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顺电相钽铌酸钾锂晶体的生长及电控光折变性质研究

田浩  
【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。


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