【文章內(nèi)容簡介】 LiNbO3的晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì) LiNbO3晶體結(jié)構(gòu) 自 1965 年 Ballman成功的利用 Czochralski提拉法生長出鈮酸鋰單晶后，鈮酸鋰晶體得到了廣泛的研究。鈮酸鋰是目前以知的居里點最高（ 1210C ） ，自發(fā)極化最大（室溫時約 /Cm ）的鐵電體，順電相和鐵電相的空間群分別為 R3 R3CC? 和 [4]，其結(jié)構(gòu)如圖（ ）所示。 （ a） 鐵電相 （ b） 順電相 水平線代表氧平面 圖 鈮酸鋰晶體結(jié)構(gòu)示意圖 氧八面體以共面的形式疊置起來形成堆垛，公共面與氧八面體三重軸（即極軸）垂直。許多堆垛再以八面體共棱的形式連接起來形成晶體。在順電相， Li和 Nb分別位于氧平面和氧八面體中心，無自發(fā)極化。在鐵電相， Li和 Nb都沿 c軸發(fā)生位移，前者離開了氧八面體的公共面，后者離開了氧八面體的中心。由于 Li和 Nb的移動，造成了沿 c軸的電偶極矩，即出現(xiàn)了自發(fā)極化。該結(jié)構(gòu)也可以看成由垂直于極軸且相互等距的氧平面組成。順電相時， Nb位于兩個氧平面 中央， Li位于第三個氧平面內(nèi)（實際上 Li分布于氧平面和氧平面上下各 ，其平均位置在氧平面）。鐵電相時， Nb和 Li都沿 +c軸移 長沙學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 6 動。結(jié)構(gòu)分析表明，室溫時， Nb沿 +c軸偏離氧八面體中心約 ， Li沿 +c軸偏離氧平面 。下面只介紹與極化有關(guān)的鐵電相。鐵電相的 LiNbO3晶體含有一個三重對稱軸，屬三角晶系。此外，它還有一個對稱面，三個成 60176。角平面相交形成一個三重旋轉(zhuǎn)軸。這兩個對稱操作 LiNbO3晶體歸類為 3m點群（ C6v），它也屬于空間群。在三角晶系中 ，可選擇兩種完全不同的晶胞 :六方晶胞和三角晶胞。對于慣例的 LiNbO3的六方晶胞， c軸被定義為晶體的三重旋轉(zhuǎn)軸。確定 c軸方向的標準方法是：在 c軸方向壓縮晶體，顯負電性的面為 +c；確定 +c軸第二種方法是冷卻晶體，顯正電性的為＋ c方向。兩種方法可從Li、 Nb離子與氧八面體的相對運動進行理解。當受擠壓時， Li、 Nb離子都向接近于順電相的方向發(fā)生位移，減小了自發(fā)極化， +c面的負電荷過剩而使晶面呈負電性。當晶體冷卻時，離子的熱能降低，彈力把 Li、 Nb離子推得遠離氧八面體中心及鄰近的氧平面，增強了晶體的自發(fā)極化，使晶體 +c面呈正電性。 在 1966年精確確定晶體結(jié)構(gòu)之前 ， 人們不知道鈮酸鋰化學(xué)計量中可能存在的偏差。鈮酸鋰的晶格參數(shù)與精確化學(xué)組成的依賴關(guān)系是于 1968年建立起來的。說明某晶體化學(xué)計量比的很可靠、很精確參數(shù)之一是居里溫度。通過比較已知化學(xué)計量樣品的居里溫度與待測鈮酸鋰樣品的居里溫度 ， 能夠極好地確定樣品的化學(xué)組成。 根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)可解釋鈮酸鋰的晶格常數(shù) —— 熱膨脹特征?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn) ， 溫度升高 ， 鈮氧八面體的傾斜度增大 ， 其原因是六方晶格參數(shù) a的熱膨脹幾乎是線性的。在C?1000~600 溫度范圍內(nèi)六方晶格參數(shù) c的收縮 ， 是由于隨著 Nb離子朝著仲電相位置的移動 ， 八面體的邊長縮短。 LiNbO3晶體基本性質(zhì) LiNbO3 晶體是一種無色或淡黃色的透明晶體，其莫氏硬度為 5，和軟玻璃相似，它的努氏顯微硬度值為 600，在（ 001）方向硬度值大約高 25%。 LiNbO3 晶體能夠被普通的金剛石道具切開，用普通的光學(xué)加工技術(shù)也能夠很好的完成晶體的研磨和拋光。 在 C?4 ， LiNbO3 晶體密度為 34644kg/m 。其居里溫度很高約為 CTc ?1210? ，僅僅比其熔點低幾十度。在此溫度以上晶體屬三方晶系 m_3 點群，為順電相；在居里溫度 Tc 以下，晶體屬三方晶系 3m 點群（可用六方晶系來表示），為鐵電相。由于 LiNbO3 晶體的居里溫度很高，因而又稱為高溫鐵電體，它具有良好壓電性，熱釋電性，鐵電性，電光和非線性光學(xué)性能，又是多功能的晶體材料 [5]。 LiNbO3單晶的介電系數(shù)隨溫度 T 升高而增大，在 mm ?? 5~ 波長范圍內(nèi)，可連續(xù)通光。 LiNbO3晶體特點 LiNbO3 晶體 在集成光學(xué)和光波導(dǎo)應(yīng)用中是一個重要的材料，尤其是近些年來，稀土 長沙學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 7 摻雜工程，疇工程和近化學(xué)比晶體生長魚加工技術(shù)的完善使得有關(guān)于 LiNbO3 波導(dǎo)的光電子器件 [6]的的功能和性能的研究急劇增加。其具有以下的特點： （ 1） 優(yōu)良的電光，雙折射，非線性光學(xué)，聲光，光折變，壓電，熱釋 電，鐵電與光生伏打效應(yīng)等物理特性。 （ 2） 機械性能穩(wěn)定，耐高溫，抗腐蝕。 （ 3） 易于生長大尺寸晶體，容易加工，成本低。 （ 4） 實施不同摻雜后能呈現(xiàn)出各種各樣的特殊性能，使之在光波導(dǎo)，電光調(diào)制器，倍頻轉(zhuǎn)換，全息存儲等方面有著廣泛應(yīng)用。 周期性極化 LiNbO3晶體（ PPLN）的制備 鐵電體具有自發(fā)極化特性（ spontaneous electric polarization） ， 其電極化強度與電場強度間的關(guān)系上呈現(xiàn)電滯回線。自發(fā)極化 Ps的存在與否不取決于外加電場 ， 即使沒有外加電場作用 ， 鐵電物質(zhì)中的自發(fā)極化亦 能產(chǎn)生。但是外加電場的作用能使自發(fā)極化方向反轉(zhuǎn) ， 即電疇反轉(zhuǎn)。電疇實際上是一些方向不同的自發(fā)極化區(qū)域 ， 在每一個這樣的區(qū)域內(nèi) ， 鐵電體的永久偶極子沿同一方向排列 ， 故存在固有電偶極矩。 在鐵電體內(nèi)形成周期性電疇結(jié)構(gòu)是目前為止實現(xiàn)準相位匹配最有效的途徑 ， 它通過周期性的反轉(zhuǎn)鐵電晶體的晶向 ， 使得有效非線性系數(shù)在 effeff dd ?? 和 之間交替變化 ， 從而實現(xiàn)非線性系數(shù)的空間周期調(diào)制。周期極化 LiNbO3 晶體結(jié)構(gòu)中奇數(shù)片電疇與偶數(shù)片電疇自發(fā)極化矢量相反 ， 因而這 些電疇與奇數(shù)階張量相關(guān)的物理性質(zhì) ， 如倍頻系數(shù)、電光系數(shù)及壓電系數(shù)等的符號亦相反 ， 因此 ， 晶體的物理性質(zhì)也是空間坐標的周期函數(shù)。 實驗證明外加電場法是制備周期極化鈮酸鋰最為有效的方法 ， 它可以實現(xiàn)精確的周期結(jié)構(gòu)和完全貫穿的垂直電疇壁。其方法是 ， 首先在單疇化鈮酸鋰晶體的一面（ +z面或z面）淀積或濺射周期結(jié)構(gòu)的金屬電極 ， 另一面制作均勻電極。然后施加與晶體自發(fā)極化方向相反方向的外加電場 ， 當外加電場超過晶體的矯頑場時 ， 其自發(fā)極化方向便發(fā)生反轉(zhuǎn)。利用微電子工業(yè)的光刻技術(shù) ， 使用干涉測量反饋控制 ， 使得電極周期結(jié)構(gòu)位置誤差限制 在很小的范圍內(nèi) ， 能夠?qū)崿F(xiàn)其他方法難以得到的小周期極化結(jié)構(gòu)。 在周期性電場極化的鈮酸鋰晶體中，除了非線性系數(shù)以外，其他如電光系數(shù)，彈光系數(shù)等也同樣會由于晶體鐵電疇的周期性反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)得到周期性的調(diào)制 。 早在 1962年 ， Armstrong和 Frallken等人就分別提出了使用周期光柵實現(xiàn)相位匹配這一概念 ， 但真正將此想法付諸實現(xiàn) ， 制成可用器件卻存在很大困難。為此 ， 科學(xué)家進行了不懈的努力 ， 直到九十年代后 ， 利用外加周期電場調(diào)制非線性極化率技術(shù)的日趨成熟 ，周期極化材料的制備才取得突破進展。這里簡單介紹一下周期極化 LiNbO3 晶體 的制備方法 [7]。 長沙學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 8 首先在雙面拋光 LiNbO3 晶體 Z軸表面鍍一層金屬導(dǎo)電膜 ， 通常使用 Ti、 A1和 Cr等金屬 ， 膜厚保持在 300nm~ 100 左右。然后 ， 利用半導(dǎo)體光刻工藝制備出周期圖案的金屬條紋 ； 隨后 ， 在金屬條紋電極上涂一層厚的絕緣膠 ， 使各金屬電極之間保持良好的絕緣隔離。外加電場通過液體電極加在 LiNbO3 晶體的金屬電極上 ， 也可以將外加電場直接加在 LiNbO3 晶體的金屬電極上 ， 所有這些都要保證外電場和金屬電極有良好歐姆接觸。為防止高壓對空氣擊穿 ， 極化過程通常都是在高真空或高壓絕緣油中完成。所用外電場為脈沖高壓電場 ， 對 LiNbO3 晶體 ， 脈沖電壓要大于 23kV/InIn， 脈沖周期長短與次數(shù)依具體實驗條件而定。當晶體表面運輸電荷達到 PsAQ 2? 時 （ 其中 Ps為 LiNbO3 晶體自發(fā)極化強度 ， A為極化 面積 ）， 開始緩慢降低脈沖電壓 ， 持續(xù)一段時間 ， 保證已經(jīng)極化反轉(zhuǎn)的疇不會再自行返回 ， 最后關(guān)掉脈沖電壓 ， 完成周期極化過程。目前采用上述方法不僅成功制備了極化厚度達 、通光長度超過 50mm的均勻周期疇結(jié)構(gòu)的 LiNbO3 晶體。 圖 周期性極化鈮 酸鋰晶體中的電光效應(yīng) 圖（ ） 為對周期性極化鈮酸鋰晶體施加均勻的 Y 向電場時晶體電光效應(yīng)的示意圖 ，如上一節(jié)我們所討論的 ， 當對鈮酸鋰晶體施加 Y 向電場時 ， 晶體的折射率橢球?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn) ， 也就是晶體的光軸將沿 +Z 軸偏轉(zhuǎn) ? 角。對于周期性極化鈮酸鋰晶體來說 ， 由于晶體的周期性疇結(jié)構(gòu) ， 負疇與正疇的光軸偏轉(zhuǎn)角雖然大小相同 ， 但方向相反 ， 如圖上所示。因此 ， PPLN 晶體上施加均勻的 Y 向電場之后 ， 晶體的光軸也呈現(xiàn)周期性的偏轉(zhuǎn) 。 PPLN 晶體的應(yīng)用 周期性極化 LiNbO3 （ PPLN） 材料是技術(shù)含量很高的非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換晶體。它通過倍頻、光參量放大和振蕩、差頻等二階非線性光學(xué)過程 ， 將來廣泛應(yīng)用于光傳輸、光存儲、光顯示和遙感探測等方面。其主要用途有 : （ l） 光存儲 :通過倍頻轉(zhuǎn)換得到的短波長光源 ， 可以用于高密度的光存儲 ， 是藍綠光半導(dǎo)體激光器的有力競爭者。 （ 2） 光顯示 ： 藍綠光光源作為高純度三元色可以用于高清晰度顯示。 （ 3） 全光通訊 ： 利用差頻效應(yīng) ， 可以制作出未來全光 DWDM 通訊系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件一 長沙學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 9 波長轉(zhuǎn)換器。與其它類型波長轉(zhuǎn)換器相比 ， 它具有在通訊 系統(tǒng)中嚴格透明的優(yōu)點。 （ 4） 遙感、探測、生物醫(yī)學(xué)等 ： 利用參量放大和振蕩產(chǎn)生可調(diào)諧近、中紅外光源。應(yīng)用于空間分子探測及其它軍事方面的應(yīng)用。另外 ， 小型紅外光源在醫(yī)學(xué)、科研方面均有很大的應(yīng)用場合。 （ 5） 其它應(yīng)用：電光調(diào)制器、電光偏轉(zhuǎn)器和電光透鏡等。 LiNbO3晶體折射率方程 LiNbO 3 晶體在光學(xué)上為單軸晶體 ， 不同于正單軸晶體 （ eo nn ? ） LiTaO3 的是 ，LiNbO3 為負單軸晶體（ eo nn ? ） ， 一般條件下 ， LiNbO3 在 m5~ ? 的波長范圍內(nèi)均是無色透明的 ， 在補償晶體界面的反射損失時 ， 投射率可達 74%。 LiNbO3 晶體在氫氣中被加熱到 870K~670 后 ， 會由最初的無色透明變?yōu)楹稚Ｔ趡 ???? ?? 和 處出現(xiàn)兩個新的吸收 帶 ， 并且在 m?? ? 處形成強的吸收帶。晶體在空氣中退火并極化后呈淺黃色 [8]。 LiNbO3 晶體在一些常用激光器的輸出波長和幾個其他波長處的尋常折射率 no 和異常折射率 ne對溫度的依賴關(guān)系見表（ ）。 表 LiNbO3 晶體對不同波長的折射率 [9] ? /nm 激光 化學(xué)計量比（ T=25? C） 同成分熔體（ T=? C） no ne no ne HeCd Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar HeNe 紅寶石 GaAs Nd HeNe 長沙學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 10 通過對實驗數(shù)據(jù)分析可以得到在波長為 4000nm~400 ， 計算 LiNbO3 晶體在不同溫度和波長下的 Sellmeier 方程 [10]為： 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 為絕對溫度（ K） ， ? 是以 m? 為單位的波長。 長沙學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 11 第 3 章 線性電光效應(yīng)的耦合波理論 波在介質(zhì)中傳播時，能夠通過介質(zhì)內(nèi)的非線性極化而相互作用將導(dǎo)致形形色色的非線性光學(xué)現(xiàn)象，如高次諧波、參量轉(zhuǎn)換、受激 散射等等。電光效應(yīng)就是其中的一種非線性光學(xué)現(xiàn)象。電波與光波的互作用，實質(zhì)上又可以看作是幾個處于不同波段的電磁波在非線性介質(zhì)中的波耦合過程。，因此可以像非線性光學(xué)那樣，通過求解耦合波方程來獲得電光作用的有關(guān)知識。線性電光效應(yīng)耦合波理論的思想就是采用非線性光學(xué)的方法來處理線性電光效應(yīng)的問題。于是我們采 用類似非線性光學(xué)方法，首先給出相應(yīng)的非線性極化強度，把