CN102296365B

CN102296365B - 掺钒铌酸锂晶体

Info

Publication number: CN102296365B
Application number: CN201010207689.7A
Authority: CN
Inventors: 刘士国; 董印锋; 孔勇发; 张玲; 陈绍林; 许京军
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2010-06-24
Filing date: 2010-06-24
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2030-06-24
Also published as: CN102296365A

Abstract

一种掺钒铌酸锂晶体，采用Czochralski提拉法生长。元素钒掺杂量范围：0.1～5.0mol％(摩尔百分比)。本发明在掺杂量比较少的情况下，晶体具有优异的光折变性能，特别是在紫外光波段(351nm)，光折变性能大大增强，如响应时间短，衍射效率高，光耦合系数大等，并且光吸收系数较小，综合性能优于其他掺杂元素(如：Mg、Zn、In)；此外，由于掺杂量低，利于生长高光学质量的晶体。在掺杂量达到2.0mol％后，晶体将具有10⁴W/cm²以上的抗光折变能力，钒成为抗光折变掺杂。作为铌酸锂晶体新型的掺杂元素，钒无论在光折变还是在抗光折变方面均具有优异的性能，尤其是在紫外光折变方面，既性能突出，又掺杂量低，易于生长高光学质量的单晶，具有广阔的应用前景。

Description

掺钒铌酸锂晶体

【技术领域】

本发明属于光电材料技术领域，特别涉及非线性光学晶体及其光折变的应用。

【背景技术】

铌酸锂晶体是一种多功能、多用途的光电材料，具有自身机械性能稳定、易加工、耐高温、抗腐蚀、原材料来源丰富、价格低廉、易生长成大晶体的优点，是目前光折变应用方面综合指标最好的晶体之一。

目前增强铌酸锂的光折变性能主要集中在两个方面：一：生长本征缺陷较少的化学计量比的铌酸锂晶体(Li/Nb比值接近于1)，但是这种晶体不易得到大直径、组分均匀的晶体，且生长技术复杂。二：在同成分的铌酸锂中掺入光折变元素，如：Fe，Cu，Mn，Ce，Co等，其中Fe被认为是光折变性能最好的掺杂，因此各种光折变应用的研究主要集中在Fe上，比如单掺铁晶体的光放大和全息存储，双掺铁锰晶体的双色全息存储、相位共轭等。但是，掺铁铌酸锂晶体也存在一些缺点，如响应时间长，光散射强，抗光折变阈值低等。因此，有必要探索其他光折变性能更好的掺杂元素。

Czochralski提拉法技术成熟，容易生长出大直径、组分均匀的同成分铌酸锂晶体，较为常见和使用。

【发明内容】

本发明目的是解决现有参杂铌酸锂晶体存在响应时间长，光散射强，抗光折变阈值低等问题，提供一种掺钒铌酸锂晶体及其制备方法。

本发明提供的掺钒铌酸锂晶体中，元素钒的掺入量按摩尔百分比计为：0.1～5.0mol％，优选为：0.1～2.0mol％。

上述掺钒铌酸锂晶体采用Czochralski提拉法制备，具体步骤如下：

第1、分别称取摩尔百分比为：0.1～5.0mol％的V₂O₅和99.9～95.0mol％的[Li]/[Nb]＝48.38/51.62的碳酸锂和五氧化二铌的混合料，将二者在混料机上充分混合24小时，在850℃恒温2小时，使碳酸锂充分分解，然后在1100℃煅烧12小时成掺钒铌酸锂粉料；

第2、将上步得到的粉料装炉，按照提拉法生长，提拉方向C轴，经过拉脖、放肩、等径、收尾等阶段生长为单晶，经过后期的退火、单畴化、定向、切割、磨抛等阶段，可以得到实验用掺杂量为0.1～5.0mol％的掺钒铌酸锂晶体。

上述第1步V₂O₅的加入量优选为0.1～2.0mol％，可以得到实验用掺杂量为0.1～2.0mol％的掺钒铌酸锂晶体。

本发明的优点和积极效果

本发明提供的掺钒铌酸锂晶体中，在掺杂量比较少的情况下，晶体具有优异的光折变性能，特别是在紫外光波段(351nm)，光折变性能大大增强，如响应时间短，衍射效率高，光耦合系数大等，并且光吸收系数较小，综合性能优于其他掺杂元素(如：Mg、Zn、In)；此外，由于掺杂量低，利于生长高光学质量的晶体。在掺杂量达到2.0mol％后，晶体将具有10⁴W/cm²以上的抗光折变能力，钒成为抗光折变掺杂。作为铌酸锂晶体新型的掺杂元素，钒无论在光折变还是在抗光折变方面均具有优异的性能，尤其是在紫外光折变方面，既性能突出，又掺杂量低，易于生长高光学质量的单晶，具有广阔的应用前景。

【具体实施方式】

为了更好地说明本发明所阐述的掺钒铌酸锂晶体的生长过程和效果，以下我们对晶体的生长过程和实验效果作进一步详细说明。

本发明提供的制备掺钒铌酸锂晶体的方法为Czochralski提拉法，制备晶体的具体实施和性能指标测试如下：

实施例1

【1】称取0.1mol％V₂O₅和99.9mol％的[Li]/[Nb]＝48.38/51.62的碳酸锂和五氧化二铌的混合料，将二者在混料机上充分混合24小时，在850℃恒温2小时，使碳酸锂充分分解，然后在1100℃煅烧12小时成掺钒铌酸锂粉料。

【2】将该粉料装炉，按照提拉法生长，提拉方向C轴，经过拉脖、放肩、等径、收尾等阶段生长为单晶，经过后期的退火、单畴化、定向、切割、磨抛等阶段，可以得到实验用掺杂量为0.1mol％的掺钒铌酸锂晶体。

【3】测试结果：采用二波耦合的方法，所用波长351nm，响应时间：6.0秒，衍射效率7％，折射率变化Δn＝9.6×10^-6，灵敏度S＝0.018cm/J。

实施例2

【1】称取0.3mol％V₂O₅和99.7mol％的[Li]/[Nb]＝48.38/51.62的碳酸锂和五氧化二铌的混合料，将二者在混料机上充分混合24小时，在850℃恒温2小时，使碳酸锂充分分解，然后在1100℃煅烧12小时成掺杂的铌酸锂粉料。

【2】将该粉料装炉，按照提拉法生长，提拉方向C轴，经过拉脖、放肩、等径、收尾等阶段生长为单晶，经过后期的退火、单畴化、定向、切割、磨抛等阶段，可以得到实验用掺杂量为0.3mol％的掺钒铌酸锂晶体。

【3】测试结果：采用二波耦合的方法，所用波长351nm，响应时间0.2秒，衍射效率22％，Δn＝1.7×10^-5，灵敏度S＝0.97cm/J，该晶体的紫外光折变性能优于其他掺杂铌酸锂晶体，如掺Mg，Zn，In等，并且晶体的吸收系数较小，有望成为新型的紫外光折变材料。另外，由于掺杂量低，仅为0.3mol％，远低于掺Mg的5.0mol％、掺锌Zn的7.0mol％、和掺In的3.0mol％，易于生长高光学质量的单晶。

实施例3

【1】称取0.5mol％V₂O₅和99.5mol％的[Li]/[Nb]＝48.38/51.62的碳酸锂和五氧化二铌的混合料，将二者在混料机上充分混合24小时，在850℃恒温2小时，使碳酸锂充分分解，然后在1100℃煅烧12小时成掺杂的铌酸锂粉料。

【2】将该粉料装炉，按照提拉法生长，提拉方向C轴，经过拉脖、放肩、等径、收尾等阶段生长为单晶，经过后期的退火、单畴化、定向、切割、磨抛等阶段，可以得到实验用掺杂量为0.5mol％的掺钒铌酸锂晶体。

【3】测试结果：采用二波耦合的方法，所用波长351nm，响应时间5.0，衍射效率18％，Δn＝1.6×10^-5，灵敏度S＝0.035cm/J。

实施例4

【1】称取1.0mol％V₂O₅和99.0mol％的[Li]/[Nb]＝48.38/51.62的碳酸锂和五氧化二铌的混合料，将二者在混料机上充分混合24小时，在850℃恒温2小时，时碳酸锂充分分解，然后在1100℃煅烧12小时成掺杂的铌酸锂粉料。

【2】将该粉料装炉，按照提拉法生长，提拉方向C轴，经过拉脖、放肩、等径、收尾等阶段生长为单晶，经过后期的退火、单畴化、定向、切割、磨抛等阶段，可以得到实验用掺杂量为1.0mol％的掺钒铌酸锂晶体。

【3】测试结果：采用二波耦合的方法，所用波长351nm，响应时间10秒，衍射效率78％，Δn＝3.9×10^-5，灵敏度在S＝0.044cm/J。

实施例5

【1】称取2.0mol％V₂O₅和98.0mol％的[Li]/[Nb]＝48.38/51.62的碳酸锂和五氧化二铌的混合料，将二者在混料机上充分混合24小时，在850℃恒温2小时，时碳酸锂充分分解，然后在1100℃煅烧12小时成掺杂的铌酸锂粉料。

【2】将该粉料装炉，按照提拉法生长，提拉方向C轴，经过拉脖、放肩、等径、收尾等阶段生长为单晶，经过后期的退火、单畴化、经过定向、切割、磨抛等阶段，可以得到掺杂量为2.0mol％的掺钒铌酸锂晶体。

【3】因351nm波段晶体吸收较大，所以用可见光测试，二波耦合的结果是：衍射效率0.8％(488nm)，通过光斑畸变的方法测得其抗光折变光强阈值为10⁴W/cm²(514nm)。

实施例6

【1】称取5.0mol％V₂O₅和95.0mol％的[Li]/[Nb]＝48.38/51.62的碳酸锂和五氧化二铌的混合料，将二者在混料机上充分混合24小时，在850℃恒温2小时，时碳酸锂充分分解，然后在1100℃煅烧12小时成掺杂的铌酸锂粉料。

【2】将该粉料装炉，按照提拉法生长，提拉方向C轴，经过拉脖、放肩、等径、收尾等阶段生长为单晶，经过后期的退火、单畴化、定向、切割、磨抛等阶段，可以得到掺杂量为5.0mol％的掺钒铌酸锂晶体。

【3】测试结果：采用光斑畸变的方法测得其抗光折变光强阈值为10⁴W/cm²(514nm)。

Claims

1.一种掺钒铌酸锂晶体，其特征在于元素钒的掺入量按摩尔百分比计为：0.1～5.0mol%，[Li]/[Nb]=48.38/51.62。

2.根据权利要求1所述的掺钒铌酸锂晶体，其特征在于元素钒的掺入量按摩尔百分比计优选为：0.1～2.0mol%。

3.一种权利要求1所述的掺钒铌酸锂晶体的制备方法，其特征在于所述的掺钒铌酸锂晶体用Czochralski提拉法制备，具体步骤如下：

第1、分别称取摩尔百分比为：0.1～5.0mol%的V₂O₅和99.9～95.0mol%的[Li]/[Nb]=48.38/51.62的碳酸锂和五氧化二铌的混合料，将二者在混料机上充分混合24小时，在850℃恒温2小时，使碳酸锂充分分解，然后在1100℃煅烧12小时成掺钒铌酸锂粉料；

第2、将上步得到的粉料装炉，按照提拉法生长，提拉方向C轴，经过拉脖、放肩、等径、收尾阶段生长为单晶，经过后期的退火、单畴化、定向、切割、磨抛阶段，得到实验用掺杂量为0.1～5.0mol%的掺钒铌酸锂晶体。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于第1步V₂O₅的加入量优选为0.1～2.0mol%，能够得到实验用掺杂量为0.1～2.0mol%的掺钒铌酸锂晶体。