專利名稱：銦鈰鐵三摻鈮酸鋰晶體及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非線性光學(xué)晶體領(lǐng)域的鈮酸鋰晶體及其制備方法，具體講，是一
種用于體全息存儲的鈮酸鋰三摻晶體及其制備方法。
背景技術(shù)：
鈮酸鋰(LiNb03)晶體是一種多功能、多用途的光電材料，被譽(yù)為是光信息領(lǐng)域中的單晶硅。具有良好的壓電、電光、聲光和非線性光學(xué)性能，在全息存儲、位相共軛、光波導(dǎo)等領(lǐng)域都有著極其重要的地位。 摻鐵鈮酸鋰晶體是三維光折變?nèi)⒋鎯Φ氖走x材料之一，但這種晶體存在明顯的缺點即響應(yīng)時間長、抗光損傷能力差。共摻鈰鐵鈮酸鋰晶體在532nm和633nm記錄光下光折變靈敏度、動態(tài)范圍以及響應(yīng)時間均優(yōu)于摻鐵鈮酸鋰晶體，但這種摻雜晶體仍然存在靈敏度較低和抗光損傷能力較差的缺點。 我們最近的研究發(fā)現(xiàn)，在鈰鐵鈮酸鋰晶體中共摻抗光折變元素鎂(Mg)，能夠有效地提高鈮酸鋰晶體的全息存儲性能(鎂鈰鐵三摻鈮酸鋰晶體的生長及光學(xué)性能.Materials letters. 2007,61(14-15) :3243-324)，但是也存在一些不足，如摻雜閾值濃度高，有效分凝系數(shù)不等于l，這樣要生長出高光學(xué)品質(zhì)的晶體就比較難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種銦鈰鐵三摻雜鈮酸鋰晶體及其制備方法。所述銦鈰鐵三摻雜鈮酸鋰晶體具有光折變響應(yīng)速度快、靈敏度高、摻雜閾值低、晶體光學(xué)質(zhì)量好等優(yōu)點，是一種理想的三維體全息存儲材料。 本發(fā)明銦鈰鐵三摻鈮酸鋰晶體，是在鈮酸鋰晶體中同時摻入鐵離子F^+、鈰離子Ce4+和銦離子1113+，其中Li2C03和Nb205的摩爾比為0. 94 1. 38 : l，F(xiàn)e203的摻雜濃度為0. 01 0. 05wt % ， Ce02的摻雜濃度為0. 1 0. 3mo1 % ， ln203的摻雜濃度為0. 5 1. 5mo1 % 。
本發(fā)明所述的銦鈰鐵三摻鈮酸鋰晶體的制備方法，包括以下具體步驟進(jìn)行
1)按上述各元素的計量比，稱取純度為99. 99%的Li2C03、 Nb205、 Fe203、 Ce02和ln203，在100 35(TC下恒溫3h將粉料烘干，在混料機(jī)上充分混合8 16h，將混合好的原料放入Pt坩堝中，在650 750°C的環(huán)境中燒結(jié)1 3h，使Li2C03充分分解，再升溫至1000 105(TC燒結(jié)1 3h，得到多晶粉料； 2)用中頻感應(yīng)爐加熱，采用傳統(tǒng)的提拉法進(jìn)行晶體生長，其中關(guān)鍵生長參數(shù)提拉速度為0. 2 3mm/h，旋轉(zhuǎn)速度為10 25rpm，氣液溫差20 30°C ，溶體內(nèi)溫度梯度為1 2°C /mm，生長出紅色，直徑35mm，高度40mm的無開裂、無生長條紋的多疇晶體；
3)所得的多疇晶體在1100 1200°C ，極化電流密度為5mA/cm2的條件下極化3h，然后以60°C /h的速度退火，降至室溫，得單疇晶體； 4)將制備好的晶體經(jīng)定向、切割、研磨、拋光等工序，制成3mm厚的Y向切割拋光的銦鈰鐵三摻鈮酸鋰晶片；
5)銦鈰鐵三摻鈮酸鋰晶體性能的測定 銦鈰鐵三摻鈮酸鋰晶體性能評價主要包括光折變性能和抗光折變能力，本發(fā)明的 光折變性能測試方法采用傳統(tǒng)的二波耦合方法，測試參數(shù)為633nm He-Ne激光器為光源， 兩束異常偏振的記錄光光強(qiáng)均為160mW/cn^，入射角度為26。。本發(fā)明銦鈰鐵三摻鈮酸鋰 晶體的抗光折變能力測試采用傳統(tǒng)的直接透射光斑畸變法，測試參數(shù)為514. 5nm Ar+激光 器為光源，光斑直徑為lmm，采用焦距為50mm、100mm、150mm、200mm的凸透鏡改變光斑直徑。
采用上述測試方法，所獲得的晶體的衍射效率為28. 4 49. 6 % ，響應(yīng)時間為 30s 4min，抗光損傷能力為1. 02X 102 7. 68X 104W/cm2。 本發(fā)明的有益效果是這種銦鈰鐵三摻鈮酸鋰晶體具有摻雜閾值低，體全息存儲 性能優(yōu)異，易生長等優(yōu)點。銦離子在鈮酸鋰晶體中的分凝系數(shù)接近1. O，在保持較高衍射效 率的同時，響應(yīng)時間比摻鐵鈮酸鋰晶體縮短了一個數(shù)量級以上，抗光損傷能力提高了三個 數(shù)量級以上，該晶體在三維體全息存儲領(lǐng)域有極具優(yōu)勢的應(yīng)用潛力。
具體實施例方式
下面結(jié)合具體實例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明 實施例l: 本實施例的具體步驟包括 1)以純度為99. 99%的Li2C03、 Nb205、 Fe203、 Ce02和ln203為基礎(chǔ)原料，其中Li和 Nb的摩爾比為0. 94， Fe203的摻雜濃度為0. 01wt%， Ce02的摻雜濃度為0. lmol%， ln203的 摻雜濃度為0. 5mol % 。在20(TC下恒溫3h將粉料烘干，在混料機(jī)上充分混合12h，將混合好 的原料放入Pt坩堝中，在750°C的環(huán)境中燒結(jié)2h，使Li2C03充分分解，再升溫至IOO(TC燒 結(jié)2h，得到多晶粉料。 2)用中頻感應(yīng)爐加熱，采用傳統(tǒng)的提拉法進(jìn)行晶體生長，其中關(guān)鍵生長參數(shù)提 拉速度為3mm/h，旋轉(zhuǎn)速度為12rpm，氣液溫差30°C ，溶體內(nèi)溫度梯度為2°C /mm，生長出紅 色，直徑35mm，高度40mm的無開裂、無生長條紋的多疇晶體。 3)所得的多疇晶體在IIO(TC，極化電流密度為5mA/cm2的條件下極化3h，然后以 60°C /h的速度退火，降至室溫，得單疇晶體； 4)晶體經(jīng)定向、切割、研磨、拋光等工序，即可制成3mm厚的Y向切割拋光的銦鈰鐵 三摻鈮酸鋰晶片。 5)通過二波耦合測試，該晶體的衍射效率為49. 6%，響應(yīng)時間為4min，而相同實 驗條件下，摻鐵鈮酸鋰晶體的衍射效率為56. 4%，響應(yīng)時間為40min。 6)通過直接透射光斑畸變法測試，該晶體的抗光損傷能力為1. 02X 102W/cm2，而 相同實驗條件下，摻鐵鈮酸鋰晶體的抗光損傷能力為0. 46W/cm2。
實施例2 : 本實施例的具體步驟同實施例1，不同在于具體步驟包括 1)以純度為99. 99%的Li2C03、 Nb205、 Fe203、 Ce02和ln203為基礎(chǔ)原料，其中Li和 Nb的摩爾比為1. 05， Fe203的摻雜濃度為0. 02wt%， Ce02的摻雜濃度為0. 2mol%， ln203的 摻雜濃度為1. Omol % 。在30(TC下恒溫3h將粉料烘干，在混料機(jī)上充分混合12h，將混合好 的原料放入Pt坩堝中，在750°C的環(huán)境中燒結(jié)2h，使Li2C03充分分解，再升溫至105(TC燒結(jié)2h，得到多晶粉料。 2)用中頻感應(yīng)爐加熱，采用傳統(tǒng)的提拉法進(jìn)行晶體生長，其中關(guān)鍵生長參數(shù)提 拉速度為2mm/h，旋轉(zhuǎn)速度為15rpm，氣液溫差25°C ，溶體內(nèi)溫度梯度為2°C /mm，生長出紅 色，直徑35mm，高度40mm的無開裂、無生長條紋的多疇晶體。 3)通過二波耦合測試，該晶體的衍射效率為40. 8% ，響應(yīng)時間為2. 5min。
4)通過直接透射光斑畸變法測試，該晶體的抗光損傷能力為9. 82 X 102W/cm2。
實施例3: 本實施例的具體步驟同實施例1，不同在于具體步驟包括 1)以純度為99. 99%的Li2C03、 Nb205、 Fe203、 Ce02和ln203為基礎(chǔ)原料，其中Li和 Nb的摩爾比為1. 2，F(xiàn)e203的摻雜濃度為0. 03wt%，Ce02的摻雜濃度為0. 3mol%， ln203的摻 雜濃度為1. 4mol % 。在30(TC下恒溫3h將粉料烘干，在混料機(jī)上充分混合12h，將混合好的 原料放入Pt坩堝中，在750°C的環(huán)境中燒結(jié)3h，使Li2C03充分分解，再升溫至105(TC燒結(jié) 3h，得到多晶粉料。 2)用中頻感應(yīng)爐加熱，采用傳統(tǒng)的提拉法進(jìn)行晶體生長，其中關(guān)鍵生長參數(shù)提 拉速度為lmm/h，旋轉(zhuǎn)速度為20rpm，氣液溫差25°C ，溶體內(nèi)溫度梯度為2°C /mm，生長出紅 色，直徑35mm，高度40mm的無開裂、無生長條紋的多疇晶體。 3)通過二波耦合測試(波長為633nm)，該晶體的衍射效率為36. 4% ，響應(yīng)時間為 lmin。 4)通過直接透射光斑畸變法測試，該晶體的抗光損傷能力為8. 73 X 103W/cm2。
實施例4 : 本實施例的具體步驟同實施例1，不同在于具體步驟包括 1)以純度為99. 99%的Li2C03、 Nb205、 Fe203、 Ce02和ln203為基礎(chǔ)原料，其中Li和 Nb的摩爾比為1. 38， Fe203的摻雜濃度為0. 05wt%， Ce02的摻雜濃度為0. 3mol%， ln203的 摻雜濃度為1. 5mol % 。在30(TC下恒溫3h將粉料烘干，在混料機(jī)上充分混合16h，將混合好 的原料放入Pt坩堝中，在750°C的環(huán)境中燒結(jié)3h，使Li2C03充分分解，再升溫至105(TC燒 結(jié)3h，得到多晶粉料。 2)用中頻感應(yīng)爐加熱，采用傳統(tǒng)的提拉法進(jìn)行晶體生長，其中關(guān)鍵生長參數(shù)提 拉速度為0. 5mm/h，旋轉(zhuǎn)速度為25rpm，氣液溫差30°C ，溶體內(nèi)溫度梯度為2°C /mm，生長出紅 色，直徑25mm，高度30mm的無開裂、無生長條紋的晶體。 3)生長的晶體經(jīng)切片腐蝕后放在金相顯微鏡下觀察，已經(jīng)單疇化，無需進(jìn)行實施 例1的第三步處理。 4)通過二波耦合測試，該晶體的衍射效率為28. 4% ，響應(yīng)時間為30s。 5)通過直接透射光斑畸變法測試，該晶體的抗光損傷能力為7. 68 X 104W/cm2。
權(quán)利要求
一種銦鈰鐵三摻鈮酸鋰晶體，其特征是由純度為99.99％的Li2CO3、Nb2O5、Fe2O3、CeO2和In2O3制成；其中Li2CO3和Nb2O5的摩爾比為0.94～1.38∶1，F(xiàn)e2O3的摻雜濃度為0.01～0.05wt％，CeO2的摻雜濃度為0.1～0.3mol％，In2O3的摻雜濃度為0.5～1.5mol％。
2. —種制備如權(quán)利要求1所述的銦鈰鐵三摻雜鈮酸鋰晶體的方法，其特征是所述制備方法采用提拉法生長制成，其步驟如下1) 按權(quán)利要求1所述各元素的計量比，稱取1^20)3、吣205、？6203丄602和1!1203，在100 35(TC下恒溫3h將粉料烘干，在混料機(jī)上充分混合8 16h，將混合好的原料放入Pt坩堝中，在650 75(TC的環(huán)境中燒結(jié)1 311，使1^20)3充分分解，再升溫至1000 105(TC燒結(jié)1 3h，即可制得銦鈰鐵三摻雜鈮酸鋰粉料；2) 用中頻感應(yīng)爐加熱，采用傳統(tǒng)的提拉法進(jìn)行晶體生長經(jīng)引晶、縮頸、放肩、收肩、等徑生長、拉脫和退火程序，生長出紅色，直徑35mm，高度40mm的無開裂、無生長條紋的多疇晶體；3) 所得的多疇晶體在1100 120(TC，極化電流密度為5mA/cm2的條件下極化3h，然后以60°C /h的速度退火，降至室溫，得單疇晶體；4) 通過二波耦合測試，銦鈰鐵三摻鈮酸鋰晶體的衍射效率為28. 4 49. 6% ，響應(yīng)時間為30s 4min ;5) 通過直接透射光斑畸變法測試，銦鈰鐵三摻鈮酸鋰晶體的抗光損傷能力為1. 02X 102 7. 68X 104W/cm4。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備銦鈰鐵三摻雜鈮酸鋰晶體的方法，其特征是所述的提拉法中參數(shù)為提拉速度為0. 2 3mm/h，旋轉(zhuǎn)速度為10 25rpm，氣液溫差20 3(TC，溶體內(nèi)溫度梯度為l 2。C/mm。
全文摘要
本發(fā)明提供一種銦鈰鐵三摻鈮酸鋰晶體及制備方法，屬非線性光學(xué)晶體領(lǐng)域。所述晶體由純度為99.99％的Li2CO3、Nb2O5、Fe2O3、CeO2和In2O3制成；其制備方法的步驟是1)將粉料按照配比稱取、充分混合后進(jìn)行燒結(jié)；2)用中頻爐加熱，采用提拉法按照引晶、縮頸、放肩、收肩、等徑生長、拉脫和退火程序生長銦鈰鐵三摻鈮酸鋰晶體；3)通過二波耦合測試該晶體；4)通過直接透射光斑畸變法測試該晶體。本發(fā)明綜合運(yùn)用抗光損傷元素?fù)诫s與化學(xué)計量比生長兩種手段，在保留鈮酸鋰晶體原有優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上，明顯改善了鈮酸鋰晶體的抗光損傷能力和響應(yīng)時間，本發(fā)明將極大推動鈮酸鋰晶體材料在三維體全息存儲領(lǐng)域的應(yīng)用，具有巨大的市場前景。
文檔編號G02F1/355GK101768780SQ20101011071
公開日2010年7月7日 申請日期2010年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月11日
發(fā)明者鞏潔, 徐朝鵬, 畢衛(wèi)紅, 焦斌亮, 趙巖, 韓富興 申請人:燕山大學(xué)