CN117604640A - 一种钪铈铁掺杂铌酸锂晶体及其制备方法和应用 - Google Patents

一种钪铈铁掺杂铌酸锂晶体及其制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN117604640A
CN117604640A CN202311569349.2A CN202311569349A CN117604640A CN 117604640 A CN117604640 A CN 117604640A CN 202311569349 A CN202311569349 A CN 202311569349A CN 117604640 A CN117604640 A CN 117604640A
Authority
CN
China
Prior art keywords
lithium niobate
scandium
crystal
doped lithium
iron doped
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202311569349.2A
Other languages
English (en)
Inventor
代丽
阎哲华
杨顺翔
王晔
代滋宇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin University of Science and Technology
Original Assignee
Harbin University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin University of Science and Technology filed Critical Harbin University of Science and Technology
Priority to CN202311569349.2A priority Critical patent/CN117604640A/zh
Publication of CN117604640A publication Critical patent/CN117604640A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/16—Oxides
    • C30B29/22—Complex oxides
    • C30B29/30—Niobates; Vanadates; Tantalates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/02—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method adding crystallising materials or reactants forming it in situ to the melt
    • C30B15/04—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method adding crystallising materials or reactants forming it in situ to the melt adding doping materials, e.g. for n-p-junction
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/60—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape characterised by shape
    • C30B29/66—Crystals of complex geometrical shape, e.g. tubes, cylinders
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/355—Non-linear optics characterised by the materials used
    • G02F1/3551—Crystals
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C13/00—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00
    • G11C13/04—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using optical elements ; using other beam accessed elements, e.g. electron or ion beam

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种钪铈铁掺杂铌酸锂晶体及其制备方法和应用。本发明提供的钪铈铁掺杂铌酸锂晶体，光泽度高、成分均一、无瑕疵、无生长条纹和无裂纹产生，解决了铌酸锂晶体不能做为激光晶体材料和铌酸锂晶体抗光损伤能力低的问题。本发明提供的钪铈铁掺杂铌酸锂晶体无宏观缺陷、成分均匀、满足使用性能，具备更优全息存储性能。本发明制备的钪铈铁掺杂铌酸锂晶体，具有光折变响应速度快、灵敏度高、掺杂阈值低和晶体光学质量好等优点，是一种理想的三维体全息存储材料。本发明提供的钪铈铁掺杂铌酸锂晶体在全息光存储、光波导放大器和集成光学等应用领域有着重要的地位，尤其适合用于光学体全息存储。

Description

一种钪铈铁掺杂铌酸锂晶体及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种钪铈铁掺杂铌酸锂晶体及其制备方法和应用。
背景技术
光学体全息存储是一种有别于传统存储的新型存储技术，它利用光的相干形成干涉图样存储信息，依据体光栅的布拉格选择性，借助角度复用、波长复用和空间复用等多种复用方式，可以在同一区域实现多重信息存储。与其它几类存储技术相比，光学体全息存储在存储容量、传输速率和系统便携性等方面都具有优势。
铌酸锂晶体是一种重要的无机非线性光学晶体材料，具有较高的非线性光学系数，可以用于产生较高的非线性光学效应，比如频率倍频和光学调制等，即使是在高温下仍能保持较高的非线性光学性能，拥有较好的热稳定性，以及较宽的光学透明窗口，能够在可见光和红外光波段进行有效的非线性光学转换。
中国专利CN115261989A公开了一种快响应铌酸锂晶体及其制备方法，制备了In离子掺杂量为2～6mol％，铀离子掺杂量为0.6～2mol％的铟铀双掺杂的铌酸锂晶体。通过固相烧结法合成双掺铌酸锂多晶粉料，利用坩埚下降法生长晶体，可以得到成分均匀和性能较好的晶体。
中国专利CN116692946A公开了一种掺杂铌酸锂粉体及其制备方法与应用，利用高压釜采用水热合成法制备出含有金属掺杂的铌酸锂粉体。粉体的微观形貌呈立方晶结构，并伴随有少量纳米级不规则颗粒，实现多种金属氧化物的掺杂，并通过调整合成温度、合成时间以及热处理条件，获得不同性能的掺杂铌酸锂粉体。
但是，上述的掺杂铌酸锂晶体仍然存在全息储存性能不足的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钪铈铁掺杂铌酸锂晶体及其制备方法和应用，本发明提供的钪铈铁掺杂铌酸锂晶体具有优异的全息储存性能，写入时间τw缩短，动态范围M/#变大，饱和衍射效率ηs增大，光折变灵敏度S增加。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供了一种钪铈铁掺杂铌酸锂晶体，分子式为Sc:Ce:Fe:LiNbO3；
所述钪铈铁掺杂铌酸锂晶体中Sc的掺杂量为1％～4％。
优选的，所述钪铈铁掺杂铌酸锂晶体中Ce的掺杂量为0.48％～0.52％；
所述钪铈铁掺杂铌酸锂晶体中Fe的掺杂量为0.028％～0.032％。
优选的，所述钪铈铁掺杂铌酸锂晶体的晶体结构为钙钛矿型结构，具有铁电相和顺电相结构，属于三方晶系和六方晶胞。
本发明还提供了上述方案所述钪铈铁掺杂铌酸锂晶体的制备方法，包括以下步骤：
(1)将Nb2O5、Li2CO3、Sc2O3、Ce2O3和Fe2O3混合，得到混合料；
(2)将所述混合料烧结后依次进行冷却、提拉法晶体生长和极化，得到钪铈铁掺杂铌酸锂晶体。
优选的，所述烧结为：在730～748℃烧结2～4h，再升温至1180～1195℃烧结1～2h。
优选的，所述冷却的速率为70～90℃/h，终温为室温。
优选的，所述提拉法晶体生长为：将冷却所得产物依次进行引晶、缩颈、放肩、收肩、等径生长、拉脱和退火；
所述引晶为：将冷却所得产物加热后恒温保温得到熔体，然后向所述熔体下入籽晶进行引晶；
所述恒温保温的温度为1245～1249℃，保温时间以熔体不出现浮晶为准；所述下入籽晶的深度为0.7～1.2mm；
所述引晶的提拉速度为0.8～1.3mm/h，轴向温度梯度为32～37℃/cm，旋转速度为15～18rpm。
优选的，所述Li2CO3中的Li与Nb2O5中的Nb的摩尔比为0.945～0.947:1；
所述Sc2O3的掺杂摩尔量占原料总摩尔量的2.8％～3.2％；
所述Ce2O3的掺杂摩尔量占原料总摩尔量的0.48％～0.52％；
所述Fe2O3的掺杂质量分数占原料总质量的0.028～0.032％。
优选的，所述极化的温度为1185～1210℃，电流密度为4.8～5.2mA/cm2，极化时间为25～28min。
本发明还提供了上述方案所述钪铈铁掺杂铌酸锂晶体或上述方案所述制备方法得到的钪铈铁掺杂铌酸锂晶体在全息光存储、光波导放大器或集成光学中的应用。
本发明提供了一种钪铈铁掺杂铌酸锂晶体。本发明提供的钪铈铁掺杂铌酸锂晶体，在铌酸锂中掺杂特定比例的钪元素，Sc3+离子掺入时晶体中存在的反位铌基本被取代完全，与铈元素和铁元素配合，使得到的晶体无宏观缺陷，成分均匀，光电导增加，满足使用性能，具备更优全息存储性能，写入时间τw缩短，动态范围M/#变大，饱和衍射效率ηs增大，光折变灵敏度S增加。本发明提供的钪铈铁掺杂铌酸锂晶体，解决了铌酸锂晶体不能做为激光晶体材料和铌酸锂晶体抗光损伤能力低的问题。
本发明还提供上述方案所述钪铈铁掺杂铌酸锂晶体的制备方法。本发明制备的钪铈铁掺杂铌酸锂晶体，具有光折变响应速度快、灵敏度高、掺杂阈值低和晶体光学质量好等优点，是一种理想的三维体全息存储材料。本发明制备的钪铈铁掺杂铌酸锂晶体，光泽度高、成分均一、无瑕疵、无生长条纹和无裂纹产生，抗光损伤性能较高，能够做为激光晶体材料。本发明提供的制备方法步骤简单，便于操作，晶体制备效率高。
本发明还提供了上述方案所述钪铈铁掺杂铌酸锂晶体或上述方案所述制备方法得到的钪铈铁掺杂铌酸锂晶体在全息光存储、光波导放大器或集成光学中的应用。本发明提供的钪铈铁掺杂铌酸锂晶体是一种理想的三维体全息存储材料，具有非常重要的应用价值，在全息光存储、光波导放大器和集成光学等应用领域有着重要的地位，尤其适合用于光学体全息存储。
具体实施方式
本发明提供了一种钪铈铁掺杂铌酸锂晶体，分子式为Sc:Ce:Fe:LiNbO3。
在本发明中，所述钪铈铁掺杂铌酸锂晶体中Sc的掺杂量为1％～4％，优选为2.8％～3.2％，更优选为2.9％～3.1％，进一步优选为3.0％；所述钪铈铁掺杂铌酸锂晶体中Ce的掺杂量优选为0.48％～0.52％，更优选为0.49％～0.51％，进一步优选为0.50％；所述钪铈铁掺杂铌酸锂晶体中Fe的掺杂量优选为0.028％～0.032％，更优选为0.029％～0.031％，进一步优选为0.03％。
在本发明中，所述钪铈铁掺杂铌酸锂晶体的晶体结构优选为钙钛矿型结构，具有铁电相和顺电相结构，属于三方晶系和六方晶胞。
本发明还提供了上述方案所述钪铈铁掺杂铌酸锂晶体的制备方法，包括以下步骤：
(1)将Nb2O5、Li2CO3、Sc2O3、Ce2O3和Fe2O3混合，得到混合料；
(2)将所述混合料烧结后依次进行冷却、提拉法晶体生长和极化，得到钪铈铁掺杂铌酸锂晶体。
本发明将Nb2O5、Li2CO3、Sc2O3、Ce2O3和Fe2O3混合，得到混合料。在本发明中，所述混合优选为搅拌。
在本发明中，所述Nb2O5的粒径优选为200～400目，更优选为240～350目，进一步优选为260～320目。
在本发明中，所述Li2CO3的粒径优选为200～380目，更优选为250～350目，进一步优选为280～330目；所述Li2CO3中的Li与Nb2O5中的Nb的摩尔比优选为0.945～0.947:1，更优选为0.946:1。
在本发明中，所述Sc2O3的粒径优选为250～450目，更优选为280～400目，进一步优选为300～350目；所述Sc2O3的掺杂摩尔量优选占原料总摩尔量的2.8％～3.2％，更优选为2.9％～3.1％，进一步优选为3％。
在本发明中，所述Ce2O3的粒径优选为250～400目，更优选为280～380目，进一步优选为300～340目；所述Ce2O3的掺杂摩尔量优选占原料总摩尔量的0.48％～0.52％，更优选为0.49％～0.51％，进一步优选为0.5％。
在本发明中，所述Fe2O3的粒径优选为200～400目，更优选为240～360目，进一步优选为280～320目；所述Fe2O3的掺杂质量分数优选占原料总质量的0.028～0.032％，更优选为0.029～0.031％，进一步优选为0.030％。
得到混合料后，本发明将所述混合料烧结后依次进行冷却、提拉法晶体生长和极化，得到钪铈铁掺杂铌酸锂晶体。在本发明中，所述烧结优选为：在730～748℃(记为第一烧结温度)烧结2～4h(记为第一烧结时间)，再升温至1180～1195℃(记为第二烧结温度)烧结1～2h(记为第二烧结时间)。
在本发明中，所述第一烧结温度优选为735～745℃，更优选为738～742℃，进一步优选为740℃；所述第一烧结时间优选为2.5～3.5h，更优选为3h。
在本发明中，所述第二烧结温度优选为1180～1195℃，更优选为1183～1192℃，进一步优选为1187～1190℃；所述第二烧结时间优选为1.2～1.8h，更优选为1.4～1.6h，进一步优选为1.5h。
在本发明中，所述烧结的设备优选为Pt坩锅。本发明通过烧结，生成LiNbO3晶体，避免了杂相和副产物的产生。
在本发明中，所述冷却的速率优选为70～90℃/h，更优选为75～85℃/h，进一步优选为78～82℃/h，终温优选为室温。本发明通过冷却，可以消除晶体生长过程中产生的两方面的内应力，第一是组分内部的不均匀和晶体的结构缺陷产生的应力，第二是杂质进入到晶体中产生的化学应力，本发明通过冷却有效地削弱了产生的内应力。
在本发明中，所述提拉法晶体生长优选为：将冷却所得产物依次进行引晶、缩颈、放肩、收肩、等径生长、拉脱和退火。
在本发明中，所述引晶优选为：将冷却所得产物加热后恒温保温得到熔体，然后向所述熔体下入籽晶进行引晶。
在本发明中，所述恒温保温的温度优选为1245～1249℃，更优选为1246～1248℃，进一步优选为1248℃，保温时间优选以熔体不出现浮晶为准；所述下入籽晶的深度(籽晶距离恒温保温所得熔体的上表面的距离)优选为0.7～1.2mm，更优选为0.8～1.1mm，进一步优选为0.9～1.0mm。
在本发明中，所述引晶的提拉速度优选为0.8～1.3mm/h，更优选为0.9～1.2mm/h，进一步优选为1.0～1.1mm/h，轴向温度梯度优选为32～37℃/cm，更优选为33～36℃/cm，进一步优选为34～35℃/cm，旋转速度优选为15～18rpm，更优选为16～17rpm。本发明通过提拉法生长晶体，采用上述下晶的温度，可以减少晶体的位错密度。
本发明采用上述速率生长晶体，得到了平坦的固液生长界面，长出了质量好缺陷少的晶体。本发明研究发现，晶体旋转速度过快会造成凹界面，由于表面张力和重力的作用固液界面稳定性较差，生长的晶体易出现生长条纹，晶体加工困难；旋转速度过慢，则固液界面会变成凹界面，这种形状的固液面会造成热交换缓慢，生长出的晶体易产生包裹体等缺陷。本发明采用上述的旋转速度，得到了平坦的固液生长界面，长出了质量好缺陷少的晶体。
在本发明中，所述极化的温度优选为1185～1210℃，更优选为1190～1205℃，进一步优选为1195～1200℃，电流密度优选为4.8～5.2mA/cm2，更优选为5mA/cm2，极化时间优选为25～28min，更优选为26～27min。本发明通过极化，对提拉法生长出来的多畴晶体进行单畴化，电磁波穿过多畴晶体时在“畴壁”处发生散射,从而影响晶体在光学器件上的应用。
在本发明中，所述极化后优选对极化所得产物进行切割和抛光；所述切割的尺寸优选为17～21mm×8～13mm×13～15mm，更优选为18～20mm×9～12mm×13～14mm，进一步优选为18mm×11mm×14mm；所述抛光优选为光学质量级抛光。
本发明还提供了上述方案所述钪铈铁掺杂铌酸锂晶体或上述方案所述制备方法得到的钪铈铁掺杂铌酸锂晶体在全息光存储、光波导放大器或集成光学中的应用。
本发明提供的钪铈铁掺杂铌酸锂晶体是一种理想的三维体全息存储材料，具有非常重要的应用价值，在全息光存储、光波导放大器和集成光学等应用领域有着重要的地位，尤其适合用于光学体全息存储。本发明提供的钪铈铁掺杂铌酸锂晶体可以根据实际应用场景，切割成任意尺寸和形状的晶体材料。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明的方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
(1)混合：称取5种原料，将Nb2O5、Li2CO3、Sc2O3、Ce2O3和Fe2O3混合均匀，得到混合料；所述Li2CO3中的Li与Nb2O5中的Nb的摩尔比为0.946:1，Sc2O3的掺杂摩尔量占五种原料总摩尔量的0％，Ce2O3的掺杂摩尔量占五种原料总摩尔量的0.5％，Fe2O3的掺杂质量分数为五种原料总质量的0.03wt％；
(2)提拉法生长晶体：将步骤(1)所述混合料放入Pt坩锅中，然后在730℃下烧结4h，再升温至1180℃烧结2h后冷却，所述冷却的速率为70℃/h，终温为室温；然后采用提拉法进行晶体生长，将冷却所得产物加热后恒温保温，然后下入籽晶进行引晶，再经过缩颈、放肩、收肩、等径生长、拉脱和退火，得到多畴晶体；
所述下入籽晶的温度为1245℃，所述下入籽晶的深度(籽晶距离恒温保温所得熔体的上表面的距离)为1.2mm；
所述引晶的提拉速度为0.8mm/h，轴向温度梯度为32℃/cm，旋转速度为15rpm；
(3)极化：将步骤(2)所述多畴晶体置于温度1185℃、电流密度5mA/cm2的条件下极化28min，得到极化后的晶体；
(4)切割和抛光：将步骤(3)所述极化后的晶体进行切割，所述切割的尺寸为17mm×8mm×13mm，然后对表面进行光学质量级抛光，得到钪铈铁掺杂铌酸锂晶体(Sc:Ce:Fe:LiNbO3晶体)。
实施例2
本实施例与实施例1制备方法相同，唯一不同之处在于，Sc2O3的掺杂摩尔量占五种原料总摩尔量的1％。
实施例3
本实施例与实施例1制备方法相同，唯一不同之处在于，Sc2O3的掺杂摩尔量占五种原料总摩尔量的2％。
实施例4
本实施例与实施例1制备方法相同，唯一不同之处在于，Sc2O3的掺杂摩尔量占五种原料总摩尔量的3％。
实施例5
(1)混合：称取5种原料，将Nb2O5、Li2CO3、Sc2O3、Ce2O3和Fe2O3混合均匀，得到混合料；所述Li2CO3中的Li与Nb2O5中的Nb的摩尔比为0.946:1，Sc2O3的掺杂摩尔量占五种原料总摩尔量的3％，Ce2O3的掺杂摩尔量占五种原料总摩尔量的0.5％，Fe2O3的掺杂质量分数为五种原料总质量的0.03wt％；
(2)提拉法生长晶体：将步骤(1)所述混合料放入Pt坩锅中，然后在748℃下烧结2h，再升温至1195℃烧结1h后冷却，所述冷却的速率为90℃/h，终温为室温；然后采用提拉法进行晶体生长，将冷却所得产物加热后恒温保温，然后下入籽晶进行引晶，再经过缩颈、放肩、收肩、等径生长、拉脱和退火，得到多畴晶体；
所述下入籽晶的温度为1249℃，所述下入籽晶的深度(籽晶距离恒温保温所得熔体的上表面的距离)为0.7mm；
所述引晶的提拉速度为1.3mm/h，轴向温度梯度为37℃/cm，旋转速度为18rpm；
(3)极化：将步骤(2)所述多畴晶体置于温度1210℃、电流密度5mA/cm2的条件下极化25min，得到极化后的晶体；
(4)切割和抛光：将步骤(3)所述极化后的晶体进行切割，所述切割的尺寸为21mm×13mm×15mm，然后对表面进行光学质量级抛光，得到钪铈铁掺杂铌酸锂晶体(Sc:Ce:Fe:LiNbO3晶体)。
实施例6
(1)混合：称取5种原料，将Nb2O5、Li2CO3、Sc2O3、Ce2O3和Fe2O3混合均匀，得到混合料；所述Li2CO3中的Li与Nb2O5中的Nb的摩尔比为0.946:1，Sc2O3的掺杂摩尔量占五种原料总摩尔量的3％，Ce2O3的掺杂摩尔量占五种原料总摩尔量的0.5％，Fe2O3的掺杂质量分数为五种原料总质量的0.03wt％；
(2)提拉法生长晶体：将步骤(1)所述混合料放入Pt坩锅中，然后在740℃下烧结3h，再升温至1190℃烧结1.5h后冷却，所述冷却的速率为80℃/h，终温为室温；然后采用提拉法进行晶体生长，将冷却所得产物加热后恒温保温，然后下入籽晶进行引晶，再经过缩颈、放肩、收肩、等径生长、拉脱和退火，得到多畴晶体；
所述下入籽晶的温度为1247℃，所述下入籽晶的深度(籽晶距离恒温保温所得熔体的上表面的距离)为1.0mm；
所述引晶的提拉速度为1.0mm/h，轴向温度梯度为35℃/cm，旋转速度为16rpm；
(3)极化：将步骤(2)所述多畴晶体置于温度1200℃、电流密度5mA/cm2的条件下极化26min，得到极化后的晶体；
(4)切割和抛光：将步骤(3)所述极化后的晶体进行切割，所述切割的尺寸为19mm×10mm×14mm，然后对表面进行光学质量级抛光，得到钪铈铁掺杂铌酸锂晶体(Sc:Ce:Fe:LiNbO3晶体)。
采用双折射梯度法，对本发明实施例1～4制备的钪铈铁掺杂铌酸锂晶体进行光学均匀性测试。光学均匀性指晶体各部分折射率变化的不均匀程度。本发明采用He-Ne二极管激光器作为激发光源，激光先照射到偏光镜上，然后穿过与C轴成π/4的角度放置的样品，再通过波片，分析仪以及探测器，最后传输到电脑进行数据采集和分析，结果如表1所示。
表1实施例1～4制备的钪铈铁掺杂铌酸锂晶体的双折射梯度
晶体 双折射梯度ΔR/cm-1
实施例1 12.3×10-5
实施例2 8.2×10-5
实施例3 6.5×10-5
实施例4 3.3×10-5
根据表1可知，随着Sc3+掺杂浓度的增加，晶体的双折射梯度逐渐减少，其中实施例4制备的晶体的双折射梯度最大，实施例1制备的晶体的双折射梯度最小，据此可以推断出Sc:Ce:Fe:LiNbO3晶体中Sc3+的掺杂浓度越高，晶体的光学均匀性越好；在实施例1～4中，实施例4的晶体的光学均匀性达到最佳值。
本发明采用双波耦合实验，对实施例1～4制备的钪铈铁掺杂铌酸锂晶体进行光折变性能测试，该实验的物理原理是双光束干涉。将状态相同两个光束对称地照射在晶体上时，由于光束干涉的相干性，晶体内部将引起光强分布光栅，进而形成折射率分布光栅。在光折变材料内，这两个分布光栅是不一致的，具有π/2的相位差，这样两个光栅会产生一个能量转换的现象，称之为双波耦合现象，结果如表2所示。
表2实施例1～4制备的钪铈铁掺杂铌酸锂晶体的全息存储性能
根据表2可知，当掺杂浓度到阈值时(3mol％)，反位铌基本全部被取代完，Sc3+离子开始占据正常Nb位形成缺陷/>本征缺陷浓度进一步减少，电导率增加，所以写入时间减少。掺杂Fe和Ce离子是以占据正常Li位进入LiNbO3晶体中形成了光折变中心/>和本发明认为随着Sc3+离子掺杂浓度的提高，会对Fe和Ce离子进入晶体起到促进作用，所以光折变中心浓度提高，随着Sc3+离子掺杂浓度的增加，钪铈铁掺杂铌酸锂晶体的饱和衍射效率也增加。
因此，动态范围M/#随着掺杂Sc3+离子浓度的增加而增加，饱和衍射效率的增强和写入时间的减少，导致了光折变灵敏度的增加。实验结果表明，随着Ce:Fe:LiNbO3晶体中掺杂Sc3+浓度的增加，写入时间τw缩短，动态范围M/#变大，饱和衍射效率ηs增大，光折变灵敏度S增加。
本发明利用光致散射能量流阈值法，对实施例1～4的钪铈铁掺杂铌酸锂晶体，定量测试Sc3+离子对晶体抗光损伤散射的影响。入射光发生散射是时间累积的作用，即使入射光的强度非常小，但只要辐照晶体的时间足够长，光损伤也会发生，即辐照光强和时间的累积效应达到一定的程度之后光损伤就会发生。本发明利用曝光能量来描述抗光散射能力，当照射在晶体上的能量达到一定值时，抗光损伤现象发生。用Er来表示这一临界量，Er越大晶体的抗光散射能力越强。测试得到的结果如表3所示。
表3实施例1～4的钪铈铁掺杂铌酸锂晶体的抗光散射性能
根据表3可以看出，钪铈铁掺杂铌酸锂晶体随着Sc掺杂浓度的提高，抗光损伤能力逐渐增强，当Sc掺杂浓度达到3mol％时，抗光损伤能力大幅度增加，实施例4晶体的曝光能量流阈值为895.76J/cm2，掺杂浓度为0的实施例1晶体的曝光能量流阈值为4.13J/cm2，两者相比实施例4提高了两个数量级。
实施例5～6的性能测试结果与实施例1～4相近，在此不再赘述。
由以上实施例可知，本发明提供的钪铈铁掺杂铌酸锂晶体抗光损伤能力强，光泽度高，成分均一，无瑕疵，无生长条纹和裂纹产生，性能层次丰富，光学应用表现更优，解决了铌酸锂晶体不能做为激光晶体材料的问题，具有优异的全息储存性能。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (10)

1.一种钪铈铁掺杂铌酸锂晶体，分子式为Sc:Ce:Fe:LiNbO3；
所述钪铈铁掺杂铌酸锂晶体中Sc的掺杂量为1％～4％。
2.根据权利要求1所述钪铈铁掺杂铌酸锂晶体，其特征在于，所述钪铈铁掺杂铌酸锂晶体中Ce的掺杂量为0.48％～0.52％；
所述钪铈铁掺杂铌酸锂晶体中Fe的掺杂量为0.028％～0.032％。
3.根据权利要求1或2所述钪铈铁掺杂铌酸锂晶体，其特征在于，所述钪铈铁掺杂铌酸锂晶体为钙钛矿型结构，具有铁电相和顺电相结构，属于三方晶系和六方晶胞。
4.权利要求1～3任一项所述钪铈铁掺杂铌酸锂晶体的制备方法，包括以下步骤：
(1)将Nb2O5、Li2CO3、Sc2O3、Ce2O3和Fe2O3混合，得到混合料；
(2)将所述混合料烧结后依次进行冷却、提拉法晶体生长和极化，得到钪铈铁掺杂铌酸锂晶体。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述烧结为：在730～748℃烧结2～4h，再升温至1180～1195℃烧结1～2h。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述冷却的速率为70～90℃/h，终温为室温。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述提拉法晶体生长为：将冷却所得产物依次进行引晶、缩颈、放肩、收肩、等径生长、拉脱和退火；
所述引晶为：将冷却所得产物加热后恒温保温得到熔体，然后向所述熔体下入籽晶进行引晶；
所述恒温保温的温度为1245～1249℃，保温时间以熔体不出现浮晶为准；所述下入籽晶的深度为0.7～1.2mm；
所述引晶的提拉速度为0.8～1.3mm/h，轴向温度梯度为32～37℃/cm，旋转速度为15～18rpm。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述Li2CO3中的Li与Nb2O5中的Nb的摩尔比为0.945～0.947:1；
所述Sc2O3的掺杂摩尔量占原料总摩尔量的2.8％～3.2％；
所述Ce2O3的掺杂摩尔量占原料总摩尔量的0.48％～0.52％；
所述Fe2O3的掺杂质量分数占原料总质量的0.028～0.032％。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述极化的温度为1185～1210℃，电流密度为4.8～5.2mA/cm2，极化时间为25～28min。
10.权利要求1～3任一项所述钪铈铁掺杂铌酸锂晶体或权利要求4～9任一项所述制备方法得到的钪铈铁掺杂铌酸锂晶体在全息光存储、光波导放大器或集成光学中的应用。
CN202311569349.2A 2023-11-23 2023-11-23 一种钪铈铁掺杂铌酸锂晶体及其制备方法和应用 Pending CN117604640A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311569349.2A CN117604640A (zh) 2023-11-23 2023-11-23 一种钪铈铁掺杂铌酸锂晶体及其制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311569349.2A CN117604640A (zh) 2023-11-23 2023-11-23 一种钪铈铁掺杂铌酸锂晶体及其制备方法和应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117604640A true CN117604640A (zh) 2024-02-27

Family

ID=89943591

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311569349.2A Pending CN117604640A (zh) 2023-11-23 2023-11-23 一种钪铈铁掺杂铌酸锂晶体及其制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117604640A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Dhas et al. Growth and characterization of l-Tartaric acid, an NLO material
Grachev et al. Macroscopic and microscopic defects and nonlinear optical properties of KH2PO4 crystals with embedded TiO2 nanoparticles
JP2931960B2 (ja) 鉄添加ニオブ酸リチウム単結晶およびその熱処理方法および当該単結晶を含むホログラム応用素子
Riscob et al. Structural, optical and thermal properties of Zr–Fe co-doped congruent LiNbO3 single crystals
Dai et al. Investigation on nonvolatile holographic storage properties in Hf: Ru: Fe: LiNbO3 crystals as a function of Li composition
CN117604640A (zh) 一种钪铈铁掺杂铌酸锂晶体及其制备方法和应用
Riscob et al. Effect of Mg doping on the growth aspects, crystalline perfection, and optical and thermal properties of congruent LiNbO3 single crystals
Bhatt et al. Study of structural defects and crystalline perfection of near stoichiometric LiNbO3 crystals grown from flux and prepared by VTE technique
Senthil Pandian et al. Growth of [010] oriented urea-doped triglycine sulphate (Ur-TGS) single crystals below and above Curie temperature (T c) and comparative investigations of their physical properties
Xie et al. The performance studies of DKDP crystals grown by a rapid horizontal growth method
Zhang et al. Growth and optical property of Mg, Fe co-doped near-stoichiometric LiNbO3 crystal
Palatnikov et al. Growth, microstructure and optical characteristics of doped LiNbO3: Gd and LiNbO3: Cu: Gd lithium niobate crystals
Raj et al. Studies on the effect of nickel on growth, structural, optical, electrical, thermal and mechanical properties of l-valinium picrate
Bhagavannarayana et al. Synthesis, growth, thermal, optical, dielectric and mechanical properties of semi-organic NLO crystal: Potassium hydrogen malate monohydrate
Solé et al. KTiOPO4 single crystals grown from neodymium modified fluxes
Sugawara et al. Growth and characterization of lithium tetraborate crystals grown in phase-matching directions
Dolzhenkova et al. Growth, Quality Characterization and Mechanical Hardness of DAST Crystals
Malliga et al. Growth and characterization of pure and thiourea-doped l-alanine single crystals for NLO devices
Xu et al. OH− absorption and nonvolatile holographic storage properties in Mg: Ru: Fe: LiNbO3 crystal as a function of Mg concentration
Zhang et al. Growth and holographic data storage properties of near-stoichiometric LiTaO3 crystals doped with Mn
Zhang et al. The correlation between defects and photorefractive properties in Fe: In: LiNbO3 crystals
Perumal et al. Influence of pH on the Growth of Tris-Allylthiourea Cadmium Chloride Single Crystals.
Sun et al. Defect structure and optical damage resistance of Hf: Fe: LiNbO3 crystals with various [Li]/[Nb] ratios
JP3390905B2 (ja) セリウム添加ニオブ酸リチウム単結晶、その製造方法および当該単結晶を含む光素子
Dai et al. THE INFLUENCE OF THE [LI]/[NB] RATIO ON THE HOLOGRAPHIC STORAGE PERFORMANCE OF MGFECULINBO3 CRYSTALS

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination