专利名称：铟铈铁三掺铌酸锂晶体及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种非线性光学晶体领域的铌酸锂晶体及其制备方法，具体讲，是一
种用于体全息存储的铌酸锂三掺晶体及其制备方法。
背景技术：
铌酸锂(LiNb03)晶体是一种多功能、多用途的光电材料，被誉为是光信息领域中的单晶硅。具有良好的压电、电光、声光和非线性光学性能，在全息存储、位相共轭、光波导等领域都有着极其重要的地位。 掺铁铌酸锂晶体是三维光折变全息存储的首选材料之一，但这种晶体存在明显的缺点即响应时间长、抗光损伤能力差。共掺铈铁铌酸锂晶体在532nm和633nm记录光下光折变灵敏度、动态范围以及响应时间均优于掺铁铌酸锂晶体，但这种掺杂晶体仍然存在灵敏度较低和抗光损伤能力较差的缺点。 我们最近的研究发现，在铈铁铌酸锂晶体中共掺抗光折变元素镁(Mg)，能够有效地提高铌酸锂晶体的全息存储性能(镁铈铁三掺铌酸锂晶体的生长及光学性能.Materials letters. 2007,61(14-15) :3243-324)，但是也存在一些不足，如掺杂阈值浓度高，有效分凝系数不等于l，这样要生长出高光学品质的晶体就比较难。
发明内容
本发明目的是提供一种铟铈铁三掺杂铌酸锂晶体及其制备方法。所述铟铈铁三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、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。 本发明铟铈铁三掺铌酸锂晶体，是在铌酸锂晶体中同时掺入铁离子F^+、铈离子Ce4+和铟离子1113+，其中Li2C03和Nb205的摩尔比为0. 94 1. 38 : l，Fe203的掺杂浓度为0. 01 0. 05wt % ， Ce02的掺杂浓度为0. 1 0. 3mo1 % ， ln203的掺杂浓度为0. 5 1. 5mo1 % 。
本发明所述的铟铈铁三掺铌酸锂晶体的制备方法，包括以下具体步骤进行
1)按上述各元素的计量比，称取纯度为99. 99%的Li2C03、 Nb205、 Fe203、 Ce02和ln203，在100 35(TC下恒温3h将粉料烘干，在混料机上充分混合8 16h，将混合好的原料放入Pt坩埚中，在650 750°C的环境中烧结1 3h，使Li2C03充分分解，再升温至1000 105(TC烧结1 3h，得到多晶粉料； 2)用中频感应炉加热，采用传统的提拉法进行晶体生长，其中关键生长参数提拉速度为0. 2 3mm/h，旋转速度为10 25rpm，气液温差20 30°C ，溶体内温度梯度为1 2°C /mm，生长出红色，直径35mm，高度40mm的无开裂、无生长条纹的多畴晶体；
3)所得的多畴晶体在1100 1200°C ，极化电流密度为5mA/cm2的条件下极化3h，然后以60°C /h的速度退火，降至室温，得单畴晶体； 4)将制备好的晶体经定向、切割、研磨、抛光等工序，制成3mm厚的Y向切割抛光的铟铈铁三掺铌酸锂晶片；
5)铟铈铁三掺铌酸锂晶体性能的测定 铟铈铁三掺铌酸锂晶体性能评价主要包括光折变性能和抗光折变能力，本发明的 光折变性能测试方法采用传统的二波耦合方法，测试参数为633nm He-Ne激光器为光源， 两束异常偏振的记录光光强均为160mW/cn^，入射角度为26。。本发明铟铈铁三掺铌酸锂 晶体的抗光折变能力测试采用传统的直接透射光斑畸变法，测试参数为514. 5nm Ar+激光 器为光源，光斑直径为lmm，采用焦距为50mm、100mm、150mm、200mm的凸透镜改变光斑直径。
采用上述测试方法，所获得的晶体的衍射效率为28. 4 49. 6 % ，响应时间为 30s 4min，抗光损伤能力为1. 02X 102 7. 68X 104W/cm2。 本发明的有益效果是这种铟铈铁三掺铌酸锂晶体具有掺杂阈值低，体全息存储 性能优异，易生长等优点。铟离子在铌酸锂晶体中的分凝系数接近1. O，在保持较高衍射效 率的同时，响应时间比掺铁铌酸锂晶体縮短了一个数量级以上，抗光损伤能力提高了三个 数量级以上，该晶体在三维体全息存储领域有极具优势的应用潜力。
具体实施例方式
下面结合具体实例对本发明作进一步的说明 实施例l: 本实施例的具体步骤包括 1)以纯度为99. 99%的Li2C03、 Nb205、 Fe203、 Ce02和ln203为基础原料，其中Li和 Nb的摩尔比为0. 94， Fe203的掺杂浓度为0. 01wt%， Ce02的掺杂浓度为0. lmol%， ln203的 掺杂浓度为0. 5mol % 。在20(TC下恒温3h将粉料烘干，在混料机上充分混合12h，将混合好 的原料放入Pt坩埚中，在750°C的环境中烧结2h，使Li2C03充分分解，再升温至IOO(TC烧 结2h，得到多晶粉料。 2)用中频感应炉加热，采用传统的提拉法进行晶体生长，其中关键生长参数提 拉速度为3mm/h，旋转速度为12rpm，气液温差30°C ，溶体内温度梯度为2°C /mm，生长出红 色，直径35mm，高度40mm的无开裂、无生长条纹的多畴晶体。 3)所得的多畴晶体在IIO(TC，极化电流密度为5mA/cm2的条件下极化3h，然后以 60°C /h的速度退火，降至室温，得单畴晶体； 4)晶体经定向、切割、研磨、抛光等工序，即可制成3mm厚的Y向切割抛光的铟铈铁 三掺铌酸锂晶片。 5)通过二波耦合测试，该晶体的衍射效率为49. 6%，响应时间为4min，而相同实 验条件下，掺铁铌酸锂晶体的衍射效率为56. 4%，响应时间为40min。 6)通过直接透射光斑畸变法测试，该晶体的抗光损伤能力为1. 02X 102W/cm2，而 相同实验条件下，掺铁铌酸锂晶体的抗光损伤能力为0. 46W/cm2。
实施例2 : 本实施例的具体步骤同实施例1，不同在于具体步骤包括 1)以纯度为99. 99%的Li2C03、 Nb205、 Fe203、 Ce02和ln203为基础原料，其中Li和 Nb的摩尔比为1. 05， Fe203的掺杂浓度为0. 02wt%， Ce02的掺杂浓度为0. 2mol%， ln203的 掺杂浓度为1. Omol % 。在30(TC下恒温3h将粉料烘干，在混料机上充分混合12h，将混合好 的原料放入Pt坩埚中，在750°C的环境中烧结2h，使Li2C03充分分解，再升温至105(TC烧结2h，得到多晶粉料。 2)用中频感应炉加热，采用传统的提拉法进行晶体生长，其中关键生长参数提 拉速度为2mm/h，旋转速度为15rpm，气液温差25°C ，溶体内温度梯度为2°C /mm，生长出红 色，直径35mm，高度40mm的无开裂、无生长条纹的多畴晶体。 3)通过二波耦合测试，该晶体的衍射效率为40. 8% ，响应时间为2. 5min。
4)通过直接透射光斑畸变法测试，该晶体的抗光损伤能力为9. 82 X 102W/cm2。
实施例3: 本实施例的具体步骤同实施例1，不同在于具体步骤包括 1)以纯度为99. 99%的Li2C03、 Nb205、 Fe203、 Ce02和ln203为基础原料，其中Li和 Nb的摩尔比为1. 2，Fe203的掺杂浓度为0. 03wt%，Ce02的掺杂浓度为0. 3mol%， ln203的掺 杂浓度为1. 4mol % 。在30(TC下恒温3h将粉料烘干，在混料机上充分混合12h，将混合好的 原料放入Pt坩埚中，在750°C的环境中烧结3h，使Li2C03充分分解，再升温至105(TC烧结 3h，得到多晶粉料。 2)用中频感应炉加热，采用传统的提拉法进行晶体生长，其中关键生长参数提 拉速度为lmm/h，旋转速度为20rpm，气液温差25°C ，溶体内温度梯度为2°C /mm，生长出红 色，直径35mm，高度40mm的无开裂、无生长条纹的多畴晶体。 3)通过二波耦合测试(波长为633nm)，该晶体的衍射效率为36. 4% ，响应时间为 lmin。 4)通过直接透射光斑畸变法测试，该晶体的抗光损伤能力为8. 73 X 103W/cm2。
实施例4 : 本实施例的具体步骤同实施例1，不同在于具体步骤包括 1)以纯度为99. 99%的Li2C03、 Nb205、 Fe203、 Ce02和ln203为基础原料，其中Li和 Nb的摩尔比为1. 38， Fe203的掺杂浓度为0. 05wt%， Ce02的掺杂浓度为0. 3mol%， ln203的 掺杂浓度为1. 5mol % 。在30(TC下恒温3h将粉料烘干，在混料机上充分混合16h，将混合好 的原料放入Pt坩埚中，在750°C的环境中烧结3h，使Li2C03充分分解，再升温至105(TC烧 结3h，得到多晶粉料。 2)用中频感应炉加热，采用传统的提拉法进行晶体生长，其中关键生长参数提 拉速度为0. 5mm/h，旋转速度为25rpm，气液温差30°C ，溶体内温度梯度为2°C /mm，生长出红 色，直径25mm，高度30mm的无开裂、无生长条纹的晶体。 3)生长的晶体经切片腐蚀后放在金相显微镜下观察，已经单畴化，无需进行实施 例1的第三步处理。 4)通过二波耦合测试，该晶体的衍射效率为28. 4% ，响应时间为30s。 5)通过直接透射光斑畸变法测试，该晶体的抗光损伤能力为7. 68 X 104W/cm2。
权利要求
一种铟铈铁三掺铌酸锂晶体，其特征是由纯度为99.99％的Li2CO3、Nb2O5、Fe2O3、CeO2和In2O3制成；其中Li2CO3和Nb2O5的摩尔比为0.94～1.38∶1，Fe2O3的掺杂浓度为0.01～0.05wt％，CeO2的掺杂浓度为0.1～0.3mol％，In2O3的掺杂浓度为0.5～1.5mol％。
2. —种制备如权利要求1所述的铟铈铁三掺杂铌酸锂晶体的方法，其特征是所述制备方法采用提拉法生长制成，其步骤如下1) 按权利要求1所述各元素的计量比，称取1^20)3、吣205、？6203丄602和1!1203，在100 35(TC下恒温3h将粉料烘干，在混料机上充分混合8 16h，将混合好的原料放入Pt坩埚中，在650 75(TC的环境中烧结1 311，使1^20)3充分分解，再升温至1000 105(TC烧结1 3h，即可制得铟铈铁三掺杂铌酸锂粉料；2) 用中频感应炉加热，采用传统的提拉法进行晶体生长经引晶、縮颈、放肩、收肩、等径生长、拉脱和退火程序，生长出红色，直径35mm，高度40mm的无开裂、无生长条纹的多畴晶体；3) 所得的多畴晶体在1100 120(TC，极化电流密度为5mA/cm2的条件下极化3h，然后以60°C /h的速度退火，降至室温，得单畴晶体；4) 通过二波耦合测试，铟铈铁三掺铌酸锂晶体的衍射效率为28. 4 49. 6% ，响应时间为30s 4min ;5) 通过直接透射光斑畸变法测试，铟铈铁三掺铌酸锂晶体的抗光损伤能力为1. 02X 102 7. 68X 104W/cm4。
3. 根据权利要求2所述的制备铟铈铁三掺杂铌酸锂晶体的方法，其特征是所述的提拉法中参数为提拉速度为0. 2 3mm/h，旋转速度为10 25rpm，气液温差20 3(TC，溶体内温度梯度为l 2。C/mm。
全文摘要
本发明提供一种铟铈铁三掺铌酸锂晶体及制备方法，属非线性光学晶体领域。所述晶体由纯度为99.99％的Li2CO3、Nb2O5、Fe2O3、CeO2和In2O3制成；其制备方法的步骤是1)将粉料按照配比称取、充分混合后进行烧结；2)用中频炉加热，采用提拉法按照引晶、缩颈、放肩、收肩、等径生长、拉脱和退火程序生长铟铈铁三掺铌酸锂晶体；3)通过二波耦合测试该晶体；4)通过直接透射光斑畸变法测试该晶体。本发明综合运用抗光损伤元素掺杂与化学计量比生长两种手段，在保留铌酸锂晶体原有优良性能的基础上，明显改善了铌酸锂晶体的抗光损伤能力和响应时间，本发明将极大推动铌酸锂晶体材料在三维体全息存储领域的应用，具有巨大的市场前景。
文档编号G02F1/355GK101768780SQ20101011071
公开日2010年7月7日 申请日期2010年2月11日 优先权日2010年2月11日
发明者巩洁, 徐朝鹏, 毕卫红, 焦斌亮, 赵岩, 韩富兴 申请人:燕山大学