1 铌酸锂晶体简介

相对之前所说的有机材料而言，被Nature Material Update评价为“光学硅”的铌酸锂（LiNbO3）晶体是一种综合性能优异的光折变晶体[13]，不仅工作无需外置电场、无明显温度依赖性（居里温度为1210℃）、工作温度范围大（熔点为1260℃），还具有容易加工、原材料来源广泛、价格经济、易生长成大晶体的优点，以及在铌酸锂晶体中掺入不同杂质离子后能够呈现出各种优异的性能，使其在很多方面都有着广泛的应用，如倍频转换、光波导、电光调制器、声表面滤波器、全息存储等。

铌酸锂晶体是一种透明晶体，但那通常会因为生长过程中缺氧而使晶体呈现出淡黄色，其晶体结构是ABO3型，属于三方晶系。其晶体结构为类钛铁矿型结构，可以看作是由氧原子的畸变六角密堆积而形成的三种氧八面体。当晶体为铁电相时，晶格会发生畸变，Li离子不再位于氧三角形平面层内，而是沿着+C轴发生位移，并进入两个氧平面层之间；而Nb离子则是偏离氧八面体中心。这样，在晶体中就产生了偶极矩，呈现出自极化，自发极化方向沿C3对称轴方向，也就是金属离子的位移方向。这种结构就是铌酸锂晶体具有优良的非线性光学性质的基础[14]。 如图1.6所示。

目前商业中所使用的铌酸锂晶体大多呈现缺锂状态，从而导致晶体中存在大量的本征缺陷。根据先前的研究结果可以得出，由Lerner等人[15]提出的锂空位模型是目前多数认可的空位模型。

2、铌酸锂晶体的研究进展

Deanna K. McMillen等[16]研究了一系列（Ce, Co, Cr, Cu,Fe, Mn, Ni, Rh, Tb, Fe:Ce, Fe:Cr和Fe:Mn）掺杂铌酸锂晶体在水晶中全息记录的影响。实验结果表明，对于457 nm波长，铁单掺杂晶体响应最强，单掺Ce和Mn的晶体中有强烈的反应，其次是铜。

Dong等[17]生长了掺钒的铌酸锂晶体，并研究了其光学性能，如图1.7所示。在351 nm激光和总光强度为583 mW/cm2的条件下，0.1%LN:V的光折变响应速度为0.16秒。

南开大学田甜等[14]通过极化不同浓度的LN:Mo晶体，使用四种波长进行全息法实验，实验结果的出在铌酸锂晶体中掺0.5mol%钼为最优掺杂量，得到的晶体在各个波段都有相对最快的响应速度，同时还具有较好的饱和衍射效率、折射率变化和灵敏度。

在随后的实验中，田甜等又在LN晶体中分别双掺Mo,Zr和Mo,Mg利用全息法进行测试晶体的光折变性能，如图1.8所示。实验结果表明，双掺Mo,Zr的LN晶体（LN:Mo,Zr）的响应速度随着ZrO2掺杂量的升高，响应速度也随之变快，但是仍然要比LN:Mo0.5晶体的响应速度慢。LN:Mo,Mg3.0晶体的响应时间和LN:Mo0.5晶体的十分接近。

之后，田甜等又生长了单掺不同浓度+6价钼的铌酸锂晶体（LN:Mo），实验结果表明晶体在可见波段内的响应时间缩短至3s，响应速度相对于LN:Fe提高了二个量级，也发现了Mo6+占据了Nb位，说明掺入钼之后晶体中的结构缺陷发生了变化，这是使得响应速度提高的原因所在，实验数据如图1.9所示。在此基础上，为了使响应速度更加理想，他们在掺钼的铌酸锂晶体中掺入超过阈值浓度的抗光折变离子。实验结果表明共掺Mg2+可使LN:Mo的响应时间缩短至330ms，并且有较高饱和衍射效率21.4%。由此可见，基于Nb位掺杂的高价态Mo离子，确实可以极大地提高铌酸锂晶体在可见光波段内的响应速度。由于光折变中心也是影响光折变性能的一个重要因素，田甜等又研究了光折变中心的种类、性质、以及它们之间的比例，这可以帮助他们优化光折变中心的调控技术。于是他们又测试了在铌酸锂晶体中双掺镁钼(LN:Mg,Mo)在Nd:YAG纳秒脉冲激光器（脉宽为6ns，波长为532nm）泵浦下的动态全息写入过程，并对实验数据进行了拟合，根据拟合曲线的结果可以看到，LN:Mg,Mo晶体的响应时间大大缩短至14ns，已经超出全息动态显示的响应速度要求，因而不需要用这么短的脉冲宽度将晶体的响应速度控制在ms量级内，而且由于之前已经优化了光折变中心的调控技术，二者结合便更不需要如此短的脉冲宽度。而且当使用了短脉宽的激光泵浦，晶体的饱和衍射效率低，无法形成高分辨率的显示效果，也影响了光折变性能。