摻雜對材料光學性能的影響 演示文稿課件

缺陷對LiNb03光折變性能的影響鈮酸鋰晶體簡介鈮酸鋰晶體的結構鈮酸鋰晶體的本征缺陷鈮酸鋰晶體的非本征缺陷光折變效應簡介LiNb03晶體的光折變效應的基本過程摻鐵鈮酸鋰晶體光折變性能的優化鈮酸鋰晶體簡介鈮酸鋰(LiNb03，LN)晶體是具有氧八面體結構的鐵電體。它集壓電、電光、聲光、光學非線性和光折變等效應于一身，在光調制、光信息放大、光開關和光波導等眾多方面有著廣泛的應用，特別吸引人的是它在光全息存儲領域的應用前景，是迄今人們所發現的光學性能最多、綜合指標最好的人工晶體。四十多年來，人們對LiNb03晶體進行了大量的研究，主要集中在以下幾個方面口：(1)晶體生長、晶體結構及缺陷、摻雜離子在晶體中占位的研究；(2)摻雜對LiNb03晶體性能的影響：(3)LiNb03作為基片的光波導器件的研究(4)LiNb03晶體的光折變性能及相關器件的研究(5)摻雜稀土元素的LiNb03晶體的發光及相關器件的研究(6)LiNb03晶體中聚邊多疇的研(7)不同[Li]／[Nbl比對LiNb03晶體性能影響的研究(8)化學計量比LiNb03晶體的生長及性能研究這些研究使得人們對LiNb03晶體有了較全面的了解，促使這種晶體得以實用化。在高溫狀念的順電相為

點群，在低溫的鐵電相，其結構發生畸變，成為3m點群。在LiNb03的晶體結構中，負離子

堆積成品格骨架，形成平面層，沿c軸方向堆積，正離子“和”填充在骨架中。順電相時，每個堆垛中氧八面體按下述順序交替出現。一個中心有Nb的氧八面體，兩個在其公共面上有Li的氧八面體。在順電相，Li和Nb分別位于氧平面和氧八面體中心，無自發極化。在鐵電相，Li和Nb都發生了沿c軸的位移，前者離開了氧八面體的公共面，后者離開了氧八面體的中心，造成了沿c軸的電偶極矩，即出現了自發極化。鈮酸鋰晶體的本征缺陷在通常情況下鈮酸鋰晶體都處于缺Li的狀念，即Li／Nb<1。造成這一現象的原因是：

和

具有幾乎相同的離子半徑(分別為0．68A和0．69A)，且二者均被畸變的氧八面體包圍，處于相似的品格環境中，但

—鍵要比比—鍵強得多，所以LiNb03晶體的組分有偏離其化學計量比的趨勢。1.氧空位模型：由于鋰的缺少，在鈮酸鋰品格中形成鋰空位，同時形成相應數量的氧空位來實現電荷的補償。2.鈮空位模型：LiNb03晶體中不存在氧空位，由于鋰缺少而造成的鋰空位全部由鈮填滿，形成反位鈮

，電荷的平衡是在鈮位形成相應數量的鈮空位心

來實現的。3.鋰空位模型：同成分鈮酸鋰晶體中不存在氧空位，鋰的缺少導致鋰空位，為了保證晶體的電中性，一部分鈮占據鋰位來實現電荷的補償，這時鈮酸鋰晶體的結構可寫為摻入光折變敏感離子：

和某些變價元素，這些雜質在光激發過程中充當著電荷施主與受主的作用，參與光折變材料的電荷輸運過程，從而提高了晶體的光折變性能。摻入光折變敏感雜質的鈮酸鋰晶體廣泛的應用于全息數據存儲、全息關聯存儲、相位共軛、光放大等領域。其中，Fe：LiNb03晶體已經成為國內外光學體全息存儲和識別系統中的首選材料。摻入抗光折變雜質離子抗光折變離子包括鎂

銦

、鈧

等，這種雜質離子摻進LiNb03中都有一個閾值濃度，通常要超過其閾值濃度才起到較明顯的作用。當達到或超過閩值濃度的摻雜LiNb03晶體抗光損傷性能比純LiNb03晶體提高1～2個數量級，同時晶體的響應時間縮短，衍射效率降低。摻進抗光損傷雜質離子的LiNb03晶體用于制做倍頻、調制器、Q開關、參量振蕩器等器件摻入稀土族元素以LiNb03晶體作為固體激光基質材料，通過摻入激活劑，獲得激光晶體。這方面工作集中在選擇稀土離子作摻雜劑，并對其吸收、激發、發射、熒光壽命等各種光譜性能進行研究。已有報道的摻雜稀土離子包等。利用抗光損傷能力較強的Mg：LiNb03、zn：LiNbO3或In:LiNb03，代替純LiNb03作激光基質材料，更為優越。光折變效應簡介光折變效應(Phocorefractiveeffect)是光致折射率變化的效應的簡稱，它是指在電光和光電導材料中，因光輻照導致的折射率變化現象。這種折射率變化不僅能將光的空間分布轉化為折射率的空間分布，記錄光的空問信息，而且因光輻照所形成的折射率非局域分布會反作用于入射光波，引發光束問能量的耦合和空間信息的傳遞。光折變材料具有靈敏度高，可反復擦除記錄，可實時處理等獨特功能，在許多領域都有十分重要的用途。例如在光學信息存儲、光學信息處理、光邏輯運算、光相位共軛等諸多領域有著廣泛的應用前景，特別是旨在以“光子”取代“電子”的“信息高速公路”工程中，可望發揮重要作用。LiNb03晶體的光折變效應的基本過程LiNb03晶體中存在著某些雜質或缺陷，這些雜質或缺陷充當電荷的施主或受主。當晶體在調制光的輻照下，雜質或缺陷上的電荷受光激發而進入導帶或價帶，在導帶或價帶中電子或空穴由于濃度梯度而擴散，或由于外加電場而漂移，或由于光生伏特效應(LiNb03）晶體屬于鐵電晶體，其晶胞結構的不對稱導致了一個自發電極矩，經過單疇處理后的晶體，每個晶胞的自發電極矩取向不一致，從宏觀上看形成了一個內電場，光生載流子在此內電場作用下產生遷移)而運動。這些運動著的電子或空穴被受主俘獲。這樣，電子或空穴由于光激發、遷移，最后被俘獲而使這些雜質或缺陷上的電荷分布有了變化，形成了與光強的調制變化相對應的空問電荷分布，從而產生相對應的空間電荷場。空間電荷場再通過電光效應使晶體的折射率發生調制變化，形成光折變體位相柵。摻鐵鈮酸鋰晶體光折變性能的優化從光折變效應的基本過程可以看出，光折變效應產生的基礎是在光折變晶體內產生光激發電荷載流子，其根源是晶體內的雜質缺陷和本征缺陷，它們被統稱為光折變中心。因此，要想調節或優化Fe：LiNb03晶體的光折變性能，改變其雜質或本征缺陷狀況是優化其光折變性能的重要途徑。1共摻抗光折變雜質對Fe：LiNb03晶體的影響：目前為止，發現的抗光折變雜質離子主要有Mg、Zn、Sc、In等具有單一價態和滿殼層結構的離子，它們可以降低晶體的光折變性能，提高晶體的抗光致散射能力。2氧化還原對Fe：LiNb03晶體的影響：氧化和還原處理是通過一些化學反應，改變晶體內缺陷中心的性質，如摻雜離子的氧化態、空位的濃度等，進而影響晶體的光折變性能3.[Lil／lN