铌酸锂晶体和钽酸锂晶体的光学特性简介

铌酸锂(LiNbO3)晶体和钽酸锂(LiTaO3)晶体在结构和性能上都极为相似,都具有各种优良的物理和化学特性。以LiNbO3晶体为例,它是一种具有多种优异非线性光学性能的多功能材料,凭借其在电光、声光、压电、光折变以及非线性光学等方面的优良特性,它在电光调制、声光开关、光波导、非线性频率变换、高密度信息存储以及光放大等方面都有着广阔应用前景和很大的实用价值,因而赢得了光学“硅”的美誉,被英国《自然》杂志称为“最为成功的全能型非线性光学晶体”。[25]这两种晶体都是极性晶体,其振动频率最小的A1对称性振动模都是拉曼和红外活性的,因此都可以形成与产生太赫兹波辐射有关的电磁耦子。本节仅对它们的一些在后面理论分析中要用到的光学和结构特性进行简单描述,以便进行对比。

LiNbO3晶体是负单轴晶体,透光区域在0.33~5.5μm内[26],且在可见光和近红外区的双折射效应比较大(Δn=n 0-n e＞0.07),因此有利于在非线性频率变换过程中实现双折射相位匹配。而LiTaO3晶体是正单轴晶体,虽然在2.9~3.2μm中间有一个光吸收区域,但它在紫外的透光范围要比LiNbO3大,能够透过远至280 nm的紫外光,并且损伤阈值和抗光折变能力都要高于LiNbO3晶体。值得注意的是,LiTaO3晶体的双折射效应很小(Δn≈0.004),不易实现双折射相位匹配,因此在周期极化准相位匹配技术出现以前,很少被用作非线性频率变换晶体,这是两种晶体的一个重要区别。

LiTaO3晶体的居里点为T C=620℃,而LiNbO3晶体的则高达1 210℃,是目前已知的居里点最高和自发极化最大(室温时约为0.7 C/m2)的晶体[27]。其在居里点以下时是铁电晶体,晶体属三角晶系,其空间群为(R 3c),点群为C 3v(3 m);在居里点以上时为顺电相,空间群分别为(),点群为D 3d(m),其结构如图4-6所示。

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图4-6　LiNbO3晶体结构示意

这两种晶体分子式都属于ABO3型,但是其结构偏离了ABO3型的普遍结构——钙钛矿型结构。以铌酸锂晶体为例,从图4-6中可以看出,它的特征结构为氧八面体以共面形式堆垛,金属离子Li+处于两个共面八面体的公共面中,而Nb5+都处于氧八面体中。顺电相时,Li+和Nb5+分别位于氧平面和氧八面体中心,无自发极化。铁电相时,Li+和Nb5+均沿着+c轴发生偏移,前者离开氧八面体的公共面,后者离开氧八面体中,形成了c轴的电偶极矩,即自发极化。