坩埚下降法铌酸锂晶体下降法生长研究(2)

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铌酸锂晶体，属三方晶系，钛铁矿型（畸变钙钛矿型）结构，其结构示意图如图1。铌酸锂晶格常数为a=b=5.148Å，c=13.863Å，密度为4.64克/立方厘米，相对密度4.30，硬度5mohs，熔点1240℃，居里温度1140℃。铌酸锂晶体是光学负单轴晶体，只有折射率no和ne，其光轴方向为Z向[10-12]。铌酸锂是一种铁电晶体，居里点1140℃。经过畸化处理的铌酸锂晶体具有压电、铁电、光电、非线性光学、热电等多性能的材料，此外，铌酸锂晶体还是重要的光折变和非线性光学晶体材料。

铌酸锂晶体原胞

图1 铌酸锂晶体原胞

铌酸锂晶体有以下优点：（1）优良的压电、声光、铁电、双折射、电光、光折变、非线性光学等物理性质；（2）机械性能稳定，耐高温，抗腐蚀；（3）易于生长大尺寸晶体，容易加工，成本低；（4）实施不同掺杂后能呈现出各种各样的特殊性能，使之在光波导、电光调制器、倍频转换、全息存储等方面有着广泛应用；（5）铌酸锂晶体不易退极化；（6）铌酸锂晶体的衍射效率较高，可达80％以上，衍射效率在不同的耦合角度下比较均匀，几乎不变；（7）铌酸锂晶体全息图固定技术方法多，有电固定法、热固定法和双光子固定法，其中双光子固定法读写和擦除速度快，数据转换效率高，具有极好的实际应用前景。

铌酸锂晶体是一种多功能材料，具有良好的热稳定性和化学稳定性，可以利用坩埚下降法生长出大尺寸晶体，而且易于加工，是少数经久不衰、并不断开辟应用新领域的重要功能材料。铌酸锂晶体已经在声表面波(SAW)滤波器、光波导基片、光通讯调制器、光隔离器等方面获得了广泛的实际应用，并在光子海量存储器、光学集成等方面具有广阔的应用前景，被公认为光电子时代光学硅的主要侯选材料之一。基于准相位匹配技术的周期极化铌酸锂（Periodically Poled LiNbO3），可以最大程度地利用其有效非线性系数，广泛应用于倍频、差频、光参量振荡等光学过程，在激光显示和光通信领域具有广阔的应用前景，因而成为非常流行的非线性光学材料。

铌酸锂晶体是一种典型的非化学计量比晶体。坩埚下降法生长的同成分铌酸锂晶体具有良好的组分一致性，以其为固体激光基质材料掺入稀土离子（Nd、Yb等）可以获得激光自倍频晶体，为了防止光折变损伤，常在铌酸锂晶体中进行MgO掺杂。但同成分晶体中存在大量的本征缺陷，使铌酸锂晶体的许多物理性能受到很大影响，限制了其在诸多领域的应用。随着铌酸锂晶体中Li元素含量提高并接近化学计量比，锂空位的数量减少，晶体中的本征缺陷大幅度减少。这种晶体缺陷上的差异，导致紫外吸收边朝短波方向移动，OH-吸收谱带变窄等现象，同时也大大改善了晶体的一些重要的物理和光学性质。

纯的铌酸锂晶体的光折变效应较低，在实际如全息存储、位相共轭、全息关联存储等领域应用中需要高光折变性能。在晶体中掺进光折变敏感杂质，如Fe、Cu、Mn、Ce等过度金属离子或稀土离子，它们可以给出或再捕获d电子或f电子，在能隙中能形成杂质缺陷能级，从而影响光折变过程；值得注意的是，影响光折变性能不仅是杂质的种类，还有浓度、杂质的价态、晶体的氧化、还原等化学处理的条件。提高铌酸锂晶体的抗光损伤能力（抗光折变能力、抗光致散射能力），扩大铌酸锂晶体在倍频、Q开关、电光调制器和光波导等领域的应用。在铌酸锂晶体中掺进抗光损伤杂质如MgO、ZnO、In2O3和Sc2O3等生长Mg:LiNbO3晶体、Zn:LiNbO3晶体、In:LiNbO3晶体。晶体的光致散射的强度强烈地依赖于入射光的强度。对于特定的晶体，这种光致散射形成的扇形噪音只有在入射光强大于一定值时才会出现，并随入射光强的加强而逐渐增强。