專利名稱：摻雜鈮酸鋰晶體極化方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及晶體后處理工藝，尤其涉及摻雜鈮酸鋰晶體極化工藝及其裝置。
鈮酸鋰[(Li2O)0.5-8·(Nb2O5)0.5+8，簡寫為LiNbO3，LN]晶體是一種具有良好的壓電、電光和非線性光學(xué)性能的功能材料，常被用來制作電視濾波器、電光調(diào)制器和激光倍頻器。但是實踐中發(fā)現(xiàn)，LN晶體在中小功率激光照射下就能發(fā)生明顯的光折變。高摻鎂能大幅度地提高LN抗光折變能力，見文獻(xiàn)[1]仲躋國等“高摻鎂鈮酸鋰晶體的生長和倍頻性能”《物理學(xué)報》，1983;32(6)795。在此基礎(chǔ)上摻入釹的Nd∶Mg∶LN晶體則可用以制作結(jié)構(gòu)緊湊的自倍頻激光器。
對于摻雜鈮酸鋰晶體的極化沿用LN晶體極化退火工藝存在許多問題，如MgO濃度大于5%的晶體會出現(xiàn)脫溶現(xiàn)象，使晶體呈乳白色，部分或完全失透而不能應(yīng)用，見上述仲躋國等文。《晶體生長》雜志上文獻(xiàn)[2]B.C.哥萊伯米爾等的“摻鎂LiNbO3的生長與研究”和文獻(xiàn)[3]Y.弗魯卡瓦等的“用于電光器件的摻鎂LiNbO3晶體的生長與性質(zhì)”(B.C.Grabmier el al.“Growth and lnvestigation of MgO-doped LiNbO3”，《J.Gystal Growth》，1986;79682;Y.Furukawa el al.“Growth and Characterization of MgO-doped LiNbO3for Electro-optic Devices”，《J.Crystal Growth》，1990;99832)二文報道了Mg∶LN晶體極化條件，指出晶體要用沿C軸的直流電場進(jìn)行極化處理，極化電流0.2mA/cm2，通電30-60分鐘。在這段時間內(nèi)晶體被緩慢冷卻到低于居里溫度20°K左右。對于這種極化，若用鉑鍍導(dǎo)電層是不合適的，因為極化后發(fā)現(xiàn)Pt進(jìn)入晶體之內(nèi)。用鉑片壓在平坦晶體端面上極化晶體可獲得成功。文獻(xiàn)[4]趙業(yè)權(quán)等“摻鎂富鋰LiNbO3晶體的生長及其抗光折變效應(yīng)”《人工晶體學(xué)報》1990;19(3)200一文中給出了高摻鎂晶體極化示意圖，由圖可知用鉑片作電極，將LN陶瓷片和LM陶瓷粉夾在電極與晶體之間。現(xiàn)有技術(shù)多采用上述極化工藝，其極化條件與LN晶體大致相同。極化爐為硅碳棒馬弗爐，晶體樣品向爐內(nèi)安放時常會造成晶體樣品與電極板的相對位移，致使接觸不良。
以上資料所述方法還存在以下缺點1.在所報道的極化溫度1160-1200℃下進(jìn)行摻雜LN晶體的極化，無論電場如何，均難以改變晶體的疇結(jié)構(gòu)，因而不能實現(xiàn)晶體單疇化的目的。
2.用常規(guī)箱式或立式馬弗爐加熱和極化晶體操作不方便，很難保證電極與晶體端面的良好接觸，常導(dǎo)致極化電流密度不均勻，嚴(yán)重時易引起晶體開裂。
3.平板Pt電極直接與晶體端間接觸，很難保證Pt片與晶體端面各點接觸電阻相同，因此由電流密度不均引起晶體開裂時有發(fā)生，若采用LN陶瓷片、LN陶瓷粉夾在Pt片與晶體之間，以減小接觸不良造成的電場不均，卻又難以使陶瓷粉撒放均勻，仍然存在接觸面上各點電阻不均勻的問題，會出現(xiàn)晶體“斷邊”現(xiàn)象。另外，在合適的極化溫度下，LN陶瓷片和陶瓷粉會變得粗糙松散，影響電流均勻性。嚴(yán)重時會出現(xiàn)陶瓷片裂散，無法重復(fù)使用。
為了克服已有技術(shù)存在的缺點，本發(fā)明提供一種新的極化方法和裝置，并使用了一種新的極化陶瓷板材料，以使摻雜LN晶體得到完全極化。
長期研究結(jié)果表明，摻Mg或Mg、Nd雙摻的LN晶體，在生長過程中由于雜質(zhì)離子的分凝效應(yīng)，在生長界面附近造成了離子濃度的梯度分布，這種帶電離子的濃度梯度在晶體生長前沿附近形成一個電場，這個電場對晶體有一定的極化作用，使生長出的晶體有一定的單疇化趨勢(但單疇化不完全)，因而在一定程度上具有單疇晶體性能。因此，無效極化甚至根本不極化的晶體仍可用以演示出一定的物理效應(yīng)，甚至可用來制作器件。深入的疇結(jié)構(gòu)檢測試驗結(jié)果表明，用現(xiàn)有極化方法對摻雜LN晶體進(jìn)行極化之后，原有的混疇區(qū)仍然存在，極化前后疇結(jié)構(gòu)無明顯變化。證明是無效極化。無效極化與不極化一樣，不能改善晶體的性能。只有單疇化完全的晶體，其光學(xué)均勻性和其他電光、非線性光學(xué)性能才能達(dá)到最佳，用來制作的器件性能才能達(dá)到最優(yōu)。
本發(fā)明由三大部分組成一、極化裝置首先結(jié)合附圖對本發(fā)明極化裝置作一描述。該裝置包括可將晶體樣品、熱電偶、電極等緊湊牢固地結(jié)合在一起的穩(wěn)定性極好的基座，可移動加熱爐，溫度程序自動控制系統(tǒng)以及直流電場發(fā)生、調(diào)整、監(jiān)測系統(tǒng)。加熱爐由爐膛、爐殼、支架、電阻絲和輕型耐火保溫材料等制成，爐膛可以是Al2O3材料?；嫌雄釄搴头胖镁w樣品的支架，該支架也可用Al2O3材料;樣品支架上是Pt電極片，再往上依次放有極化陶瓷板、晶體樣品、極化陶瓷板、Pt電極片、壓塊。爐膛上口有保溫蓋，帶支架的加熱爐體與盛放有樣品支架的基座之間系扣合，二者結(jié)合處有纖維氈保證整體密合。上述兩Pt電極分別與直流穩(wěn)壓電源聯(lián)接，在晶體樣品一側(cè)有一熱電偶，可用Pt90Rh10-Pt熱電偶，熱電偶再與控溫儀、毫伏設(shè)定儀等控溫系統(tǒng)聯(lián)接。
二、極化方法下面結(jié)合


本發(fā)明的極化方法。
1、將摻雜LN晶體切出兩個垂直于C軸的端面，并將端面磨平。用零號刀口尺檢驗端面平面度，以端面與刀口良好吻合為標(biāo)準(zhǔn)。
2、將極化用陶瓷板兩面磨平，用刀口尺檢驗，以其平面度與晶體兩端面相同為標(biāo)準(zhǔn)。
3、用0.5～1mmPt片制作直徑略大于陶瓷板的圓形電極，并留有一電極引線接頭。將Pt片夾在平面度與晶體端平相同的鋼板之間，用20～50噸重壓力壓平。用Φ0.2mmPt絲將Pt電極引線接頭與Pt導(dǎo)線(Φ0.5-1mm)聯(lián)接。
4、將一Pt電極置于具有同樣平面度的支架上端面，電極上放備好的陶瓷板，陶瓷板上依次同軸地放置晶體樣品、上陶瓷板、上Pt電極和壓塊，壓塊通常用同類晶體。然后將極化電路和控溫系統(tǒng)連接好。極化電中電滑線電阻值為0-4KΩ。取3KΩ左右為宜。
5、將加熱爐體豎直吊起，使之與晶體樣品上下同軸，然后將爐體下降，使?fàn)t底板與基座通過其間的纖維氈達(dá)到良好的軟密合。
6、按下述程序和條件通電極化(1)按90℃/h速度升溫至1230±5℃;
(2)加電場，極化電流密度5mA/cm2，恒溫1小時;
(3)按90℃/h速度降溫到室溫后，斷電。
(4)晶體“涼透”后取出。
三、極化陶瓷板在上述極化裝置和方法中使用的陶瓷板是不與晶體起反應(yīng)并可多次反復(fù)使用的摻雜LN陶瓷板，其制作方法如下將高純度的Li2CO3、Nb2O5、Ta2O5按摩爾比 (15+5)配料，研混均勻，放入鋼壓模內(nèi)，施加50MPa的壓強(qiáng)，壓成厚1±0.5cm，直徑略大于極化晶體的料餅。將上述料餅1～2塊放在Pt坩堝或Pt片上，置于馬弗爐內(nèi)加熱至1230±10℃，保溫3小時，降至室溫。用砂紙研磨該陶瓷餅，將磨下的細(xì)粉均勻撒在平底Pt坩堝或Pt平片上，厚約0.5mm，再將料餅單個水平放置其上，按下列程序在馬弗爐內(nèi)燒結(jié)(1)以90℃/h速度升溫至1230±10℃，恒溫3小時;
(2)以120℃/h速度降溫至室溫。取出備用。
附圖是本發(fā)明的極化裝置示意圖，其中，1.壓塊，2.鉑電極，3.極化陶瓷板，4.晶體樣品，5.鉑絲導(dǎo)線，6.Al2O3樣品支架，7.坩堝，8.基座，9.保溫蓋，10.爐外殼，11.Al2O3爐膛，12.電爐絲，13.熱電偶，14.輕質(zhì)耐高溫保溫材料，15.纖維氈，16.爐底盤，17.爐支架，18.滑線電阻，19.直流穩(wěn)壓電源，20.控溫儀，21.毫伏設(shè)定儀。
實施例1極化裝置如圖所示，Al2O3爐膛，Al2O3樣品支架，Pt90Rh10-Pt熱電偶，0-4KΩ滑線電阻，剛玉坩堝，LN晶體壓塊。極化陶瓷板配料Li2CO3∶Nb2O5∶Ta2O5＝95∶85∶15(摩爾比)，按上述燒制程序和條件制成厚1Cm的圓形瓷板，面積略大于晶體樣品端面;Mg∶Nd∶LN晶體樣品一塊按上述方法切割磨平;0.5mm Pt片2片30噸壓力制成2個圓形Pt片電極，尺寸略大于陶瓷板，并在Pt片上留一接頭，用φ0.2mmPt絲將Pt電極接頭連接于φ0.5mm的Pt導(dǎo)線上，再與隱壓直流電源聯(lián)接;熱電偶與控溫系統(tǒng)聯(lián)接。將加熱爐體豎直與晶體同軸放下，使?fàn)t底板通過纖維氈與鋼基座軟密合，以90℃/h速度升溫至1230℃，加電場，電流密度5mA/Cm2，恒溫1小時，再按90℃/h速度降溫至室溫，全部斷電，晶體“涼透”后取出，即得完全單疇化的Mg∶Nd∶LN晶體。
實施例2如實施例1，所不同的是，摻雜陶瓷板配料是Li2CO3∶Nb2O5∶Ta2O5＝95∶90∶10(摩爾比)，2片1mmPt片施50噸壓力制成Pt電極，Pt導(dǎo)線φ1mm，極化溫度1235℃。
實施例3.
如實施例1，所不同的是，摻雜LN陶瓷板配料Li2CO3∶Nb2O∶Ta2O5＝95∶80∶20(摩爾比)。
極化溫度1235℃，晶體樣品為Mg∶LN晶體。
本發(fā)明的裝置加熱爐與基座是扣合，加熱爐可自由移動，而基座能通過支架等使晶體樣品及電極穩(wěn)固放置，從而保證了晶體與電極系統(tǒng)的相對位置不發(fā)生任何變化，確保極化電流密度的均勻性，極化爐溫場設(shè)計合理，極化操作簡便易行，耗電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于通用硅碳棒馬弗爐。本發(fā)明使用的摻雜LN極化陶瓷板，取代普通LN陶瓷板，可以多次使用，并在使用前加工成與晶體端面具有相同平面度，保證與晶體各點良好接觸，從而保證了極化電流密度的均勻性。本發(fā)明采用1230±5℃極化溫度，經(jīng)用上述極化裝置和方法，可以獲得完全單疇化的Mg∶LN或Nd∶Mg∶LN晶體。本發(fā)明極化摻雜LN與已有技術(shù)條件及效果之對比列于下表
本發(fā)明極化摻雜LN晶體可避免產(chǎn)生晶體開裂現(xiàn)象及脫溶現(xiàn)象，并能得到完全單疇化的晶體，專家鑒定表明，本發(fā)明極化處理后的摻雜LN晶體光學(xué)均勻性高達(dá)10-6～10-5Cm-1，用來制作器件性能有明顯提高。
權(quán)利要求
1.一種摻雜酸鋰晶體的極化方法，包括步驟如下磨好端面的晶體樣品置于極化陶瓷板之間陶瓷板上下各加一鉑片電極，升溫，加電場極化，再降至室溫，斷電，其特征在于，極化溫度控制在1230±5℃，鉑片、陶瓷板及晶體樣品端面都經(jīng)整平處理。
2.如權(quán)利要求1所述的極化方法，其特征在于，所說的整平處理是，將厚0.5-1mm的鉑片夾在兩平整的鋼板之間，施加30-50噸壓力壓平，將陶瓷板及晶體樣品端面磨平，使其在互相垂直的兩個方向上都與零號刀口尺的刀口吻合。
3.如權(quán)利要求1所述的極化方法，其特征在于，所說的晶體樣品是下列任一種(1)(MgO)x[(Li2O)0.486·(Nb2O5)0.514]1-x(2)(MgO)0.05[(Li2O)y/2·(Nb2O5)1-y/2]0.95(3)(Nd2O3)z(MgO)x[(Li2O)0.486·(Nb2O5)0.514]1-x其中，x＝0-0.1，y＝0.972-1.05，z＝0-0.01。
4.如權(quán)利要求1所述的極化方法，其特征在于，極化升降溫速度為90℃/h，1230°±5℃恒溫1小時。
5.一種實施權(quán)利要求1方法的裝置，其特征在于，主要由可移動加熱爐和帶有樣品支架的基座扣合而成;樣品支架上依次放有Pt電極、陶瓷板、晶體、陶瓷板、電極，兩Pt電極與直流電源連接，晶體一側(cè)有熱電偶與控溫系統(tǒng)連接。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，可移動加熱爐由Al2O3爐膛，鐵爐殼，支架，電阻絲和輕型耐火保溫材料組成。
7.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，鋼基座內(nèi)有與之緊密配合的剛玉坩堝和Al2O3樣品支架。
8.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所說熱電偶是Pt90Rh10-Pt熱電偶。
9.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，用φ0.2mmPt絲將Pt電極與φ0.5～1mm的Pt導(dǎo)線連接。
10.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，加熱爐殼下底板與基座接合處有使二者軟密合的纖維氈。
11.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所說的陶瓷板是按Li2CO3∶Nb2O5∶Ta2O5＝95∶(85±5)∶15+5摩爾比配料、研磨、混均壓制成型并燒結(jié)的摻雜LN陶瓷板。
12.如權(quán)利要求5或11所述的裝置，其特征在于，所說的摻雜LN陶瓷板是如下方式制備(1)將按比例配好的Li2CO3、Nb2O5、Ta2O5原料研混均勻，加50MPa壓強(qiáng)在鋼壓模中壓成厚1±0.5cm的料餅;(2)將上述料餅置于Pt坩堝或Pt片上，在馬弗爐內(nèi)1230±10℃加熱4小時，降至室溫;(3)將(2)料餅砂磨，將磨下細(xì)粉撒在Pt平片或平底Pt堝上，厚約0.5mm，再將(1)料餅單個水平放置其上，置于馬弗爐內(nèi)按(4)燒結(jié)。(4)以90℃/h速度升溫至1230±10℃，恒溫3小時，再以120℃/h速度降至室溫，取出備用。
13.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所說的晶體端面、陶瓷板、Pt片電極的尺寸依次略有遞增。
全文摘要
一種摻雜鈮酸鋰晶體極化方法和裝置，屬于晶體材料后處理技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括，1230±5℃極化溫度條件，對晶體端面、陶瓷板、Pt片電極進(jìn)行整平處理，并在一可移動加熱爐與帶有樣品支架的基座扣合而成的極化裝置中進(jìn)行極化。所用陶瓷板是按Li
文檔編號C30B29/30GK1076227SQ93110359
公開日1993年9月15日 申請日期1993年4月2日 優(yōu)先權(quán)日1993年4月2日
發(fā)明者孟憲林, 孫友軒 申請人:山東大學(xué)