掺镁铌酸锂晶体的双阈值效应与中国之星II.ppt

掺镁铌酸锂晶体的双阈值效应与“中国之星?II” 张光寅，孔勇发，姚江宏，许京军 南开大学光子学中心 一、“中国之星”抗光折变微观机理研究 铌酸锂晶体显著特性—光折变。 铌酸锂晶体的光折变一方面开拓了铌酸锂晶体在全息存储、光放大等方面的应用，同时又限制了晶体在光波导、频率转换、Q-开关、光参量振荡等方面的应用。 高掺镁铌酸锂晶体—掺镁量大于4.6 mol%（阈值），抗光折变能力可以提高两个量级以上（南开大学与西南技术物理研究所，1980）。 “中国之星” 1984年在SPIE一次分会上专门对高掺镁LiNbO3晶体的前景进行了讨论；会上，该晶体被誉为“Star of China”。 这一原创性的发现引发了国际上的大量研究工作，成为该领域的开篇必引之作，据不完全统计，引用次数已达二百多次。 掺镁铌酸锂晶体抗光折变能力的不断提高 富锂掺镁铌酸锂晶体—三个量级 （温金珂 等，1988） 近化学计量比掺镁铌酸锂晶体—四个量级 （Furukawa et al.，1998） 近化学计量比掺镁铌酸锂晶体抗光折变机制 唯象—当掺镁量超过阈值后，再增加掺 杂量，晶体的光电导变化不大， 光生伏特电流逐渐减小（Furukawa　et al.，2000） 微观—　？ 问题的提出 虽然掺镁铌酸锂晶体被发现已经二十多年，对其微观机理的认识仍然不够全面，最近发现的一些现象还没有合理的解释。 铌酸锂晶体的抗光折变能力进一步提高？ “中国之星”抗光折变微观机理研究 晶体生长 吸收谱 红外光谱在Nicolet?701 FT?IR 光谱仪上观测，入射光方向沿晶体y轴。 紫外-可见光谱在Shimadzu UV-365 分光光度计上观测，入射光方向沿晶体c轴。 实验结果 [Mg]Cth [Mg]=Cth [Mg]Cth 不同掺镁量及锂铌比的掺铁铌酸锂晶体的紫外-可见吸收谱 掺镁铌酸锂晶体抗光变微观机理 当铌酸锂晶体的掺镁量超过通常所说的阈值时，光折变敏感离子，如Fe2+/3+中的Fe3+离子和部分Fe2+离子，由锂位变到铌位，但仍有部分Fe2+离子停留在锂位； 光折变受主中心的丧失使晶体的光电导大幅增加，抗光折变能力显著增强；但光折变施主中心的继续存在使晶体的抗光折变能力还不够强；继续增加掺镁量或提高锂铌比将有助于光折变施主中心的减少，从而进一步增强晶体的抗光折变能力。 二、双阈值效应及 “中国之星—II” 缺陷化学分析 同成分铌酸锂晶体中总是表现为缺锂，过剩Nb2O5的将以如下的本征缺陷形式存在（锂空位模型，Iyi et al., 1992）： 当掺镁量较低时 继续增加掺镁量 这一过程将持续到所有的锂空位被取代 对于光折变敏感离子，如Fe2+/3+ 当掺杂量达到阈值时 Fe3+离子因为价态高于Mg2+离子而占铌位； Fe2+离子 与Mg2+离子为同价态，应同时进入铌位； 电负性（1.7）与Mg2+离子（1.2）相比更偏离锂离子（1.0）而趋向占铌位； 为一稳定的缺陷集团，限制了它进入铌位的能力 因此仍然有部分在锂位。 当掺杂量超过阈值时 Fe2+离子：随着锂空位的减少，占锂位逐渐减少，更多的占铌位；并且将随着锂空位的消失，全部占铌位。 双阈值效应 铌酸锂晶体中存在两个掺杂阈值； 第一阈值（ ） ，即通常所说的掺杂阈值，对应于所有的反位铌离子被取代，掺入的镁离子开始占铌位，高价态的光折变敏感离子占铌位； 第二阈值（ ），对应于所有的锂空位被取代，所有低价态的光折变敏感离子占铌位。 掺镁铌酸锂晶体的阈值与掺杂量及缺锂量的关系 “中国之星—II” 掺杂量达到第二阈值的晶体将具有超强的抗光折变能力。 与“中国之星”相对应，可以将掺杂量达到或接近第二阈值的掺镁铌酸锂晶体称作“中国之星—II”。 其优异的抗光折变性能将使其具有极其光明的应用前景。 “中国之星—II”的抗光折变能力 我们利用添加助熔剂及气相传输平衡等方法得到了一些掺杂量比较接近第二阈值的进化学计量比掺镁铌酸锂晶体。 掺镁量分别为： 0.5mol%，标记为 SLN05，[Li]/[Nb]=0.997; 1.0mol% ，标记为SLN1， [Li]/[Nb]=0.995; 2.0mol%，标记为 SLN2， [Li]/[Nb]=0.988. 光斑畸变法测量铌酸锂晶体抗光损伤能力 用光斑畸变法观测不同组分及掺镁量铌酸锂晶体抗光折变能力 全息法测量近双阈值铌酸锂晶体折射率变化 用全息光栅纪录观测近双阈值掺镁铌酸锂晶体的折射率变化 “中国之星?II” 闪耀光芒 虽然“中国之星?II”的研制工