铌酸锂晶体光学性能的仿真研究毕业设计(编辑修改稿)

铌酸锂晶体光学性能的仿真研究毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

LiNbO3的晶体结构和性质 LiNbO3晶体结构 自 1965 年 Ballman成功的利用 Czochralski提拉法生长出铌酸锂单晶后，铌酸锂晶体得到了广泛的研究。 铌酸锂是目前以知的居里点最高（ 1210C ） ，自发极化最大（室温时约 /Cm ）的铁电体，顺电相和铁电相的空间群分别为 R3 R3CC 和 [4]，其结构如图（ ）所示。 （ a） 铁电相 （ b） 顺电相 水平线代表氧平面 图 铌酸锂晶体结构示意图 氧八面体以共面的形式叠置起来形成堆垛，公共面与氧八面体三重轴（即极轴）垂直。 许多堆垛再以八面体共棱的形式连接起来形成晶体。 在顺电相， Li和 Nb分别位于氧平面和氧八面体中心，无自发极化。 在铁电相， Li和 Nb都沿 c轴发生位移，前者离开了氧八面体的公共面，后者离开了氧八面体的中心。 由于 Li和 Nb的移动，造成了沿 c轴的电偶极矩，即出现了自发极化。 该结构也可以看成由垂直于极轴且相互等距的氧平面组成。 顺电相时， Nb位于两个氧平面 中央， Li位于第三个氧平面内（实际上 Li分布于氧平面和氧平面上下各 ，其平均位置在氧平面）。 铁电相时， Nb和 Li都沿 +c轴移 长沙学院 毕业设计 (论文 ) 6 动。 结构分析表明，室温时， Nb沿 +c轴偏离氧八面体中心约 ， Li沿 +c轴偏离氧平面。 下面只介绍与极化有关的铁电相。 铁电相的 LiNbO3晶体含有一个三重对称轴，属三角晶系。 此外，它还有一个对称面，三个成 60176。 角平面相交形成一个三重旋转轴。 这两个对称操作 LiNbO3晶体归类为 3m点群（ C6v），它也属于空间群。 在三角晶系中 ，可选择两种完全不同的晶胞 :六方晶胞和三角晶胞。 对于惯例的 LiNbO3的六方晶胞， c轴被定义为晶体的三重旋转轴。 确定 c轴方向的标准方法是：在 c轴方向压缩晶体，显负电性的面为 +c；确定 +c轴第二种方法是冷却晶体，显正电性的为＋ c方向。 两种方法可从Li、 Nb离子与氧八面体的相对运动进行理解。 当受挤压时， Li、 Nb离子都向接近于顺电相的方向发生位移，减小了自发极化， +c面的负电荷过剩而使晶面呈负电性。 当晶体冷却时，离子的热能降低，弹力把 Li、 Nb离子推得远离氧八面体中心及邻近的氧平面，增强了晶体的自发极化，使晶体 +c面呈正电性。 在 1966年精确确定晶体结构之前 ， 人们不知道铌酸锂化学计量中可能存在的偏差。 铌酸锂的晶格参数与精确化学组成的依赖关系是于 1968年建立起来的。 说明某晶体化学计量比的很可靠、很精确参数之一是居里温度。 通过比较已知化学计量样品的居里温度与待测铌酸锂样品的居里温度 ， 能够极好地确定样品的化学组成。 根据晶体结构可解释铌酸锂的晶格常数 —— 热膨胀特征。 现已发现 ， 温度升高 ， 铌氧八面体的倾斜度增大 ， 其原因是六方晶格参数 a的热膨胀几乎是线性的。 在C1000~600 温度范围内六方晶格参数 c的收缩 ， 是由于随着 Nb离子朝着仲电相位置的移动 ， 八面体的边长缩短。 LiNbO3晶体基本性质 LiNbO3 晶体是一种无色或淡黄色的透明晶体，其莫氏硬度为 5，和软玻璃相似，它的努氏显微硬度值为 600，在（ 001）方向硬度值大约高 25%。 LiNbO3 晶体能够被普通的金刚石道具切开，用普通的光学加工技术也能够很好的完成晶体的研磨和抛光。 在 C4 ， LiNbO3 晶体密度为 34644kg/m。 其居里温度很高约为 CTc 1210 ，仅仅比其熔点低几十度。 在此温度以上晶体属三方晶系 m_3 点群，为顺电相；在居里温度 Tc 以下，晶体属三方晶系 3m 点群（可用六方晶系来表示），为铁电相。 由于 LiNbO3 晶体的居里温度很高，因而又称为高温铁电体，它具有良好压电性，热释电性，铁电性，电光和非线性光学性能，又是多功能的晶体材料 [5]。 LiNbO3单晶的介电系数随温度 T 升高而增大，在 mm  5~ 波长范围内，可连续通光。 LiNbO3晶体特点 LiNbO3 晶体 在集成光学和光波导应用中是一个重要的材料，尤其是近些年来，稀土 长沙学院 毕业设计 (论文 ) 7 掺杂工程，畴工程和近化学比晶体生长鱼加工技术的完善使得有关于 LiNbO3 波导的光电子器件 [6]的的功能和性能的研究急剧增加。 其具有以下的特点： （ 1） 优良的电光，双折射，非线性光学，声光，光折变，压电，热释 电，铁电与光生伏打效应等物理特性。 （ 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。 周期性极化 LiNbO3晶体（ PPLN）的制备 铁电体具有自发极化特性（ spontaneous electric polarization） ， 其电极化强度与电场强度间的关系上呈现电滞回线。 自发极化 Ps的存在与否不取决于外加电场 ， 即使没有外加电场作用 ， 铁电物质中的自发极化亦 能产生。 但是外加电场的作用能使自发极化方向反转 ， 即电畴反转。 电畴实际上是一些方向不同的自发极化区域 ， 在每一个这样的区域内 ， 铁电体的永久偶极子沿同一方向排列 ， 故存在固有电偶极矩。 在铁电体内形成周期性电畴结构是目前为止实现准相位匹配最有效的途径 ， 它通过周期性的反转铁电晶体的晶向 ， 使得有效非线性系数在 effeff dd  和 之间交替变化 ， 从而实现非线性系数的空间周期调制。 周期极化 LiNbO3 晶体结构中奇数片电畴与偶数片电畴自发极化矢量相反 ， 因而这 些电畴与奇数阶张量相关的物理性质 ， 如倍频系数、电光系数及压电系数等的符号亦相反 ， 因此 ， 晶体的物理性质也是空间坐标的周期函数。 实验证明外加电场法是制备周期极化铌酸锂最为有效的方法 ， 它可以实现精确的周期结构和完全贯穿的垂直电畴壁。 其方法是 ， 首先在单畴化铌酸锂晶体的一面（ +z面或z面）淀积或溅射周期结构的金属电极 ， 另一面制作均匀电极。 然后施加与晶体自发极化方向相反方向的外加电场 ， 当外加电场超过晶体的矫顽场时 ， 其自发极化方向便发生反转。 利用微电子工业的光刻技术 ， 使用干涉测量反馈控制 ， 使得电极周期结构位置误差限制 在很小的范围内 ， 能够实现其他方法难以得到的小周期极化结构。 在周期性电场极化的铌酸锂晶体中，除了非线性系数以外，其他如电光系数，弹光系数等也同样会由于晶体铁电畴的周期性反转结构得到周期性的调制。 早在 1962年 ， Armstrong和 Frallken等人就分别提出了使用周期光栅实现相位匹配这一概念 ， 但真正将此想法付诸实现 ， 制成可用器件却存在很大困难。 为此 ， 科学家进行了不懈的努力 ， 直到九十年代后 ， 利用外加周期电场调制非线性极化率技术的日趋成熟 ，周期极化材料的制备才取得突破进展。 这里简单介绍一下周期极化 LiNbO3 晶体 的制备方法 [7]。 长沙学院 毕业设计 (论文 ) 8 首先在双面抛光 LiNbO3 晶体 Z轴表面镀一层金属导电膜 ， 通常使用 Ti、 A1和 Cr等金属 ， 膜厚保持在 300nm~ 100 左右。 然后 ， 利用半导体光刻工艺制备出周期图案的金属条纹 ； 随后 ， 在金属条纹电极上涂一层厚的绝缘胶 ， 使各金属电极之间保持良好的绝缘隔离。 外加电场通过液体电极加在 LiNbO3 晶体的金属电极上 ， 也可以将外加电场直接加在 LiNbO3 晶体的金属电极上 ， 所有这些都要保证外电场和金属电极有良好欧姆接触。 为防止高压对空气击穿 ， 极化过程通常都是在高真空或高压绝缘油中完成。 所用外电场为脉冲高压电场 ， 对 LiNbO3 晶体 ， 脉冲电压要大于 23kV/InIn， 脉冲周期长短与次数依具体实验条件而定。 当晶体表面运输电荷达到 PsAQ 2 时 （ 其中 Ps为 LiNbO3 晶体自发极化强度 ， A为极化 面积 ）， 开始缓慢降低脉冲电压 ， 持续一段时间 ， 保证已经极化反转的畴不会再自行返回 ， 最后关掉脉冲电压 ， 完成周期极化过程。 目前采用上述方法不仅成功制备了极化厚度达 、通光长度超过 50mm的均匀周期畴结构的 LiNbO3 晶体。 图 周期性极化铌 酸锂晶体中的电光效应 图（ ） 为对周期性极化铌酸锂晶体施加均匀的 Y 向电场时晶体电光效应的示意图 ，如上一节我们所讨论的 ， 当对铌酸锂晶体施加 Y 向电场时 ， 晶体的折射率椭球将发生偏转 ， 也就是晶体的光轴将沿 +Z 轴偏转  角。 对于周期性极化铌酸锂晶体来说 ， 由于晶体的周期性畴结构 ， 负畴与正畴的光轴偏转角虽然大小相同 ， 但方向相反 ， 如图上所示。 因此 ， PPLN 晶体上施加均匀的 Y 向电场之后 ， 晶体的光轴也呈现周期性的偏转。 PPLN 晶体的应用 周期性极化 LiNbO3 （ PPLN） 材料是技术含量很高的非线性光学频率转换晶体。 它通过倍频、光参量放大和振荡、差频等二阶非线性光学过程 ， 将来广泛应用于光传输、光存储、光显示和遥感探测等方面。 其主要用途有 : （ l） 光存储 :通过倍频转换得到的短波长光源 ， 可以用于高密度的光存储 ， 是蓝绿光半导体激光器的有力竞争者。 （ 2） 光显示 ： 蓝绿光光源作为高纯度三元色可以用于高清晰度显示。 （ 3） 全光通讯 ： 利用差频效应 ， 可以制作出未来全光 DWDM 通讯系统中的关键器件一 长沙学院 毕业设计 (论文 ) 9 波长转换器。 与其它类型波长转换器相比 ， 它具有在通讯 系统中严格透明的优点。 （ 4） 遥感、探测、生物医学等 ： 利用参量放大和振荡产生可调谐近、中红外光源。 应用于空间分子探测及其它军事方面的应用。 另外 ， 小型红外光源在医学、科研方面均有很大的应用场合。 （ 5） 其它应用：电光调制器、电光偏转器和电光透镜等。 LiNbO3晶体折射率方程 LiNbO 3 晶体在光学上为单轴晶体 ， 不同于正单轴晶体 （ eo nn  ） LiTaO3 的是 ，LiNbO3 为负单轴晶体（ eo nn  ） ， 一般条件下 ， LiNbO3 在 m5~  的波长范围内均是无色透明的 ， 在补偿晶体界面的反射损失时 ， 投射率可达 74%。 LiNbO3 晶体在氢气中被加热到 870K~670 后 ， 会由最初的无色透明变为褐色。 在~   和 处出现两个新的吸收 带 ， 并且在 m  处形成强的吸收带。 晶体在空气中退火并极化后呈浅黄色 [8]。 LiNbO3 晶体在一些常用激光器的输出波长和几个其他波长处的寻常折射率 no 和异常折射率 ne对温度的依赖关系见表（ ）。 表 LiNbO3 晶体对不同波长的折射率 [9]  /nm 激光 化学计量比（ T=25 C） 同成分熔体（ T= C） no ne no ne HeCd Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar HeNe 红宝石 GaAs Nd HeNe 长沙学院 毕业设计 (论文 ) 10 通过对实验数据分析可以得到在波长为 4000nm~400 ， 计算 LiNbO3 晶体在不同温度和波长下的 Sellmeier 方程 [10]为： 822 2 2o 2 8 2 20 . 1 1 7 3 1 . 6 5 1 04 . 9 1 3 0 2 . 7 8 1 0( 0 . 2 1 2 2 . 7 1 0 )Tn T        （ ） 5 8 22 7 2 2 2e 2 8 2 20 . 0 9 7 1 0 2 . 7 0 1 04 . 5 5 6 7 + 2 . 6 0 5 1 0 2 . 2 4 1 0(0 . 2 0 1 5 . 4 1 0 )TnT T           （ ） 式中 ， T 为绝对温度（ K） ，  是以 m 为单位的波长。 长沙学院 毕业设计 (论文 ) 11 第 3 章 线性电光效应的耦合波理论 波在介质中传播时，能够通过介质内的非线性极化而相互作用将导致形形色色的非线性光学现象，如高次谐波、参量转换、受激 散射等等。 电光效应就是其中的一种非线性光学现象。 电波与光波的互作用，实质上又可以看作是几个处于不同波段的电磁波在非线性介质中的波耦合过程。 ，因此可以像非线性光学那样，通过求解耦合波方程来获得电光作用的有关知识。 线性电光效应耦合波理论的思想就是采用非线性光学的方法来处理线性电光效应的问题。 于是我们采 用类似非线性光学方法，首先给出相应的非线性极化强度，把。