坩埚下降法铌酸锂晶体下降法生长研究

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摘要铌酸锂晶体由于其本身优越的特性得到极其广泛的应用，本文主要介绍了其特性、实验方法及应用。铌酸锂晶体具有电光、声光、非线性、光折变、压电、铁电和热电等特性，在位相共轭、光波导放大器、红外探测器等方面有重要的应用。实验采用坩埚下降法来生长铌酸锂晶体，并对其生长工艺进行探索和改进。测试了晶体的透过率、XRD、摇摆曲线。所得晶体呈浅黄色，分析认为主要是氧空位缺陷所致。57674

毕业论文关键词：铌酸锂；坩埚下降法；同成分

The Research of Lithium Niobate by the Bridgman Method

Abstract

Lithium niobate is widely used because of its excellent properties. This paper mainly introduces its characteristics, experimental methods and applications. With electro-optic, acousto-optic, nonlinear, photorefractive, piezoelectric, ferroelectric and pyroelectric properties of lithium niobate crystals have important applications in phase conjugation, optical waveguide amplifiers, infrared detector etc. In the experiment, the growth process was explored and improved by the Bridgman method grow lithium niobate. The transmittance, XRD and rocking curves of the crystals were tested. The crystals were light yellow due to the defects of oxygen vacancies.

Key words: Lithium niobate; The Bridgman method; Congruent composition

1 绪论 2

1.1 铌酸锂晶体概述 2

1.2 铌酸锂晶体的生长方法 6

1.2.1 提拉法 6

1.2.2 坩埚下降法 8

1.3 铌酸锂晶体的应用 11

1.4 研究的目的、意义 12

1.5 研究内容 12

2 实验部分 13

2.1 实验原料 13

2.2 实验主要设备 13

2.3 研究方案 16

3 结果与讨论 18

3.1 晶体生长 18

3.2 性能测试 20

致谢 23

参考文献 24

1 绪论

1.1 铌酸锂晶体概述

Matthias和Remeira于1949年首先用助溶剂方法（LiF为助溶剂）生长出铌酸锂晶体(LiNbO3，简称LN)，并研究了其铁电性质[1]。1958年Reisman和Holtzbesg以相互作用的氧化物产物的结构稳定性为基础，利用DTA、X射线衍射方法研究了Li2O-Nb2O5体系的多相平衡，指出当Li和Nb原子为1：1时，体系同成分熔化[2]。根据Reisman研究的相图，1965年Ballman利用Czochralski方法成功生长了铌酸锂大单晶[3]。此后，Narsall和Abrahams等科学家对铌酸锂晶体的生长、畴结构、位错、X射线、中子衍射等各项特性进行了深入细致的研究[4]。1968年，Bergman和Hirano等认为造成双折射不均匀性的原因是晶体中组分分布的不均匀性[5]。为此，Lerner重新测定了Li2O-Nb2O5体系的相图，指出Li2O-Nb2O5体系的固液同成分点在48-49mol%Li2O处[6]。1969年Peterson和Carruthers 分别用现代核磁共振技术及NbNMR技术测量得到Li2O-Nb2O5体系的固液同成分点在48.6mol%Li2O处[7]。Byer等首先采用这一配比生长出适用于倍频及参量振荡的优质铌酸锂晶体。Byer在其实验中发现，对于掺镁或含铁量低的晶体，加热至110℃时可以消除光折变[8]。

由于在铌酸锂结构中不存在对称中心，由群论知识可知该晶体具有非线性光学性质。Boy等首先观察到了铌酸锂晶体的非线性光学效应，实现了倍频及参量振荡，并研究指出，由于其具有较大的非线性光学系数，比KDP大一个数量级，因而是一种非常好的非线性光学材料。铌酸锂晶体能够实现非临界相位匹配，但这种晶体的抗光折变能力较弱，因而限制了这种晶体在实际晶体中的应用。另外，铌酸锂晶体的物理化学性质稳定，半波电压不太高，易于获得较大尺寸、均匀性好的块状材料，作为集成光学中许多光学元件的衬底材料。此外，铌酸锂晶体作为一种重要的光折变晶体材料，也被广泛用于光学体全息存储。铌酸锂晶体掺入各种金属离子性能发生改变，在许多领域中有重要应用[9]。