顺电相钽铌酸钾锂晶体的生长及电控光折变性质研究

论文摘要

近十几年来,顺电相电光晶体由于其在光纤通讯器件、光学信息处理等方面的应用而被广泛研究。其中,顺电相钽铌酸钾锂晶体（K1-yLiyTa1-xNbxO3,KLTN）在外加电场作用下可以大幅度提升其光折变性能,具有衍射效率高、电场响应速度快（几个纳秒）、二次电光系数极大等优点,被认为是用作电控全息器件的最佳材料。但生长高光学质量的KLTN晶体十分困难,严重阻碍了其物理性质和应用的研究。本论文对顺电相KLTN晶体及其掺杂晶体的生长、电光及电控光折变性质做了系统的理论和实验研究。采用顶部籽晶助溶剂法生长了多种组分及掺杂的KLTN晶体。研究了适宜晶体生长的温场和工艺条件,生长态晶体组分均匀、无开裂、无生长条纹,等径部分的尺寸达到15×15×20mm3。在生长KLTN晶体的基础上,用钠代替锂元素,进行了新晶体钽铌酸钾钠的生长探索,依据固-液界面的扩散理论,讨论了部分钽铌酸钾钠晶体显兰色的原因。系统地研究了KLTN晶体的基本物理性质。使用X射线衍射技术,分析了不同组分KLTN晶体在室温下的结构,研究了其晶格参数随组分变化的规律。利用电桥法研究了KLTN晶体的介电性质,其介电系数随温度的变化遵守Curie-Weiss定律。依此规律判断了晶体的居里温度,给出了居里温度随组分变化的规律。利用最小偏向角法,精确地测量了KLTN晶体的折射率,得到了KLTN晶体折射率色散的塞尔迈耶尔方程。采用紫外-可见光-近红外光栅光谱仪测量了KLTN晶体的光学透过性能,确定了晶体的透光范围。根据KLTN晶体紫外吸收边的位置,计算了晶体的禁带宽度,并研究了掺杂过渡元素对晶体的禁带宽度的影响。使用折射率椭球法,计算了不同外加电场作用时顺电相KLTN晶体的折射率变化。分析了用Mach-Zehnder干涉法测量晶体电光系数的原理及影响实验精度的因素。设计、搭建了自动扫描Mach-Zehnder电光系数测量系统,研究了KLTN晶体的电光性质。发现KLTN晶体在居里温度附近具有很大的二次电光系数s1 1,其数值比其它电光材料高1-2个量级。根据DiDomenico和Wemple的理论,解释了KLTN晶体电光系数随温度变化的原因,并计算了晶体的极光系数。发现在误差范围内KLTN晶体的极光系数是个常量,不随温度变化。依据光折变效应的带输运模型,结合晶体的物性参量,模拟了顺电相KLTN晶体中的空间电荷场。研究了空间电荷场随晶体的物性参数、外加电场及光栅间距等因素变化的规律。讨论了对称透射二波耦合光路配置下,有外加电场作用时,顺电相KLTN晶体内相位光栅的衍射性质,给出了二波耦合增益系数及光栅衍射效率的表达式。采用二波耦合的方法,系统的研究了掺杂过渡元素对KLTN晶体光折变性能的影响。首次研究了顺电相单掺锰、铁KLTN晶体的光折变性质,由二波耦合能量转移的方向,确定了晶体的光激发载流子类型。与传统的掺铜KLTN相比,单掺锰、铁的KLTN晶体具有更高的衍射效率,更快的光折变响应时间以及更高的光折变灵敏度。尤其是掺锰的KLTN晶体,是一种很有前途的电控光折变晶体。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光折变材料
• 1.3 钽铌酸钾锂晶体的研究进展
• 1.3.1 钽铌酸钾锂晶体的生长研究
• 1.3.2 钽铌酸钾锂晶体的结构及介电性质研究
• 1.3.3 顺电相钽铌酸钾锂晶体中的电控光折变效应
• 1.4 本论文研究的目的和意义
• 1.5 本论文的结构和研究内容
• 第2章 钽铌酸钾锂晶体的生长
• 2.1 引言
• 2.2 钽铌酸钾锂晶体的生长方法
• 2.3 钽铌酸钾锂单晶的生长
• 2.3.1 生长装置
• 2.3.2 晶体生长原料及预烧结
• 2.3.3 晶体生长
• 2.3.4 晶体形态及其组分
• 2.4 晶体生长问题的讨论
• 2.5 钽铌酸钾钠晶体的生长探索
• 2.6 本章小结
• 第3章 钽铌酸钾锂晶体的基本物理性质
• 3.1 引言
• 3.2 钽铌酸钾锂晶体的结构
• 3.3 钽铌酸钾锂晶体的介电性质
• 3.3.1 介电系数的测量方法
• 3.3.2 钽铌酸钾锂晶体的介电系数
• 3.4 钽铌酸钾锂晶体的折射率色散
• 3.4.1 最小偏向角法测量折射率的原理
• 3.4.2 钽铌酸钾锂晶体的折射率
• 3.5 掺杂钽铌酸钾锂晶体的吸收光谱
• 3.6 本章小结
• 第4章 顺电相钽铌酸钾锂晶体的电光性质
• 4.1 引言
• 4.2 顺电相钽铌酸钾锂晶体的二次电光效应
• 4.2.1 电光效应的折射率椭球表述
• 4.2.2 顺电相钽铌酸钾锂晶体中的二次电光效应
• 4.3 马赫-曾德尔电光系数测量系统
• 4.3.1 测量原理
• 4.3.2 测量系统
• 4.4 实验结果与讨论
• 4.4.1 不同组分顺电相钽铌酸钾锂晶体的二次电光系数
• 4.4.2 钽铌酸钾钠晶体的二次电光系数
• 4.5 本章小结
• 第5章 顺电相钽铌酸钾锂晶体中的体相位栅
• 5.1 引言
• 5.2 顺电相钽铌酸钾锂晶体中的光致空间电荷场和体相位光栅
• 5.3 顺电相钽铌酸钾锂晶体中的二波耦合和能量转移
• 5.4 顺电相钽铌酸钾锂晶体中光折变体相位栅的衍射效率
• 5.5 本章小结
• 第6章 掺杂钽铌酸钾锂电控光折变性质的实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 光折变晶体的特征参量
• 6.3 二波耦合的实验光路及装置
• 6.4 顺电相掺杂钽铌酸钾锂晶体的电控光折变性质
• 6.4.1 衍射效率与光折变灵敏度
• 6.4.2 二波耦合增益系数及响应时间
• 6.4.3 光激载流子类型
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历