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.     

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.     

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。     

系列铌酸锂晶体在电光调Q激光系统中的激光损伤性能研究

搭建了一套1064 nm波段的电光调Q激光系统,并对其能量、脉宽、光斑质量等进行了表征.在该激光系统环境中分别测试了扩散法制备的掺杂1 mol;氧化镁的近化学计量比铌酸锂(Mg1 SLN)晶体、名义纯同成分铌酸锂晶体(CLN)及掺杂5mol; MgO的铌酸锂(Mg5LN)晶体的激光损伤性能.结果 表明,在该调Q激光工作环境下,当波长1064 nm;脉宽为9.8 ns、频率为1 Hz时,Mg1 SLN晶体、Mg5 LN晶体和CLN晶体多个测试点发生激光损伤时对应的功率密度的平均值分别为1141 MW/cm2、874 MW/cm2和651 MW/cm2.     

高掺锌/镁铌酸锂薄膜的光电性质

室温下采用射频磁控溅射(RFMS)技术在玻璃与硅基板上分别沉积了纯铌酸锂LN薄膜、高掺锌(6%,摩尔分数,下同)LN∶ZnO薄膜和高掺镁(5%)LN∶MgO薄膜,并在575 ℃条件下退火进一步提高薄膜的结晶度。通过原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)、紫外可见吸收(UV-Vis)和椭偏仪等测试研究了三种铌酸锂薄膜的形貌、结构和光学性质。XRD分析表明掺杂铌酸锂薄膜和纯铌酸锂薄膜具有相同的生长取向,AFM、XRD、UV-Vis测试结果表明,掺杂将增大铌酸锂薄膜的晶粒尺寸,光学带隙的红移现象与晶粒尺寸相关,且掺Mg的影响大于掺Zn。此外利用霍尔效应测试仪研究了LN、LN∶ZnO和LN∶MgO薄膜的电学性质,测试结果表明三种薄膜均为n型半导体,其中LN∶MgO薄膜电导率的变化趋势不同于LN∶ZnO和LN薄膜,且发现温度在18~50 ℃范围内,随着温度的升高,LN∶MgO薄膜的电导率变化微小,而LN∶ZnO和LN薄膜的电导率逐渐增大。     

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.     

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;.     

大尺寸近化学计量比铌酸锂晶体的制备

研究了扩散法制备近化学计量比铌酸锂晶体的工艺,从原料配比、合成方式、晶片放置方式和扩散工艺等方面进行了工艺优化.对不同厚度和切割方向的铌酸锂晶体进行扩散处理,对三英寸Z-cut铌酸锂晶体进行了批量扩散试验,并对扩散后的晶体进行了组分和均匀性测试.结果表明,厚度为3.1 mm的Z-cut晶体组分达到近化学计量比,光学质量达到实用化要求,而XYZ=5.1 mm×5.1 mm×21.0 mm的晶体光学质量较差,同时厚度达1.8mm的Z-cut三英寸近化学计量比铌酸锂晶片可实现批量制备.     

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。     

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.     

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.     

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。     

非对称扩散工艺制备近化学计量比钽酸锂晶体的研究

利用气相平衡输运法制备的近化学计量比钽酸锂晶体质量好,制备工艺简单,但受固体扩散速率低的影响,该方法较难制备大厚度晶体。本文基于钽酸锂晶体的扩散机制,采用待扩散晶片一侧为富锂气氛,另一侧为同成分气氛的非对称扩散工艺,对钽酸锂晶体进行了扩散处理,并对组分和畴反转电场进行表征。结果表明,非对称扩散工艺为反位钽离子的扩散提供了通道,提高了晶体中反位钽离子和锂离子的扩散速率,有利于制备大厚度近化学计量比钽酸锂晶体。     

高掺镁铌酸锂晶体的生长及其激光器件性能的研究

本文报道高掺镁铌酸锂晶体的生长，测试了晶体的光学性能－双折射梯度和消光比，晶体的光折变阈值，红外透射光谱和光电导，用高掺镁铌酸锂晶体制做了倍频器和Ｑ开关。研究了它们的性能和应用。     

近化学计量比和掺镁近化学计量比铌酸锂晶体的生长与表征

发明了悬挂坩埚技术并利用该技术成功生长了2英寸掺镁和纯化学计量比铌酸锂晶体,并对这两种晶体的结构、热学性质和光谱性质进行了全面的表征。此外利用原料合成新方法——溶液合成法使掺镁近化学计量比铌酸锂晶体的组分均匀性和光学均匀性显著提高,测试结果证明了晶体的高光学均匀性和成分均匀性,完全符合应用的要求。     

适温离子交换掺铒铌酸锂薄膜的制备研究

本文通过制备KNO₃和Er(NO₃)₃熔融混合物,将其与铌酸锂薄膜在高温管式炉中混合进行适温热扩散,并结合退火工艺,发明了一种直接在铌酸锂薄膜上掺杂Er³⁺的方法。通过不断变换热扩散温度、掺杂试剂浓度比例和晶体切向等参数,用控制变量法探究了不同参数对适温离子交换法掺杂Er³⁺效果的影响,在热扩散和退火温度360℃及KNO₃和Er(NO₃)₃质量比25∶1的参数设置下获得了表面形貌较佳的Z切掺铒铌酸锂薄膜。通过飞行时间二次离子质谱仪并利用已知掺杂浓度的薄膜进行定标,检测了所获得的掺铒铌酸锂薄膜中的Er³⁺浓度情况,对所采用适温离子交换法的有效性进行了验证。这一方法大幅简化了铌酸锂薄膜掺杂的工艺,同时节约了成本,有助于后续在铌酸锂薄膜平台上实现分区掺杂的工作,为未来定制化铌酸锂光子集成平台的搭建提供参考。     

铌酸锂晶体锂含量的精确测量研究

采用碳酸锂粉末和五氧化二铌粉末通过烧结制备了氧化锂含量为47.84mol;～50.50mol;的铌酸锂多晶粉末,并烧结为陶瓷片样品.然后利用精密数字电容电桥测量了这些样品的介电常数随温度的变化,得到了铌酸锂的居里温度Tc与锂含量的关系.     

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。