近化学计量比铌酸锂晶体光折变和畴反转研究

摘要

铌酸锂晶体是一种优良的人工晶体，具有很多重要的性质，如电光效应、声光效应、热电效应、压电效应、弹光效应、光折变效应等等，在很多方面具有广泛的应用及前景。更为重要的是由于铌酸锂在集成光学方面扮演着重要的角色，故它被认为是“光学硅”材料的有力竞争者之一。目前铌酸锂晶体研究的最大突破在于近化学计量比晶体的生长。与通常的同成分晶体相比，近化学计量比晶体的电光系数、非线性光学系数、周期极化反转电压降低、光折变等方面的性能均出现了大幅的提高。如此优异的物理性能，加之十分广泛的应用前景，使得近化学计量比铌酸锂晶体迅速成为国际上竞相追逐的光电子材料。 最近几年发展起来并迅速成为研究热点的周期极化准相位匹配技术、非挥发性全息存储技术、THz波的产生和控制技术、非线性光子晶体等都使用到不同掺杂的铌酸锂晶体。但传统的同成分铌酸锂晶体由于大量本征缺陷的存在，严重影响了铌酸锂晶体的实际应用。本论文就不同掺杂近化学计量比铌酸锂晶体展开一系列研究，力求在不同应用研究中寻找到最佳的候选材料，提高铌酸锂晶体的应用价值。 第一章，首先阐述了工作的背景、目的与意义。综述了铌酸锂晶体的基本物理性质和缺陷模型理论，概述了近化学计量比铌酸锂晶体的性能特点，并介绍了非线性光子晶体的发展前景。 第二章，介绍了近化学计量比铌酸锂晶片的制备过程和组分检测结果，成功地完成了3英寸1mm厚晶片的制备和多晶片的小批量处理。研究了一系列近化学计量比掺镁铌酸锂晶体的抗光折变性能，检测结果表明近化学计量比低掺镁铌酸锂晶体的抗光折变光强都在 26MW/cm<'2>以上，比同成分纯铌酸锂晶体提高了6个数量级以上；同时，根据近化学计量比掺镁铌酸锂晶体的光致折射率变化的研究，预计其抗光折变光强可达到TW/cm<'2>量级。最后，对掺镁铌酸锂晶体抗光折变的微观机制进行了研究，结合晶体中铁离子的占位和缺陷化学分析，提出了铌酸锂晶体抗光折变掺杂双阈值概念。 第三章，研究了近化学计量比单掺铁、双掺镁(铟)掺铁系列铌酸锂晶体的光折变性能。研究结果表明，近化学计量比掺铁铌酸锂晶体与同成分掺铁晶体相比较，在保持同等衍射效率的前提下，响应时间减少到30余秒，光折变灵敏度提高了 3～4倍：还原后的品体响应时间更短至几秒，光折变灵敏度比同成分掺铁晶体提高4～5倍；近化学计量比双掺镁掺铁铌酸锂晶体的响应时间达到秒量级以内，与同成分掺铁铌酸锂品体相比光折变灵敏度提高了7倍。 第四章，分别研究了近化学计量比掺铁和掺镁铌酸锂晶体的光诱导畴反转行为。在近化学计量比掺铁铌酸锂晶体中，利用光学傅立叶变换方法构造二维周期结构进行光诱导畴反转，实现了二维周期畴结构的制备。在近化学计量比掺镁铌酸锂晶体中，利用聚焦可见光光诱导畴反转方法，实现了晶体反转电压的大幅降低(比无光照时降低近70％，达到750V/mm以下)和“光控”铌酸锂晶体畴反转。提出双光子激发载流子光诱导畴反转微观机制。 第五章，对不同掺杂近化学计量比铌酸锂晶体的光折变和畴反转性能研究进行了总结，着重介绍了光诱导铌酸锂畴反转在非线性光子晶体制备上的可能应用，最后对该方向的深入研究和应用进行了展望。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪 论

第一节铌酸锂晶体及其缺陷结构

1.1.1铌酸锂的晶格结构和基本物理性质

1.1.2铌酸锂的本征缺陷结构

1.1.3铌酸锂的非本征缺陷结构

第二节近化学计量比铌酸锂晶体

1.2.1基本物理性能的提高

1.2.2光折变性能的大幅提高

第三节铌酸锂晶体的畴工程和非线性光子晶体

1.3.1铌酸锂晶体的畴工程

1.3.1光子晶体

1.3.2非线性光子晶体

第四节论文的工作安排

第二章近化学计量比掺镁铌酸锂晶体抗光折变性能及其微观机理

第一节近化学计量比铌酸锂晶体的制备

2.1.1近化学计量比铌酸锂晶体制备方法

2.1.2近化学计量比铌酸锂晶片制备

2.1.3近化学计量比铌酸锂晶体的组分表征

2.1.4近化学计量比铌酸锂晶片的批量生产

第二节近化学计量比掺镁铌酸锂晶体的抗光折变性能

2.2.1利用光斑畸变法研究铌酸锂晶体抗光折变性能

2.2.2利用全息法研究铌酸锂晶体光致折射率变化

第三节近化学计量比掺镁铌酸锂晶体抗光折变的微观机制

2.3.1双掺镁掺铁铌酸锂晶体的紫外—可见及红外光谱

3.2.2近化学计量比掺镁铌酸锂晶体抗光折变的微观机理

本章小结

第三章近化学计量比掺铁铌酸锂晶体光折变性能

第一节光折变基本理论

第二节近化学计量比掺铁铌酸锂晶体光折变性能

3.2.1近化学计量比掺铁铌酸锂晶体光折变性能研究及分析

3.2.2近化学计量比双掺镁(铟)掺铁铌酸锂晶体光折变性能研究及分析

本章小结

第四章光诱导铌酸锂晶体畴反转

第一节铌酸锂晶体的铁电性和极化反转

4.1.1铌酸锂晶体的铁电性

4.1.2铌酸锂晶体自发极化极性的判定

4.1.3铌酸锂晶体的极化反转

4.1.4铁电畴在外加电场下的运动

第二节近化学计量比掺铁铌酸锂晶体的二维光诱导畴反转

4.2.1光学傅立叶变换方法构造二维空间电荷场

4.2.2近化学计量比掺铁铌酸锂晶体的光诱导畴反转

4.2.3掺铁铌酸锂晶体光诱导畴反转结果分析

第三节近化学计量比掺镁铌酸锂晶体的光诱导畴反转

4.3.1关于铌酸锂晶体紫外、可见光光诱导畴反转的研究

4.3.2铌酸锂晶体光诱导畴反转时畴壁运动的观测

4.3.3近化学计量比掺镁铌酸锂晶体的光诱导畴反转

4.3.4铌酸锂晶体光诱导畴反转的机理研究

本章小结

附图

第五章总结与展望

致谢

参考文献

个人简历