鈮酸鋰的性質(zhì)及應(yīng)用

1、鈮酸鋰的性質(zhì)及應(yīng)用一、晶體基本 介紹鈮酸鋰 (LINbO3 ，LN) 晶體是一種集壓電、鐵電、熱釋電、非線性、電 光、光彈 、光折變等 性能于一體的 多功能材料 ，具有良好 的熱穩(wěn)定性 和化學(xué)穩(wěn)定性， 可以利用提 拉法生長出大 尺寸晶體， 而且易于加 工，成本低 ，是少數(shù)經(jīng)久不衰 、并不斷開辟應(yīng)用新領(lǐng)域 的重要功能材料。目前，已經(jīng)在紅外 探測器、激光 調(diào)制器、光 通訊調(diào)制器、 光學(xué)開關(guān)、 光參量振蕩 器、集成光 學(xué)元件、高 頻寬 帶濾波

2、器、 窄帶濾波器、 高頻高溫?fù)Q 能器、微聲 器件、激光 倍頻器、自倍頻激光器、 光折變器件 (如高分辨的全息存儲(chǔ) )、 光波 導(dǎo)基片和光隔離器等方面獲得了廣泛 的實(shí)際應(yīng)用， 被公認(rèn)為光 電子時(shí)代光學(xué)硅的主要侯選材 料之一?；跍?zhǔn)相位匹 配技術(shù)的周期極化鈮酸鋰 (PeriodieallyPoledLiNbO3 ， PPLN) ，可以最大程度 地利用其有效非線性系數(shù)，廣泛應(yīng)用于倍頻、和頻 /差頻、光參量振 蕩等光學(xué)過 程，在激光顯 示和光通

3、信 領(lǐng)域具有廣 闊的應(yīng)用前 景，因而成為非常流行的 非線性光學(xué)材料。二、基本化學(xué) 性質(zhì)鈮酸鋰晶體簡 稱 LN ，屬三方晶系，鈦鐵礦 型 (畸 變鈣鈦礦型 )結(jié)構(gòu)， AB03型晶體結(jié)構(gòu)的 一種類型。其原子堆積為 ABAB 堆積， 并形成畸變的氧八面體 空隙， 1/3 被 A 離子占據(jù)， 1/3 被 B 離子占據(jù)，余下 1/3 則為空位。此類結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是 :A 和 B 兩 種陽離子的離子半徑相 近，且比氧離子半徑小得多。分子式 為 Li

4、NbO3，分子量為 147.8456 。相對(duì)密 度 4.30，晶格常數(shù) a=0.5147 nm，c=1.3856 nm ， 熔點(diǎn) 1240℃， 莫氏硬 度 5， 折射率 n0=2.797， ne=2.208( λ=600 nm) ，界電常 數(shù) ε=44 ， ε=29 ．5，ε=84 ， ε=30 ，一次電光系 數(shù) γ13=γ23=10×10m/V ，γ33=32×10m/V ． Γ22= -γ12= -γ61=6.8

5、 ×10m/V ，非線性系 數(shù) d31=-6.3 × 10 m/V ，d22=+3.6 × 10m/V ，d33=-47 × 10m/V 。鈮酸鋰是 一種鐵電晶體，居里點(diǎn) 1140℃，自發(fā)極化強(qiáng) 度 50× 10C/cm'。經(jīng)過畸化處理的鈮酸鋰晶 體具有壓電、鐵電、光電、非線性光 學(xué)、熱電等多性能的材料，同時(shí) 具有光折變效應(yīng)。三、生長方法1、雙柑禍連續(xù)加料法九十年代初，日本國立無

6、機(jī)材料研究所采用了雙坩堝連續(xù)加料技術(shù)生長化學(xué)晶體的透過范圍覆蓋紫外、 可見和近紅外波段， 可見光波段的透過率達(dá)到 75%—80%。CLN 晶體的吸收邊位于 320.1nm ，SLN 晶體頭部 (SLN-H) 和尾部 (SLN-T)的吸收邊分別在 305.0nm 和 305.6nm ， MgOSLN 晶體的吸收邊為 304.3nm 。 與同成分鈮酸鋰晶體相比，近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰及摻鎂晶體的吸收邊朝著短波方向移動(dòng)。2、折射率鈮酸鋰晶體是光學(xué)

7、負(fù)單軸晶， 只有折射率 no 和 ne ，其光軸方向?yàn)?Z 向。隨著Li 含量提高， o 光折射率幾乎不變， e 光折射率明顯降低， 導(dǎo)致雙折射率增大 ;摻鎂 導(dǎo)致近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰晶體 o 光折射率減小，而 e 光折射率增大，雙折射率減小。六、鈮酸鋰晶體在光電技術(shù)中的應(yīng)用鈮酸鋰晶體是一種電光晶體（ r32=32mp/v）現(xiàn)已成為重要的光波導(dǎo)材料。用LN 晶體制作光波導(dǎo)器件已有很長歷史，技術(shù)最成熟。用 LN 晶體制作集成光學(xué)器 件可用于

8、光纖陀螺， 其特點(diǎn)是精度高和穩(wěn)定性好， 成本低。LN 光波導(dǎo)器件的特點(diǎn)：a.電光效應(yīng)大； b.制作波導(dǎo)的方法簡單易行， 性能再現(xiàn)性良好； c.光吸收?。?d.損耗低，對(duì)波長依賴性小； e.基片尺寸大。利用 LN 晶體的光折變性能可制作光學(xué)體全息存儲(chǔ)器件。 具體實(shí)現(xiàn)方法是采用兩束光（一束為參考光，另一束作為全息光）在記錄媒質(zhì)中，形成光柵結(jié)構(gòu)的衍 射，全息圖便被記錄在晶體內(nèi)， 理論上存儲(chǔ)容量高達(dá) 1012 一 1013 bits/cm。LN

9、 晶體居里點(diǎn)高，壓電效應(yīng)強(qiáng)（d15＝7.8*10 – 11C/N） ， 機(jī)電耦合系數(shù)高 0.68 ；頻率常數(shù) 2400－3560Hz*m。在制作噴氣機(jī)壓力加速度計(jì)，鉆探用壓力傳感器，大功率換能器，軍方使用的聲納技術(shù)等領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用。南京大學(xué)的閔乃本院士等在 LN 晶片上制作出周期性交替變化的正負(fù)鐵電疇（PPLN） ，構(gòu)成超晶格材料。 PPLN 亦可應(yīng)用于聲學(xué)領(lǐng)域，例如，用 PPLN 已制作出幾百至幾千兆的諧振器和濾波器。七、鈮酸鋰調(diào)制

10、器在外加電場的作用下，晶體的折射率、光吸收和光散射特性發(fā)生了變化，由此而產(chǎn)生的效應(yīng)稱為電光效應(yīng)。當(dāng)晶體折射率的改變與所加電場成正比時(shí)，即電場的一次項(xiàng) ，這種電光效應(yīng)稱為線性電光效應(yīng)，由 Pokels 于 1893 年發(fā)現(xiàn)，也稱為 Pokels 效應(yīng)，一般發(fā)生于無對(duì)稱中心晶體中，該效應(yīng)是電光調(diào)制的基礎(chǔ)。當(dāng)晶體折射率的改變與所加電場強(qiáng)度的平方成正比時(shí)，即電場的二次項(xiàng) ，這種電光效應(yīng)由 Kerr 在 1875 年發(fā)現(xiàn)，稱為二次電光效應(yīng)或稱為