镁锌掺钕铌酸锂晶体的生长及光学性能研究

摘要

本文利用提拉法，研究较优的工艺参数，生长出无明显宏观缺陷、光学均匀性好的镁钕、锌钕和铬钕系列铌酸锂单晶。 X射线粉末衍射实验结果表明Zn：Nd：LiNbO3、Mg：Nd：LiNbO3和Cr：Nd：LiNbO3晶体具有与LiNbO3晶体相同的晶格结构。对生长后的晶体晶胞参数进行计算后发现，晶格常数随着ZnO、MgO和Cr2O3含量的增加而增加。Zn：Nd：LiNbO3、Mg：Nd：LiNbO3和Cr：Nd：LiNbO3晶体的紫外吸收边和红外吸收峰的变化机理也在本文中被讨论。研究显示Zn2+、Mg2+和Cr3+离子优先取代反位铌(NbLi4+)。当ZnO，MgO含量达到其阈值浓度后，所有的反位铌被完全取代，Mg2+，Zn2+离子占据NbLi4+发展到占据Li+位和Nb5+位。在Mg：Nd：LiNbO3、Zn：Nd：LiNbO3荧光光谱得出1.088μ的能级上易实现激光振荡，特别是1.088μ的能级易用于大功率的固体激光器。而掺Cr3+荧光光谱中可以发现Cr3+离子对Nd3+离子起到很好的敏化作用。对Cr3+荧光寿命测试中，共掺Cr和Nd的样品Cr3+离子从吸收泵浦光能量到把能量转移给Nd3+离子的整个时间也小于Nd3+离子本身的荧光寿命，因而也就不会影响把Cr：Nd：LiNbO3制成小型激光器时输出的激光功率密度。 从二波耦合测试结果可以得出，随着Mg和Zn的含量的增加，铌系铌酸锂晶体的光折变效应减弱。在掺Zn的Nd：LiNbO3我们也发现了同掺Mg的Nd：LiNbO3相同的结果。在光激发载流子的测试中发现掺入3mol％和5mol％的时候光激发载流子以电子为主；当超过阀值浓度时，光激发载流子以空穴为主。 利用透射光斑畸变法测试了Mg：Nd：LiNbO3、Zn：Nd：LiNbO3晶体的抗光致散射能力。当ZnO、MgO含量低于其阈值浓度时，晶体的抗光致散射能力变化不大。相反地，当ZnO、MgO含量达到其阈值浓度后，晶体的抗光致散射能力显著增加，比纯LiNbO3晶体提高了二个数量级。 在晶体倍频效率的测试中，我们得出了生长晶体的相位匹配温度和相位匹配角度，掺Mg，Zn的晶体的相位匹配角均明显的小于纯铌酸锂的数值，因而可以通过提高温度实现90°的最优相位匹配。Nd和Cr离子的加入使相位匹配温度下降，在Nd：LiNbO3中掺入Mg与Zn后，随着Mg与Zn的含量的增加，相位匹配温度逐渐升高。 在对Zn(7mol％)：Nd：LiNbO3和Mg(6mol％)：Nd：LiNbO3的倍频转换效率的测试中，得出随入射光功率密度的增加，晶体的倍频转换效率增加，当入射光功率密度大于12Mw/cm2后，倍频转换效率增加的比较缓慢。并且对脉冲次数温度效应与暗迹对倍频转换效率的影响进行了分析。多次脉冲激光照射，晶体温度的改变引起晶体折射率的变化，导致倍频转换效率下降。可以通过调整晶体的相位匹配角使晶体达到一个新的角度相位匹配状态。但晶体的倍频转换效率不能恢复到单脉冲激光照射时的初始状态。本文也利用不同双掺杂的LiNbO3晶体作为全息记录介质和位相共轭镜，并且进行了实时干涉计量、图象边缘增强，关联存储等实验研究。本文对铌酸锂单晶生产过程的环境污染问题进行了探讨并提出了解决办法。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1光折变效应

1.2光折变材料

1.3铌酸锂晶体国内外研究进展

1.3.1铌酸锂晶体的结构

1.3.2铌酸锂晶体本征缺陷结构模型

1.3.3铌酸锂晶体的掺杂改性

1.3.4掺杂LiNbO3晶体掺杂离子选择的标准

1.3.5光折变敏感杂质离子性能和作用

1.3.6双掺杂LiNbO3晶体的性能和应用

1.4 LiNbO3晶体抗光折变及倍频研究

1.4.1掺镁LiNbO3晶体的抗光折变及倍频效应

1.4.2其它掺杂LiNbO3晶体抗光折变及倍频效应

1.5铌酸锂在光学体全息存储中的应用

1.5.1光学体全息存储的特点

1.5.2光学体全息存储研究进展

1.6本课题的研究内容和意义

第2章试验材料和实验方法

2.1原材料来源及配比

2.2结构测试装置和方法

2.2.1钕含量分析

2.2.2晶体的均匀性检测

2.2.3双折射梯度自动扫描装置

2.2.4 X-射线衍射测试

2.2.5红外光谱的测试

2.2.6紫外-可见光谱测试

2.2.7 Zn：Nd：LiNbO3和Mg：Nd：LiNbO3的荧光光谱的测试

2.2.8 Cr3+离子的荧光寿命的测试

2.3晶体光折变性能的测试

2.3.1二波耦合指数增益系数的测试

2.3.2衍射效率的测试

2.3.3晶体的光激载流子类型的确定

2.3.4掺杂铌酸锂晶体的抗光折变性能测试

2.4晶体激光性能的测试

2.4.1激光振荡

2.4.2倍频性能测试

第3章晶体制备及质量分析

3.1铌酸锂晶体原料配比及元素的选取

3.2原料预烧结

3.3铌酸锂晶体生长

3.3.1铌酸锂晶体生长的设备装置

3.3.2晶体生长工艺参数的选择

3.3.3晶体生长过程

3.4晶体的极化及氧化还原处理

3.4.1晶体的极化

3.4.2晶体的氧化还原处理

3.5晶体加工

3.6晶体质量分析

3.6.1钕含量分析

3.6.2晶体的均匀性检测

3.8本章小结

第4章铌酸锂晶体的缺陷结构研究

4.1 X-射线衍射测试

4.2红外光谱的测试结果及分析

4.3紫外-可见光谱测试结果及分析

4.4荧光光谱测试结果及分析

4.4.1 Zn：Nd：LiNbO3和Mg：Nd：LiNbO3的荧光光谱的测试

4.4.2 Cr3+离子对Nd3+离子荧光的敏化

4.4.3 Cr3+离子的荧光寿命

4.5本章小结

第5章镁锌掺钕铌酸锂晶体光学性能的研究

5.1晶体光折变性能测试

5.1.1光折变效应

5.1.2光折变材料的基本性能

5.1.3二波耦合指数增益系数的测试

5.1.4衍射效率的测试

5.1.5光折变性能结果讨论

5.2晶体的光激载流子类型的确定

5.2.1不同类型光激载流子的判别

5.3掺钕铌酸锂晶体的抗光折变性能的研究

5.3.1掺钕铌酸锂晶体的抗光折变性能测试结果

5.3.2抗光损伤性能结果讨论

5.4钕系铌酸锂晶体激光性能

5.4.1激光振荡

5.4.2倍频性能测试

5.4.3光致暗迹对晶体倍频转换效率的影响

5.5本章小结

第6章镁锌掺钕铌酸锂晶体全息存储研究

6.1引言

6.2实时干涉计量

6.2.1原理

6.2.2实验结果

6.2.3讨论

6.3实时图象边缘增强

6.3.1实验结果

6.3.2讨论

6.4实时全息关联存储

6.4.1采用自泵浦位相共轭镜的关联存储器

6.4.2采用四波混频位相共轭镜的关联存储器

6.5本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明及哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历