CN101169569A

CN101169569A - 双掺铌酸锂晶体

Info

Publication number: CN101169569A
Application number: CNA2007101505906A
Authority: CN
Inventors: 刘士国; 吴胜青; 孔勇发; 许京军; 陈绍林; 黄自恒; 张玲
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2007-11-30
Publication date: 2008-04-30

Abstract

一种双掺铌酸锂晶体，本发明属非线性光学晶体领域。其化学式可表示为：LiNbO₃∶Fe，Zr，其中Fe₂O₃的掺杂范围是：0.01～0.05wt％，ZrO₂的掺杂范围是0.4～6.0mol％。本发明将抗光折变掺杂离子Zr⁴⁺和光折变离子Fe³⁺共同掺入铌酸锂晶体中，具有掺杂阈值低，易于生长出高品质晶体的特点，且晶体具有优异的光折变性能，其光折变响应时间比掺铁铌酸锂晶体缩短两个量级，比镁铁双掺铌酸锂晶体减少近1个量级，比铪铁双掺铌酸锂晶体缩短了五倍；光折变灵敏度比铪铁双掺铌酸锂晶体提高了2～3倍。本发明之锆铁铌酸锂晶体，具有优于其它双掺(如镁铁、铟铁、锌铁、铪铁等)铌酸锂晶体光折变性能的特点，因此在三维体全息存储的应用上具有巨大的市场前景。

Description

双掺铌酸锂晶体

【技术领域】：本发明属于非线性光学晶体技术领域。

【背景技术】：铌酸锂晶体是一种多功能，多用途的光电材料。光折变效应是铌酸锂晶体的一个重要特性，它开拓了晶体在三维光全息存储、光放大、信息处理等方面的应用。掺铁铌酸锂晶体是三维光折变全息存储的首选材料之一，但它存在明显的缺点：即响应时间长，抗光散射能力差。在前期的研究中，我们发现在掺铁铌酸锂晶体中共掺某些抗光折变离子，如Mg²⁺、Zn²⁺、In³⁺，能有效地提高铌酸锂晶体的光折变性能^[1]。但是这些双掺铌酸锂晶体还存在一些不足，如掺杂阈值浓度高，有效分凝系数不等于1，很难生长出高光学品质的晶体。

我们最近的研究发现，铪铁双掺铌酸锂晶体比上述双掺铌酸锂晶体在光折变性能上有了很好的改善，在保持高衍射效率的情况下，响应时间进一步缩短，灵敏度进一步提高，且掺杂阈值浓度也有所降低^[2]。但是无论是晶体的光学质量还是光折变性能，铪铁双掺铌酸锂晶体还不够理想。因此，寻找合适的掺杂离子以提高铌酸锂晶体的光折变性能，对促进三维体全息存储的应用是十分重要的。

【发明内容】：本发明的目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种锆铁双掺铌酸锂晶体。它具有光折变响应速度快、灵敏度高，掺杂阈值低，晶体光学质量好的优点，是一种理想的三维全息存储材料。

本发明提供的锆铁双掺铌酸锂晶体，是在铌酸锂晶体中同时掺入铁离子Fe³⁺和锆离子Zr⁴⁺，其中Fe₂O₃的掺杂范围是0.01～0.05wt％，ZrO₂的掺入量范围是0.4～6.0mol％。

锆铁双掺铌酸锂晶体的制备是用提拉法生长。

本发明具体实施步骤：

(1)称取计量组成的金属元素Li₂CO₃、Nb₂O₅、Fe₂O₃、ZrO₂，其中，Fe₂O₃为0.01～0.05wt％，ZrO₂为0.4～6.0mol％，在150℃下恒温2小时将粉料烘干，然后在混料机上充分混合24小时，在850℃恒温2～6小时，使Li₂CO₃充分分解，在1100℃煅烧2～8小时成双掺杂铌酸锂粉料。

(2)将该粉料压实，放于白金坩埚内，用中频炉加热，Czochralski提拉法沿c轴方向按拉脖、放肩、等径、收尾等过程生长双掺铌酸锂晶体，拉速1～3mm，转速10～14rpm，气液温差20℃，熔体内温度梯度1.5～3.0℃/mm，熔体上方温梯为1.0～2.0℃/mm。

(3)生长后的晶体在1200℃单畴化、退火，经定向、切割、磨抛等工序，可得锆铁双掺铌酸锂晶体样品。

本发明的优点及效果：本发明提供的锆铁双掺铌酸锂晶体具有掺杂阈值低，光折变性能优异，易生长等优点。锆离子在铌酸锂晶体中的掺杂阈值浓度仅为2mol％，且分凝系数接近于1.0，易于生长高品质的晶体。锆铁双掺铌酸锂晶体在保持较高的衍射效率的同时，响应时间比掺铁铌酸锂晶体缩短了2个量级，可比镁铁双掺铌酸锂晶体减少近1个量级，比铪铁双掺铌酸锂晶体缩短5倍；灵敏度比铪铁双掺铌酸锂晶体提高了2～3倍。

本发明提供的锆铁双掺铌酸锂晶体，具有优于其它双掺(如镁铁、铟铁、锌铁、铪铁)铌酸锂晶体光折变性能的特点，在三维体全息存储方面具有巨大的市场应用前景。

【具体实施方式】：

实施例1：

称取1mol％的ZrO₂、0.03wt％的Fe₂O₃和[Li₂CO₃]/[Nb₂O₅]＝0.94的料。在150℃下恒温2小时将粉料烘干，然后在混料机上充分混合24小时，在850℃恒温3小时，使Li₂CO₃充分分解，在1100℃煅烧4小时成双掺杂铌酸锂粉料。(2)将该粉料压实，放于白金坩埚内，用中频炉加热，Czochralski提拉法沿c轴方向按拉脖、放肩、等径、收尾等过程生长双掺铌酸锂晶体，拉速1mm，转速10rpm，气液温差20℃，熔体内温度梯度2.0℃/mm，熔体上方温梯为1.5℃/mm。(3)生长后的晶体在1200℃单畴化、退火，经定向、切割、磨抛等工序，可得锆铁双掺铌酸锂晶体样品。通过全息法检测(波长532nm)，该晶体的光折变衍射效率为26.7％，响应时间为2.2s，灵敏度达到13.67cm/J。

实施例2：

称取3mol％的ZrO₂、0.02wt％的Fe₂O₃和[Li₂CO₃]/[Nb₂O₅]＝0.95的料。在150℃下恒温2小时将粉料烘干，然后在混料机上充分混合24小时，在850℃恒温4小时，使Li₂CO₃充分分解，在1100℃煅烧6小时成双掺杂铌酸锂粉料。(2)将该粉料压实，放于白金坩埚内，用中频炉加热，Czochralski提拉法沿c轴方向按拉脖、放肩、等径、收尾等过程生长双掺铌酸锂晶体，拉速1.5mm，转速12rpm，气液温差20℃，熔体内温度梯度1.5℃/mm，熔体上方温梯为1.0℃/mm。(3)生长后的晶体在1200℃单畴化、退火，经定向、切割、磨抛等工序，可得锆铁双掺铌酸锂晶体样品。通过全息法检测(波长532nm)，该晶体的光折变衍射效率为32.7％，响应时间为1.8s，灵敏度达到13.46cm/J。

实施例3：

称取5mol％的ZrO₂、0.03wt％的Fe₂O₃和[Li₂CO₃]/[Nb₂O₅]＝0.96的料。在150℃下恒温2小时将粉料烘干，然后在混料机上充分混合24小时，在850℃恒温6小时，使Li₂CO₃充分分解，在1100℃煅烧8小时成双掺杂铌酸锂粉料。(2)将该粉料压实，放于白金坩埚内，用中频炉加热，Czochralski提拉法沿c轴方向按拉脖、放肩、等径、收尾等过程生长双掺铌酸锂晶体，拉速2.5mm，转速12rpm，气液温差20℃，熔体内温度梯度2.5℃/mm，熔体上方温梯为2.0℃/mm。(3)生长后的晶体在1200℃单畴化、退火，经定向、切割、磨抛等工序，可得锆铁双掺铌酸锂晶体样品。通过全息法检测(波长532nm)，该晶体的光折变衍射效率为42.2％，响应时间为2.2s，灵敏度达到12.61cm/J。

以上三个实例证明本发明的锆铁铌酸锂晶体是一种光折变性能优异的三维体全息存储材料。

参考文献：

[1]孔勇发，许京军，李冠告，孙骞，张国权，黄晖，黄自恒，陈绍林，张光寅，双掺铌酸锂晶体，专利号：ZL00121092.0。

[2]Shuqi Li，Shiguo Liu，Yongfa Kong，Jingjun Xu，Guangyin Zhang，Enhanced photorefractive propertiesof LiNbO₃:Fe crystals by HfO₂ co-doping，Appl.Phys.Lett.，89(2006)101126

Claims

1.一种双掺铌酸锂晶体，其特征在于该晶体中同时掺入铁和锆，其化学式可表示为：LiNb0₃:Fe，Zr，其中Fe₂O₃的掺杂范围是：0.01～0.05wt％，ZrO₂的掺杂范围是0.4～6.0mol％。

2.权利要求1所说的双掺铌酸锂晶体的制备方法，其特征在于它包括下述步骤：

(1)称取计量组成金属元素的Li₂CO₃、Nb₂O₅、Fe₂O₃以及ZrO₂，其中，Fe₂O₃为0.01～0.05wt％，ZrO₂为0.4～6.0mol％，在150℃下恒温2小时将粉料烘干，充分混合24小时，在850℃恒温2～6小时，使Li₂CO₃分解，在1100℃煅烧2～8小时得到掺杂铌酸锂粉料；

(2)将粉料压实放于白金坩埚中，用中频炉加热，Czochralski提拉法沿c轴方向按拉脖、放肩、等径、收尾即可得到双掺铌酸锂晶体，其中，拉速1～3mm，转速10～14rpm，气液温差20℃，熔体内温度梯度1.5～3.0℃/mm，熔体上方温度梯度为1.0～2.0℃/mm；

(3)将晶体在1200℃单畴化、退火，经定向、切割、磨抛等工序，可得到锆铁双掺铌酸锂晶体样品。

3.权利要求1所说的双掺铌酸锂晶体，应用于三维体全息存储材料。