周期極化基質(zhì)材料鉭酸鋰-鈮酸鋰類晶體生長與性質(zhì)研究.pdf

1、激光顯示具有高亮度、寬色域、高對比度和長壽命等優(yōu)點，代表著顯示技術(shù)的發(fā)展方向。以三基色（紅綠藍(lán)）全固態(tài)激光器為光源的激光顯示是當(dāng)今新型顯示領(lǐng)域研究的熱點。目前紅色和藍(lán)色激光光源一般采用半導(dǎo)體激光器，而大功率綠光半導(dǎo)體激光器技術(shù)尚不成熟，因而采用了基于非線性頻率變換技術(shù)的固態(tài)激光器。基于準(zhǔn)相位匹配的周期極化鈮（鉭）酸鋰類晶體，由于其非常高的非線性效率、體積小、易于實現(xiàn)熱管理及容易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)點，是用于綠色全固態(tài)激光器有重要應(yīng)用前景的非線

2、性器件。鈮（鉭）酸鋰晶體，三方晶系，3m點群，晶體結(jié)構(gòu)以鈮（鉭）氧八面體和鋰氧四面體為主體，在居里溫度以下鈮（鉭）、鋰陽離子與陰離子中心在主軸方向上有位移，形成自發(fā)極化，利用周期計劃技術(shù)，可以制備出滿足準(zhǔn)位相匹配的要求的周期極化鈮（鉭）酸鋰晶體。同成分鈮（鉭）酸鋰晶體內(nèi)部本征缺陷密度大，影響晶體的物理性能。生長摻鎂鈮（鉭）酸鋰晶體(MgO∶LN/LT)和近化學(xué)計量比鈮（鉭）酸鋰晶體(SLN/SLT)是兩個非常有效的改進(jìn)晶體性能的途徑。而

3、摻鎂近化學(xué)計量比鈮（鉭）酸鋰晶體（MgO∶SLN/MgO∶SLT）理論上綜合了兩種改進(jìn)方案，是性能最優(yōu)越的鈮（鉭）酸鋰類晶體。
　　另外，通過非線性光學(xué)技術(shù)，拓展激光波長，獲得更加豐富的光譜范圍越來越受到國際上的重視。采用基于準(zhǔn)相位匹配技術(shù)的周期極化鉭酸鋰晶體，通過光參量振蕩過程可以實現(xiàn)3-5μm波段的中紅外連續(xù)可調(diào)諧激光輸出。由于SLT和MgO∶SLT的矯頑場低且抗光傷閾值高，可以實現(xiàn)Z方向較大厚度(3mm)的鐵電疇周期反轉(zhuǎn)，使

4、通光孔徑最大化，增加中紅外激光輸出功率，滿足更廣泛的應(yīng)用需求。然而目前SLT和MgO∶SLT晶體材料的缺乏嚴(yán)重限制了其在這方面應(yīng)用研究的發(fā)展。
　　將多種功能復(fù)合，在一種晶體上同時實現(xiàn)不同的物理過程，是實現(xiàn)激光器件小型化的重要途徑。將周期極化鈮酸鋰/鉭酸鋰的自倍頻性質(zhì)與激光激活粒子的相結(jié)合，形成的基于稀土的激光性能與非線性晶體耦合效應(yīng)的自倍頻和自泵浦光參量振蕩，是實現(xiàn)激光器小型化的重要方向。而生長出高質(zhì)量的稀土與鎂共摻的鈮（鉭）酸

5、鋰晶體是推進(jìn)這項研究的先決條件。
　　基于以上激光領(lǐng)域研究的材料需求和本課題組的研究基礎(chǔ)，本論文在鈮（鉭）酸鋰類晶體的生長和性能研究方面開展了以下工作:
　　1)液相合成摻鎂的近化學(xué)計量比鉭酸鋰多晶料批量制備技術(shù)。利用水熱法和有機(jī)酸的絡(luò)合作用合成含Ta、Li和Mg等元素的透明前驅(qū)體溶液，使所有元素在溶液中達(dá)到了原子級均勻混合，消除了固相反應(yīng)法合成的多晶料中鎂元素分布不均勻的問題，促進(jìn)MgO∶SLT晶體生長質(zhì)量的改進(jìn)。將新的合

6、成方法所得的摻鎂鉭酸鋰多晶料與傳統(tǒng)固相反應(yīng)法合成的多晶料進(jìn)行了對比研究:XRD物相分析證明了新工藝在煅燒溫度上的優(yōu)勢;掃描電鏡和透射電鏡及定點元素掃描分析發(fā)現(xiàn)固相反應(yīng)合成摻雜多晶料中摻雜元素分布不均勻;XPS能譜證明了液相法合成的多晶料，鎂元素均勻摻入鉭酸鋰晶格中，消除了+4價的反位鉭缺陷。
　　2)利用提拉法生長了SLT晶體，并發(fā)現(xiàn)了由于多晶料燒結(jié)不充分導(dǎo)致鋰元素?fù)]發(fā)的證據(jù)。利用液相法合成的多晶料，生長了MgO∶SLT晶體。對比

7、研究了CLT，MgO∶CLT，SLT和MgO∶SLT晶體的基本物理性質(zhì)，討論Li/Ta計量比和鎂摻雜對鉭酸鋰晶體光學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)的調(diào)控機(jī)制。
　　3)生長了高摻鎂的鎂釹雙摻Nd∶MgO∶CLT晶體。利用CGSim軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，理論與實驗相結(jié)合，確定了生長鉭酸鋰晶體的合適溫場。利用X射線熒光元素分析測試了Nd∶MgO∶CLT晶體內(nèi)的Nd離子和Mg離子的濃度，并計算出其分凝系數(shù)。利用變溫XRD研究了Nd∶MgO∶CLT晶體結(jié)構(gòu)

8、隨溫度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)鉭酸鋰晶體的與摻雜離子位置非常靠近的幾個特殊晶面受摻雜離子的影響有畸變。利用GSAS軟件精修系列變溫XRD曲線，獲得LT晶格常數(shù)的溫度依賴性。利用激光熱導(dǎo)儀測量了Nd∶MgO∶CLT晶體的熱導(dǎo)率值，ka=4.429W/(m·K)，kc=5.155W/(m·K)。Nd∶MgO∶CLT晶體的偏振吸收譜和發(fā)射譜均具有明顯分裂現(xiàn)象，σ偏振的吸收峰半峰寬比π偏振的寬。研究了兩種切型的Nd∶MgO∶CLT晶體樣品的連續(xù)激光性能

9、，c切晶體的激光性能優(yōu)于a切晶體，實現(xiàn)了最高輸出功率3.58W的連續(xù)激光輸出，光光轉(zhuǎn)化效率達(dá)到22.78％。
　　4)利用JPG自等徑控制系統(tǒng)生長了3英寸摻釹濃度0.8mol％的Nd∶CLN、摻釹濃度0.5mol％和鎂濃度5mol％的Nd∶MgO∶CLN等晶體。利用XRD研究了Nd∶CLN和Nd∶MgO∶CLN等晶體的結(jié)構(gòu)，并利用FULLPROF軟件精修XRD曲線，得到摻雜離子占位對鈮酸鋰晶格常數(shù)的影響規(guī)律。利用最小偏向角法測量了

10、摻釹0.5mol％的Nd∶MgO∶CLN晶體的不同波長的折射率，并通過最小二乘法擬合曲線，得到了Nd∶MgO∶CLN晶體的Sellmeier方程。對比研究了不同切型（a切和c切）的Nd∶MgO∶CLN晶體樣品的連續(xù)激光性能，并用兩種不同透過率的輸出鏡，研究了不同諧振腔對a切晶體樣品的連續(xù)激光性能的影響。采用本文生長的Nd∶MgO∶CLN晶體，利用外加電場法得到了結(jié)構(gòu)均一的周期極化的Nd∶MgO∶CLN晶片，并利用PPNd∶MgO∶CLN