CN102162132A

CN102162132A - 利用飞秒激光在玻璃内部诱导析出取向可控的铌酸锂单晶的方法

Info

Publication number: CN102162132A
Application number: CN 201110044227
Authority: CN
Inventors: 范茬兴; 曾惠丹; 伯特兰·普梅内克; 陈国荣; 马修·朗克里
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2011-02-24
Publication date: 2011-08-24

Abstract

本发明涉及一种利用飞秒激光在玻璃内部诱导析出取向可控的铌酸锂单晶的方法，属于激光应用技术领域，也属于新材料开发技术领域。本发明采用掺镱光纤放大器、频率可调的激光装置，在飞秒激光辐照下诱导析出铌酸锂单晶。其特征在于通过聚焦透镜将飞秒激光光束聚焦于玻璃表面下100-1000μm，严格控制激光的频率、脉冲能量、激光的偏正方向、扫描速度以及扫描方向，可在玻璃内部选择性诱导析出铌酸锂单晶并可控制其生长取向；飞秒激光的调控参数为：波长1030nm，频率250-500KHz，脉冲宽度为240-300fs，脉冲能量为0.5-2.5μJ，聚焦透镜数值孔径0.4-0.8，扫描速度为0-210μm/s，激光偏正方向通过偏光器控制。诱导析出的铌酸锂单晶是一种优良的铁电材料，由于其具有光电、焦电、压电、光折变以及非线性特性，使其在声光、光电以及非线性光学等领域具有广阔的应用前景。

Description

利用飞秒激光在玻璃内部诱导析出取向可控的铌酸锂单晶的方法

技术领域

本发明涉及一种利用飞秒激光在玻璃内部诱导析出铌酸锂单晶的制备方法，特别是可通过调节激光参数控制晶体的生长取向。诱导析出的铌酸锂单晶是目前用途最广泛的新型无机材料之一，可广泛应用于激光倍频、表面声波器件、光调制器、电光细胞、光参量振荡器、光开关等声光或光电元件。

背景技术

利用飞秒激光在玻璃内部诱导析晶并在三维空间对晶体取向进行微观设计，对于制备复合新型材料以及激光应用技术等研究领域具有十分重要的指导意义。近年来，基于飞秒激光技术，在玻璃内部可实现空间选择性诱导析晶，尤其是可通过选择合适的激光参数诱导生长单晶，使其在声光、电光以及非线性光学等领域具有巨大的研究价值。文献J.Opt.Soc.Am.B21，83-87(2004)报道了利用飞秒激光在相应的玻璃成分中，在玻璃内部分别选择性地诱导析出了β-BaB₂O₄，LiNbO₃以及Ba₂TiO₄晶体。文献Optics Express.18，8019-8024(2010)报道了利用连续激光成功在玻璃表面诱导析出铌酸锂单晶线。专利CN200410018446.3也成功利用飞秒激光在玻璃内部诱导析出功能晶体材料，但对于单晶的形成以及其生长取向的控制并未报道。最近文献Optics Express.17，23284-23289(2009)也报道了成功利用飞秒激光在玻璃内部诱导析出LaBGeO₅单晶，并且其c轴取向与激光的扫描方向一致。本专利首次利用飞秒激光在玻璃内部选择性诱导出铌酸锂单晶并对其生长取向在三维空间进行微观控制设计。

总之，利用飞秒激光在玻璃内部诱导析晶，并通过调节激光参数控制晶体结构，大小以及生长取向，对于研究激光应用技术以及新材料科学技术都具有重大的指导意义。另外，诱导析出的铌酸锂单晶可广泛应用于激光倍频、表面声波器件、光调制器、电光细胞、光参量振荡器、光开关等声光或光电元件。

发明内容

本发明的目的是提出一种利用秒激光在玻璃内部诱导析出取向可控的铌酸锂单晶的制备方法。

本发明利用飞秒激光在玻璃内部诱导析出取向可控的铌酸锂单晶的制备方法如下：

按组成计算量称取各种组成材料，其成分摩尔百分比为SiO₂∶Li₂O∶Nb₂O₅＝28％-50％∶25％-40％；25％-33％。采用传统的熔融淬冷法制备，即将上述原料充分磨混均匀，置入石英坩埚或铂金坩埚中，放入高温熔炉中；在1350-1500℃下熔融1-5小时，使原料熔融成液态，并使熔料混合均匀。熔料恒温加热1-5小时后，从高温炉子中取出坩埚，并将坩埚中熔料快速倒入事先预热的模具上形成玻璃样品，将玻璃样品放入500-600℃的炉子中，缓慢降温退火12-36小时，退火后的玻璃经切割、抛光等处理，即可得到淡黄色透明的玻璃载体；最后通过将飞秒激光聚焦于玻璃内部某一点，利用软件和工作平台控制样品移动进行辐照实验。

本发明利用飞秒激光在玻璃内部诱导析出取向可控的铌酸锂单晶的方法所使用飞秒激光的参数为：

飞秒激光频率ν＝250-500千赫兹(kHZ)，脉冲波长λ＝1030纳米(nm)，聚焦物镜的数值孔径NA＝0.4-0.8，脉冲周期τ＝240-300飞秒(fs)，聚焦深度h＝100-1000微米(μm)，扫描速度V＝0-210微米每秒(μm/s)，每个脉冲的能量E＝0.5-2.5微焦(μJ)，激光偏正方向通过偏光器控制。

本发明利用飞秒激光在玻璃内部诱导析出取向可控的铌酸锂单晶具有光电、焦电、压电、光折变以及非线性特性，使其在声光、光电以及非线性光学等领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1实例1为经过HF处理后断面上的激光痕迹倾斜70度左右所拍摄的扫描电子显微镜(SEM)照片和电子背散射衍射扫描(EBSD)图

具体实施方式

以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。

实施例1

先制备摩尔百分比为SiO₂∶Li₂O∶Nb₂O₅＝34％∶33％；33％。的玻璃34SiO₂·33Li₂O·33Nb₂O₅(mol％)。采用石英砂、碳酸锂、氧化铌为主要原料，先分别称取7.14克石英砂、13.44克碳酸锂、30.73克氧化铌，将上述原料充分磨混均匀，置入石英坩埚或铂金坩埚中，放入高温熔炉中；在1400℃下熔融2小时，使原料熔融成液态，并使熔料混合均匀。熔料恒温加热2小时后，从高温炉子中取出坩埚，并将坩埚中熔料快速倒入事先预热的模具上形成玻璃样品，将玻璃样品放入550℃的炉子中，缓慢降温退火12小时，退火后的玻璃经切割、抛光等处理，即可得到淡黄色的透明玻璃载体，最后通过将飞秒激光聚焦于玻璃内部某一点，利用软件和工作平台控制样品移动进行辐照实验。

飞秒激光参数分别为：激光频率ν＝300千赫兹(kHZ)，脉冲波长λ＝1030纳米(nm)，聚焦物镜的数值孔径NA＝0.6，脉冲周期τ＝300飞秒(fs)，聚焦深度h＝400微米(μm)，扫描速度V＝5微米每秒(μm/s)，每个脉冲的能量E＝2.0微焦(μJ)，激光偏正方向平行于激光扫描方向。

图1中的a₁，a₂，a₃为实例1中利用飞秒激光在玻璃内部诱导析出取向可控的铌酸锂单晶SEM照片和EBSD照片，从图a₁中可以观察到透镜状的激光痕迹，且其最大宽度和高度分别约为10和30微米。图a₂和a₃显示的是激光辐射之后的印迹区域的晶体取向分布图，由图可以清晰地观察到处于辐射中心附近的晶体沿c(0001)轴方向生长，且其取向生长比较均一(最右侧中间部分为铌酸锂晶体的取向坐标，不同的颜色代表不同的晶体生长取向；

分别是激光的入射方向和偏正方向)。

实施例2

飞秒激光参数分别为：激光频率ν＝300千赫兹(kHZ)，脉冲波长λ＝1030纳米(nm)，聚焦物镜的数值孔径NA＝0.6，脉冲周期τ＝300飞秒(fs)，聚焦深度h＝400微米(μm)，扫描速度V＝5微米每秒(μm/s)，每个脉冲的能量E＝1.5微焦(μJ)，激光偏正方向平行于激光扫描方向。

图1中的b₁，b₂，b₃为实例2中利用飞秒激光在玻璃内部诱导析出取向可控的铌酸锂单晶SEM照片和EBSD照片，从图b₁中可以观察到透镜状的激光痕迹，且其最大宽度和高度分别约为9和18微米。图b₂和b₃显示的是激光辐射之后的印迹区域的晶体取向分布图，由图可以清晰地观察到处于辐射中心附近的晶体沿介于0001轴以及1100之间某一方向生长，且其取向非常均一(最右侧中间部分为铌酸锂晶体的取向坐标，不同的颜色代表不同的晶体生长取向；

分别是激光的入射方向和偏正方向)。

Claims

1.一种利用飞秒激光在玻璃内部诱导析出取向可控的铌酸锂单晶的方法，通过聚焦透镜将飞秒激光光束聚焦于玻璃表面下100-1000μm，严格控制激光的频率、脉冲能量、激光的偏正方向、扫描速度以及扫描方向，可在玻璃内部控制铌酸锂晶体生长取向；飞秒激光的调控参数为：波长1030nm，频率250-500KHz，脉冲宽度为240-300fs，脉冲能量为0.5-2.5μJ，聚焦透镜数值孔径0.4-0.8，扫描速度为0-210μm/s，激光偏正方向通过偏光器控制。

2.如权利要求1所述的利用飞秒激光在玻璃内部诱导析出取向可控的铌酸锂单晶的载体玻璃的制备方法，其特征在于制备方法如下：

3.根据权利要求2利用飞秒激光在玻璃内部诱导析出取向可控的铌酸锂单晶的方法，其特征是所使用飞秒激光的参数为：

飞秒激光频率v＝250-500千赫兹(kHZ)，脉冲波长λ＝1030纳米(nm)，聚焦物镜的数值孔径NA＝0.4-0.8，脉冲周期τ＝240-300飞秒(fs)，聚焦深度h＝100-1000微米(μm)，扫描速度V＝0-210微米每秒(μm/s)，每个脉冲的能量E＝0.5-2.5微焦(μJ)，激光偏正方向通过偏光器控制。

4.根据权利要求3利用飞秒激光在玻璃内部诱导析出取向可控的铌酸锂单晶的方法，其特征是在飞秒激光辐射之后铌酸铌单晶的表征方法为：

样品准备：沿着垂直于所写或者扫描晶体线的方向将样品切断，然后对其断面进行镜像抛光，最后用摩尔浓度为10％的氢氟酸(HF)腐蚀2-5分钟。由于断面处被激光辐射部分的玻璃有晶体析出，导致其腐蚀速率相对较慢，通过HF处理后，利用光学显微镜可以比较清晰地观察到激光痕迹。

晶体取向表征：本发明利用电子背散射衍射(Electron Backscattered Diffraction，简称EBSD)对处理后断面上的激光痕迹进行晶体结构以及微区取向分析。