钪掺杂铌酸锂晶体生长及其光学性能研究

铌酸锂(LiNbO3，简称LN)晶体是目前使用最为广泛的人工晶体之一，在电光器件、非线性光学存储等领域极具价值。然而铌酸锂晶体在高强度光照射下会产生光致散射，导致光学存储性能严重下降。杂质元素掺杂是改善铌酸锂晶体光学性能的有效途径之一，本文采用掺杂Sc2O3的方法提高晶体的抗光折变能力。使用优化的提拉法生长工艺降低了溶质分凝引起的成分不均，制备出的晶体表面形貌完整，光学透明性良好。X射线结果说明掺杂离子并没有破坏原始晶格结构，只是取代了晶格中的原子，如反位铌（NbLi4+），而不能占据晶格空隙。高分辨X射线摇摆曲线测试说明晶体为单晶，无小角度晶界、亚晶界等缺陷。通过研究Sc:LN晶体的紫外吸收边、红外吸收峰、拉曼光谱随掺钪量变化发生移动的规律，推断杂质Sc3+在Sc:LN晶体中优先取代反位铌。双折射实验表明晶体具有良好的均匀性。利用透射光斑畸变法测试了Sc:LN晶体的抗光损伤能力，发现钪掺杂铌酸锂晶体具有较高的光损伤阈值，是未掺杂晶体的600多倍。通过二波耦合方法测定了LN晶体的光折变性能，发现随着掺钪量的增加，晶体饱和衍射效率下降，内部光栅建立时间缩短，推测这与同成分LN晶体中本征缺陷构成的载流子激发和捕获中心被掺杂离子取代，导致光电导增大有关。倍频实验结果表明，晶体在1.064m激光照射下的倍频效率随掺钪量的增加而提高，钪掺杂量较少时，LN晶体的倍频转换效率并未明显提升，而氧化钪掺量达到1.5mol%时，Sc:LN晶体的倍频效率达到28.3%。虽然这与已有文献报道中的转换效率相比仍有差距，但这可能和晶体表面没有镀增透膜等因素有关。综合比较抗光折变与倍频实验结果发现，高掺钪LN晶体具有更高的抗光损伤阈值，而其倍频转换效率也更高。实验发现氧化钪的掺杂阈值浓度在1.5mol%附近。可以推测：高掺钪LN晶体倍频转换效率提高的主要是由于它的抗光损伤能力的增强，使得晶体可以在较高功率密度的激光下工作，而不致光束发散。