专利名称：一种制备高掺杂浓度钽铌酸钾的方法
技术领域：
本发明属于非线性光学晶体材料的制备技术领域。
光折变材料能够制作全息存储器、光束放大器、自泵浦相位共轭器等器件，而广泛地应用于激光器件、光通讯、光信息处理、图像复原、光计算、智能计算机和光学神经网络等领域。钽铌酸钾(KTN)晶体是一种优良的光折变材料，立方相和四方相的KTN晶体可分别基于二次电光效应和一次电光效应实现光折变效应，KTN晶体具有诸材料中最大的光折变灵敏度，其光折变性质可以通过选择生长特定组分的晶体得到优化。因此是一种极具有应用前景的材料，通过掺Fe、Cu、Co、Ni等变价过渡金属元素，生长的掺杂KTN晶体的光折变效应可以进一步得到改善，二波耦合增益系数和自泵浦相位反射率等指标都会明显提高，而且在一定掺杂浓度范围内，这些指标有随掺杂浓度的增加而增加的趋势。例如纯的KTN晶体的二波耦合增益系数为1.9cm-1，难以实现自泵浦相位共轭，掺杂Fe0.2%的KTN晶体的二波耦合增益系数为12cm-1，自泵浦反射率达32%，但是当掺杂浓度超出特定范围时，生长的晶体是黑色或深蓝色的，可见光不能透过，例如用通常方法制备的掺Fe KTN晶体，当掺杂浓度高于0.3%时，制备的晶体为深蓝色，不透光，因而无法使用，影响了晶体的实际应用。
本发明的目的是为了解决上述存在的问题，提出一种可供实际应用的、具有较大增益系数和反射率的高掺杂浓度KTN晶体的制备方法。
本发明的主要内容该高掺杂浓度钽铌酸钾晶体的制备方法，是以K3CO3、Ta2O5、Nb2O5为原料，用Fe2O3、Co2O3、CrO3作为掺杂剂在单晶生长炉中进行降温生长，其主要特征是生长钽铌酸钾晶体原料中添加一种脱色剂。
在生长钽铌酸钾晶体中所加的脱色剂为变价过渡金属氧化物，通过它的加入，可以调整掺入离子的价态及其氧化还原程度，改变晶体颜色。
所加脱色剂是有一定的比例的，其重量比为0.1-1%。这种制备高掺杂浓度钽铌酸钾晶体的方法，同样也适合于其它氧化物光折变晶体。如钛酸钡、铌酸钾、铌酸锂等。
本发明适用于制备分子组成为KTa1-xNbxO3，其中0≤x≤1，原料为Ta3O5、Nb2O5、KCO3，掺杂剂为Fe2O3、Co2O3、CrO3等，掺杂浓度范围大于0.3%重量的材料，原料中加入的脱色剂重量比为0.1-1%。根据具体的应用目的，选择生长晶体组成中Nb含量X，然后由KTN相图中确定与之相对应的液相组成Y值，由以下反应式确定原料配比K2CO3+(1-y)Ta2O5+yNb2O5→2KTa1-yNbyO3+CO2将称量的1000克原料和掺杂剂以及脱色剂混匀后，放入350ml铂坩埚内，置于单晶生长炉中，使炉温升至高于饱和点200℃，待原料完全熔化后，继续保持该温度24小时，然后降温至饱和点附近，用籽晶试探法准确测定饱和点后，用顶端籽晶法将晶体下入熔液，按设定的程序降温，晶体扩肩至一定的大小后开始提拉，至一定的尺寸后，使其脱离液面，转速30-40转/分，降温速度1-3℃/天。
通过加入脱色剂制备的高掺杂浓度KTN晶体，极化后晶体完全透明，具有较大的光折变效应，可避免用通常方法制备的晶体具有深蓝色或黑色，它具有二波耦合增益系数大，自泵浦相位共轭反射率高的优点，实际应用价值大。这种制备方法解决了通常方法制备的掺铁KTN晶体当掺杂浓度过高时，晶体为深蓝色不透明的问题。
实施例1分子组成中取x＝0.49，由KTN相图中确定与之对应的液相组成y值。由反应式确定原料配比。取Ta2O5205g、Nb2O5466g、K2CO3329g，掺杂剂为Fe2O3浓度为0.4%，脱色剂的浓度为0.1%，提拉速度1mm/天，转速30转/分，降温速度1℃/天，生长晶体尺寸达30×30×15mm，极化后晶体完全透明，增益系数12.03cm-1，反射率32%。
实施例2分子组成中取x＝0.50，由KTN相图确定与之对应的液相组成y值，由反应式确定原料配比。取Ta3O5191g、Nb2O5482g、K2CO3327g，掺杂剂选Co2O3，浓度为0.4%，脱色剂浓度0.5%，提拉速度1mm/天，转速30转/分，降温速度2℃/天，生长晶体尺寸达25×25×15mm，极化后晶体完全透明，增益系数为15.2cm-1，反射率38%。
实施例3分子组成中取x＝0.50，由KTN相图确定与之对应的液相组成y值，由反应式确定原料配比，取Ta2O5191g、Nb2O5482g、K2CO3327g，掺杂剂Fe2O3浓度为0.4%，脱色剂浓度为0.7%，提拉速度1mm/天，转速30转/分，降温速度2℃/天生长晶体尺寸达25×25×15mm，极化后晶体完全透明，增益系数为9.6cm-1，反射率21%。
权利要求
1.一种制备高掺杂浓度钽铌酸钾晶体的方法，以K2CO3、Ta2O5、Nb2O5为原料，用Fe2O3、Co2O3、CrO3等作为掺杂剂，在单晶生长炉中进行降温生长，其特征是在生长原料中加入一种脱色剂。
2.根据权利要求1所述的制备高掺杂浓度钽铌酸钾晶体的方法，其特征是在生长原料中加入的脱色剂为过渡金属变价氧化物。
3.根据权利要求1或2所述的制备高掺杂浓度钽铌酸钾晶体的方法，其特征是所加脱色剂的重量比为0.1%-1%。
4.根据权利要求1所述的制备高掺杂浓度钽铌酸钾晶体的方法，其特征是该生长方法同样也适合于其它氧化物光折变晶体如钛酸钡、铌酸钾、铌酸锂等。
全文摘要
本发明属于非线性光学晶体的制备技术领域，它解决了目前生长钽铌酸钾(KTN)掺杂浓度过高时生长出的晶体是黑色或深蓝色,可见光不能透过的问题，本发明的主要内容就是在生长KTN晶体的原料中加入一种脱色剂，它不但提高了掺杂浓度而且生长出的晶体极化后完全透明，具有二波耦合增益系数大、自泵浦相位共轭反射率高的优点，可应用于激光器件、光通讯、光信息处理、图像复原、光计算、智能计算机和光学神经网络等领域。
文档编号G02B1/02GK1093172SQ9311035
公开日1994年10月5日 申请日期1993年4月2日 优先权日1993年4月2日
发明者管庆才, 魏景谦, 王继杨, 刘跃岗, 邵宗书, 蒋民华 申请人:山东大学