目录
摘要....................................................................................................................................................II 目录...........................................................................................................................................IV 第1章绪论 (1)
1.2.1电光效应 (2)
1.2.2电光效应的应用 (2)
1.3论文的主要研究工作及意义 (6)
第2章铌酸锂晶体的电光效应理论 (8)
2.1折射率椭球理论 (8)
2.2铌酸锂晶体的电光效应和电光系数 (10)
2.2.1LiNbO3晶体的电光效应 (10)
2.2.2半波电压 (12)
2.3光折变效应 (13)
本章小结 (13)
第3章铌酸锂晶体的本征缺陷与掺杂特性 (15)
3.1铌酸锂晶体的本征缺陷和组份表征 (15)
3.1.1铌酸锂晶体的本征缺陷 (15)
3.1.2铌酸锂晶体的组份表征 (15)
3.2铌酸锂晶体的掺杂机制 (17)
3.2.1二价掺杂离子的占位机制 (17)
3.2.3高价掺杂离子的占位机制 (19)
本章小结 (22)
第4章测量系统 (23)
4.1主要光学系统 (23)
4.1.1单光束装置 (23)
4.1.2双光束装置 (24)
4.1.3实验条件 (25)
4.2双光束方法 (26)
4.2.1双光束干涉条件 (26)
4.2.2马赫-曾德干涉系统 (27)
本章小结 (29)
第5章铌酸锂晶体的制备和测试过程 (30)
5.1VTE技术 (30)
5.1.1VTE技术的基本原理 (30)
5.1.2LiNbO3晶体VTE处理流程 (31)
5.2棱镜耦合技术 (31)
5.3抛光技术 (33)
5.4真空蒸镀技术 (33)
5.5实验系统的搭建与测量 (34)
5.5.1实验测试过程 (35)
正弦波信号发生器5.5.2注意事项 (37)
本章小结 (38)
6.1组份对LiNbO3晶体电光性能的影响 (39)
6.1.1组份对LiNbO3晶体电光性能的影响 (40)
6.1.2组份对缺锂Mg:LiNbO3晶体电光性能的影响 (42)
6.2掺杂对LiNbO3晶体电光性能的影响 (43)
6.2.1Er3+掺杂对LiNbO3晶体电光性能的影响 (44)
6.2.2Ti4+掺杂对LiNbO3晶体电光性能的影响 (45)
6.2.3Er3+/Mg2+共掺对LiNbO3晶体电光性能的影响 (47)
6.2.4Er3+/In3+共掺对LiNbO3晶体电光性能的影响 (50)
6.3其他影响因素 (51)
6.3.1光照强度 (51)
6.3.2测量位置 (52)
6.4实验误差分析 (52)
本章小结 (53)
总结与展望 (54)
参考文献 (55)
发表论文和参加科研情况说明 (61)
致谢 (62)
第1章绪论
1.1铌酸锂晶体的性质及其应用
Matthias和Remeika[1]首先于1949年利用LiF助溶剂法生长出了铌酸锂晶体。1965年，Ballman首次利用Czochralski法生长出铌酸锂大单晶。然后Peterson[2]初步研究了铌酸锂晶体的电光效应。上个世纪六十年代以来，铌酸锂晶体的结构和特性受到了广泛关注和研究。铌酸锂（LiNbO3,LN）晶体属于三
方晶系，3m 点，无对称中心，整个晶体由氧八面体构成，相邻氧八面体共用顶点形成ABO3晶格。根据Li2O-Nb2O5体系多相平衡的相图，固液同成份点的组份为48.6mol% Li2O[3,4]。
LiNbO3晶体具有如电光、声光、光折变、非线性、压电、铁电和热电等多功能性能，广泛应用于电光调制器、Q开关、光波导放大器、隔离器、滤波器、激光倍频器等领域。由于铌酸锂晶体性能稳定、半波电压较低、容易获得均匀性好的大尺寸块状单晶，常作为集成光学元件的衬底材料。
为了更好地研究铌酸锂晶体相关理论和应用领域，首先要了解晶体的生长、缺陷、结构以及掺杂离子在晶体中的占位情况。关于铌酸锂晶体本征缺陷的结构，可归纳为锂空位模型、铌空位模型、氧空位模型和钛铁矿结构四种。Lerner等首先提出锂空位模型的观点，目前也被大多数研究者接受，晶体的化学式可表示为[Li1-5x V4x Nb x]NbO3。自从Iyi等[5]发表了关于锂空位模型的研究结果，已有大量实验[6-9]表明锂空位模型的合理性。在此基础上，铌酸锂晶体的组份即Li/Nb比和掺杂特性的应用领域也日趋成熟。
铌酸锂晶体结构的特殊性，使其几乎能够掺杂所有的金属离子进而改变晶体的结构性能、光学性能、化学性能[10]。掺杂抗光折变离子如Mg2+[11]、Zn2+[12]、In3+[13-15]、Sc3+[16,17]、Hf4+[18]、Zr4+[19,20]、Sn4+[21]等可以提高晶体的抗光折变能力，如果掺杂达到阈值浓度，至少提高两个数量级以上。研究发现，MgO掺杂的阈值浓度为5mol%，ZnO约为6.5mol%，In2O3约1.5mol%(其中In3+
浓度为3mol%)，Sc2O3约1.5mol%(其中Sc3+浓度为3mol%)，HfO2约为4mol%，ZrO2约为2mol%，SnO2约为2.5mol%等。抗光折变离子掺杂浓度在阈值以下时，如果入射光强度过大，就会导致光斑畸变和光致散射，影响晶体的光学性能。而由于掺杂晶体的电荷和能量补偿效应，单掺或共掺抗光折变离子都会提高晶体的抗光折变性能。
dc-dc变换器此外，LiNbO 3晶体还可通过掺杂稀土离子来获得激光晶体，如Pr 3+[22]、
Nd 3+[23]、Eu 3+[24]、Er 3+[25]、Tm 3+[26]等。利用掺杂抗光折变的晶体材料作为基底，然后掺入稀土离子研究其光谱特性，如Er:Mg:LiNbO 3[27]、Nd:Mg:LiNbO 3[28]、Nd:ZnO:LiNbO 3[29]等具有更加优越的性能和应用前景。
1.2电光效应及其应用
外场如电场、应力(应变)场、磁场、温度场的作用都会对晶体光学性质有很大影响。1875年，克尔(Kerr)发现对光学各向同性介质施加电场时也会出现双折射现象。之后又逐渐发现立方晶体或单轴晶体在外场作用下具有双轴晶体的光学性质，从而出现了所谓的电光、弹光、磁光等效应。普克尔于1892年首先提出有些晶体折射率的变化与外加低频电场成正比关系，因此称之为普克尔效应或线性电光效应。
1.2.1电光效应
由外电场作用导致晶体折射率的变化，进而影响光的传输特性，即为电光效应。若外加电场为E ，则电光晶体的折射率变化可表示为：
++=-=∆20hE E n n n (1-1)
其中γ和h 为常量，
桥架支撑架
n 0和n 分别为加电场前后晶体的折射率，Δn 是加电场后晶体折射率的变化量。根据外加电场引起电光晶体材料折射率的变化可以分为线性电光效应和二次电光效应。由一次项γE 和二次项hE 2引起的折射率变化分别称为线性和二次电光效应，或者普克尔(Pockels)效应和克尔(Kerr)效应。
水煮纺大
微波烘箱非中心对称晶体具有线性电光效应，晶体折射率的变化与外加电场强度成线性关系。中心对称晶体具有二次电光效应，晶体折射率变化与外加电场的平方成正比。在电光效应的实际应用中，二次效应很弱，一般可以忽略。
1.2.2电光效应的应用
根据电光晶体材料的电光效应可以制备多种可调谐的光通信器件，如电光调制器，电光开关，电光偏转器，波长转换器和波导光栅等，可用于光闸，激光器的Q 开关和光波调制，并在高速摄影，光速测量，光学数据处理，光通信和激光显示、激光测距等激光技术中获得了重要应用。
晶体的电光性能除了取决于电光晶体本身的特性外，还与其生长和工作条件等外部因素有关。如磷酸二氢钾(KDP)和磷酸二氢铵(MAP)晶体，虽然光学质量
好，光损伤阈值也较高，但是半波电压高，而且易潮解，所以很多领域限制了其应用。铌酸锂(LN)和钽酸锂(LT)晶体的半波电压较低，物理和化学性能稳定，但由于光损伤阈值较低，一般需要掺杂改性提高其抗光折变性能。实际应用中的电光晶体材料的性能要求很高，首先要求电光系数大，即半波电压低，还需具备抗光折变能力强，物理化学性质稳定，光学均匀性好，透明谱范围较宽且容易获得大尺寸单晶等特征。
1.2.2.1电光开关
电光开关利用介质的电光效应改变其折射率和光的相位，然后通过光的干涉或偏振等方法使光强突变或者光路转变，使系统处于关闭或全开状态。开关建立时间一般能达到10-10s 以上。主要用于高速电光开关，光切割器及脉冲调Q 开关。
图1-1电光开关
胸针设计常见的波导电光开关有M-Z 干涉仪型电光开关、电光数字型开关和定向耦合型电光开关。马赫-曾德（Mach-Zehnder ）波导干涉仪型电光开关如图中(a)所示，由两个臂L 1、L 2和两个3dB 耦合器DC 1
、DC 2组成，光信号由1端口输入被第一个定向耦合器分成光强相等的两束，在两波导臂上分别施加正负相反的电压V 和-V ，产生相应电场E 1和E 2，然后对两干涉臂进行相位调制。因此波导臂折射率变化为：
d V n E E n n γγ3213)(21=-=∆(1-2)
若两干涉臂是对称的，L 1=L 2=L ，则其相位差为：
V d
L n nL λγπλπϕ32=∆=∆(1-3)πϕ=∆时对应的半波电压为
L
n d V γλπ3=(1-4)则
ππϕV V
=∆(1-5)
豫公网安备41160202000603
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