发布时间 : 星期五 文章铌酸锂晶体光学性能的仿真研究毕业设计更新完毕开始阅读694f957a54270722192e453610661ed9ad5155e6
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掺杂工程，畴工程和近化学比晶体生长鱼加工技术的完善使得有关于LiNbO3波导的光电子器件[6]的的功能和性能的研究急剧增加。其具有以下的特点：
（1）优良的电光，双折射，非线性光学，声光，光折变，压电，热释电，铁电与光生伏打效应等物理特性。
（2）机械性能稳定，耐高温，抗腐蚀。
（3）易于生长大尺寸晶体，容易加工，成本低。
（4）实施不同掺杂后能呈现出各种各样的特殊性能，使之在光波导，电光调制器，倍频转换，全息存储等方面有着广泛应用。
2.4 周期性极化LiNbO3晶体（PPLN）的制备
铁电体具有自发极化特性（spontaneous electric polarization），其电极化强度与电场强度间的关系上呈现电滞回线。自发极化Ps的存在与否不取决于外加电场，即使没有外加电场作用，铁电物质中的自发极化亦能产生。但是外加电场的作用能使自发极化方向反转，即电畴反转。电畴实际上是一些方向不同的自发极化区域，在每一个这样的区域内，铁电体的永久偶极子沿同一方向排列，故存在固有电偶极矩。
在铁电体内形成周期性电畴结构是目前为止实现准相位匹配最有效的途径，它通过周期性的反转铁电晶体的晶向，使得有效非线性系数在?deff和?deff之间交替变化，从而实现非线性系数的空间周期调制。周期极化LiNbO3晶体结构中奇数片电畴与偶数片电畴自发极化矢量相反，因而这些电畴与奇数阶张量相关的物理性质，如倍频系数、电光系数及压电系数等的符号亦相反，因此，晶体的物理性质也是空间坐标的周期函数。
实验证明外加电场法是制备周期极化铌酸锂最为有效的方法，它可以实现精确的周期结构和完全贯穿的垂直电畴壁。其方法是，首先在单畴化铌酸锂晶体的一面（+z面或-z面）淀积或溅射周期结构的金属电极，另一面制作均匀电极。然后施加与晶体自发极化方向相反方向的外加电场，当外加电场超过晶体的矫顽场时，其自发极化方向便发生反转。利用微电子工业的光刻技术，使用干涉测量反馈控制，使得电极周期结构位置误差限制在很小的范围内，能够实现其他方法难以得到的小周期极化结构。在周期性电场极化的铌酸锂晶体中，除了非线性系数以外，其他如电光系数，弹光系数等也同样会由于晶体铁电畴的周期性反转结构得到周期性的调制。
早在1962年，Armstrong和Frallken等人就分别提出了使用周期光栅实现相位匹配这一概念，但真正将此想法付诸实现，制成可用器件却存在很大困难。为此，科学家进行了不懈的努力，直到九十年代后，利用外加周期电场调制非线性极化率技术的日趋成熟，周期极化材料的制备才取得突破进展。这里简单介绍一下周期极化LiNbO3晶体的制备方法。
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首先在双面抛光LiNbO3晶体Z轴表面镀一层金属导电膜，通常使用Ti、A1和Cr等金属，膜厚保持在100 ~300nm左右。然后，利用半导体光刻工艺制备出周期图案的金属条纹；随后，在金属条纹电极上涂一层厚的绝缘胶，使各金属电极之间保持良好的绝缘隔离。外加电场通过液体电极加在LiNbO3晶体的金属电极上，也可以将外加电场直接加在LiNbO3晶体的金属电极上，所有这些都要保证外电场和金属电极有良好欧姆接触。为防止高压对空气击穿，极化过程通常都是在高真空或高压绝缘油中完成。所用外电场为脉冲高压电场，对LiNbO3晶体，脉冲电压要大于23kV/InIn，脉冲周期长短与次数依具体实验条件而定。当晶体表面运输电荷达到Q?2PsA时（其中Ps为LiNbO3晶体自发极化强度，A为极化面积），开始缓慢降低脉冲电压，持续一段时间，保证已经极化反转的畴不会再自行返回，最后关掉脉冲电压，完成周期极化过程。目前采用上述方法不仅成功制备了极化厚度达0.5mm、通光长度超过50mm的均匀周期畴结构的LiNbO3晶体。
图2.2 周期性极化铌酸锂晶体中的电光效应
图（2.2）为对周期性极化铌酸锂晶体施加均匀的Y向电场时晶体电光效应的示意图，如上一节我们所讨论的，当对铌酸锂晶体施加Y向电场时，晶体的折射率椭球将发生偏转，也就是晶体的光轴将沿+Z轴偏转?角。对于周期性极化铌酸锂晶体来说，由于晶体的周期性畴结构，负畴与正畴的光轴偏转角虽然大小相同，但方向相反，如图上所示。因此，PPLN晶体上施加均匀的Y向电场之后，晶体的光轴也呈现周期性的偏转。
2.5 PPLN晶体的应用
周期性极化LiNbO3（PPLN）材料是技术含量很高的非线性光学频率转换晶体。它通过倍频、光参量放大和振荡、差频等二阶非线性光学过程，将来广泛应用于光传输、光存储、光显示和遥感探测等方面。其主要用途有:
（l）光存储:通过倍频转换得到的短波长光源，可以用于高密度的光存储，是蓝绿光半导体激光器的有力竞争者。
（2）光显示：蓝绿光光源作为高纯度三元色可以用于高清晰度显示。
（3）全光通讯：利用差频效应，可以制作出未来全光DWDM通讯系统中的关键器件一
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波长转换器。与其它类型波长转换器相比，它具有在通讯系统中严格透明的优点。 （4）遥感、探测、生物医学等：利用参量放大和振荡产生可调谐近、中红外光源。应用于空间分子探测及其它军事方面的应用。另外，小型红外光源在医学、科研方面均有很大的应用场合。
（5）其它应用：电光调制器、电光偏转器和电光透镜等。
2.6 LiNbO3晶体折射率方程
LiNbO3晶体在光学上为单轴晶体，不同于正单轴晶体（no?ne）LiTaO3的是，LiNbO3为负单轴晶体（no?ne），一般条件下，LiNbO3在0.4~5?m的波长范围内均是无色透明的，在补偿晶体界面的反射损失时，投射率可达74%。
LiNbO3晶体在氢气中被加热到670~870K后，会由最初的无色透明变为褐色。在并且在??2.87?m处形成强的吸收??0.5?m和??0.8~1.1?m处出现两个新的吸收带，带。晶体在空气中退火并极化后呈浅黄色[8]。
LiNbO3晶体在一些常用激光器的输出波长和几个其他波长处的寻常折射率no和异常折射率ne对温度的依赖关系见表（2.1）。
表2.1 LiNbO3晶体对不同波长的折射率[9]
?/nm 441.6 457.9 465.8 472.7 476.5 488.0 496.5 501.7 514.5 530.0 632.8 693.4 840.0 1060.0 1150.0 激光 He-Cd Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar He-Ne 红宝石 GaAs Nd He-Ne 化学计量比（T=25C） no 2.3906 2.3756 2.3697 2.3646 2.3618 2.3533 2.3470 2.3435 2.3370 2.3290 2.2910 2.2770 2.2554 2.2372 2.2320 ne 2.2841 2.2715 2.2664 2.2620 2.2596 2.2523 2.2468 2.2439 2.2387 2.2323 2.2005 2.1886 2.1703 2.1550 2.1506 ?同成分熔体（T=24.5C） no 2.3875 2.3725 2.3653 2.3597 2.3568 2.3489 2.3434 2.3401 2.3326 2.3247 2.2866 2.2726 2.2507 2.2323 2.2225 ne 2.2887 2.2760 2.2699 2.2652 2.2627 2.2561 2.2514 2.2486 2.2422 2.2355 2.2028 2.1909 2.1719 2.1561 2.1519 ?
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通过对实验数据分析可以得到在波长为400~4000nm，计算LiNbO3晶体在不同温度和波长下的Sellmeier方程[10]为：
0.1173?1.65?10?8T2n?4.9130?2?2.78?10?2?2 （2.1） ?822??(0.212?2.7?10T)2o0.097?105?2.70?10?8T2n?4.5567 +2.605 ?10T?2?2.24?10?2?2 （2.2） ?822??(0.201?5.4?10T)2e-72式中，T为绝对温度（K），
?是以?m为单位的波长。
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