铌的扩散机制和扩散路径,认为反位铌在扩散过程中将迁移到晶体外部,并通过CLN晶片的单边扩散进行了验证.     

掺钼近化学计量比铌酸锂晶体的光折变性能研究

通过生长一系列掺钼近化学计量比铌酸锂晶体,研究了晶体的光折变性能,发现在488 nm和532 nm波长辐照下,当Mo的掺入量为0.5mol;时,晶体的光折变灵敏度分别达到0.25 cm/J和0.21 cm/J.此外,极化条件的改变可以缩短晶体在488 nm波长辐照下的光折变响应时间.通过红外光谱、紫外可见吸收光谱和X射线光电子能谱的测试,对掺钼近化学计量比铌酸锂晶体的光折变性能变化的机制进行了研究.     

名义纯及掺杂铌酸锂晶体内偏置场的实验研究

铌酸锂晶体的内偏置场对铁电应用、电光应用和非线性光学应用等均有直接影响。本工作建立了铌酸锂(LN)晶体内偏置场测试方法,对同成分铌酸锂(CLN)晶体、近化学计量比铌酸锂(nSLN)晶体、掺杂铌酸锂(doped LN)晶体的内偏置场和矫顽场进行测量。结果表明,CLN晶体内偏置场最高(E_int=2.53 kV/mm),nSLN晶体的内偏置场大幅降低,其中富锂熔体法生长和气相输运平衡(vapor transport equilibration, VTE)法结合得到的nSLN晶体的内偏置场最小,与CLN晶体相比降低了约两个数量级;掺杂铌酸锂晶体的内偏置场与CLN晶体相比也普遍降低,其中掺6.5%(摩尔分数)Mg的CLN晶体的内偏置场约为CLN晶体的四分之一,掺7%(摩尔分数)Zn的CLN晶体的内偏置场约为CLN晶体的六分之一。最后对组分和掺杂影响内偏置场的因素进行了简要分析。     

椭圆偏振法研究B离子注入LiNbO_3光波导的光学特性

用椭圆偏振法研究了2.5 MeV B离子注入后的铌酸锂晶体,建立四层模型,对反射式椭圆偏振测量得出的数据进行反演拟合,得到了波导层厚度及0.3～0.8 μm波段波导层和损伤层的双折射色散曲线,发现低剂量B离子注入铌酸锂形成了折射率下降的位垒,在晶体表面下2.0 μm范围内得到了光波导结构.研究结果为以铌酸锂为基础的光波导器件研发提供了重要信息.     

等径控制系统的改进及在光学级铌酸锂生长中的应用

分析了提拉法晶体生长过程中影响滞后变化的因素,采用传统PID调节器和计算机辅助控制相结合的办法,解决了铌酸锂晶体生长过程中的精确等径控制问题,并在大直径铌酸锂晶体生长应用中取得了满意的效果.生长的76mm直径的铌酸锂晶体,生长条纹问题得到很大改善,光学均匀性提高了一个量级以上.     

晶体材料中的常青树——铌酸锂晶体

正从上世纪70年代开始,我国科研人员就开始了铌酸锂晶体生长、缺陷、性能及其应用研究。南开大学是国内最早开展研究的单位之一,几十年来,围绕通讯、激光、国防等领域对高光学均匀性、高抗光损伤、高温度适用性光学级铌酸锂晶体的需求,将铌酸锂晶体的光学均匀性提高了近2个数量级,发明了掺镁铌酸锂晶体,将抗光损伤能力提高6个数量级以上,并实现了高光学质量近化学计量比铌酸锂晶体的实用化制备。     

锂组分对纯铌酸锂晶体光折变性能的影响研究

本文研究了低光强下锂组分对纯铌酸锂晶体的可见光折变、紫外光致吸收及紫外光折变性能的影响,发现了光折变中心种类和数量随晶体组分的渐变行为.在组分较低的同成分晶体中,大量本征缺陷形成Q极化子,因而在可见光波段表现出较弱的光生伏打效应;在组分较高的近化学计量比铌酸锂晶体中,双极化子是主要光折变中心,从而引起较高的光生伏打电场.而纯铌酸锂晶体的紫外光致吸收以及紫外光折变性能则具有相似的组分依赖关系.它们随组分的增加过程可分为两个不同的阶段:当组分小于49.70 mol;时,随组分增加缓慢升高,而当组分高于49.70 mol;时,随组分突然猛增并迅速升高.上述实验结果也可采用本征缺陷由Q极化子主导向双极化子主导的渐变过程进行解释.     

近化学计量比铌酸锂晶体的研究进展

本文总结了近化学计量比铌酸锂晶体的不同生长方法及它们各自的特色,分析了锂铌摩尔比对晶体性能的影响及Li含量的各种表征方法.通过比较看出,采用K2O助熔剂生长近化学计量比铌酸锂晶体是一种较为实用的途径.基于此,我们采用K2O助熔剂提拉法和助熔剂-坩埚下降法生长了近化学计量比铌酸锂晶体,所得晶体的最大尺寸分别达到45mm×60mm和25mm×40mm.     

高温下锂离子在低掺镁铌酸锂晶体中的扩散

研究了高温富锂气氛下锂离子在低掺镁铌酸锂晶体中的扩散.采用气相输运平衡法制备了掺杂1mol; MgO的不同锂含量的铌酸锂(Mg1LN)晶体,采用热分析仪测试了晶体的居里温度.制备了一系列不同锂含量的Mg1LN多晶料,拟合了晶体锂含量与居里温度的关系.采用Boltzmann-Matano法求解了扩散方程.结果表明,扩散温度为1100 ℃时,Mg1LN晶体中锂离子扩散系数为3.2×10-9~13.0×10-9 cm2/s,当扩散温度为1145 ℃时锂离子扩散系数约是1100 ℃时扩散系数的三倍.因此,适当提高扩散温度是提高气相输运平衡法制备近化学计量比低掺镁铌酸锂晶体效率的有效办法.     

铒镱双掺的钒酸钇和铌酸锂晶体中的铒离子的上转换发光

利用J-O理论,计算了在铒、镱双掺的钒酸钇和铌酸锂晶体中的铒离子在室温下的晶场唯象参数Ωλ(λ=2,4,6)及辐射跃迁几率、无辐射跃迁几率和共振跃迁几率.考虑到铒、镱间的能量转移,写出了在这些晶体中的铒离子的速率方程.速率方程的解表明,在铒、镱双掺的钒酸钇晶体中的铒离子的550 nm的上转换发光,比它在铒、镱双掺的铌酸锂晶体中更为有效.这一理论结果与我们的实验观察结果一致.