磷酸镓晶体和钽酸镓镧晶体的生长与性能研究

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磷酸镓(GaPO4)晶体作为石英的同构型晶体,具备比石英晶体更高的压电耦合系数,压电性能远远优于石英晶体。与此同时,GaPO4晶体具备较大的双折射系数和倍频系数。晶体本身的非线性光学性质,如倍频系数等受温度的依赖性较小,温度的升高并不会明显改变其非线性光学性质。这在实际的激光器件应用中,有着不小的优势。钽酸镓镧(La3Ga5.5Ta0.5O14,简称LGT)晶体具有良好的压电性能,并在室温至熔点温度间无相变,容易通过提拉法制备出来。它具有优良物理化学性质,旋光和电光性质,经常被用作新型旋光-电光Q开关材料。而在非线性光学方面,近年来也因为其具有非中心对称结构,透过波段宽,抗激光损伤阈值高等特点受到越来越多的关注。LGT晶体可以获得有效的倍频相位匹配,在非线性光学方面有着极为可观的前景。本论文实验中,采用了固相合成方法,并通过优化工艺参数分别获得了高质量的GaPO4、La3Ga5.5Ta0.5O14、La3Ga4.5Al1Ta0.5O14多晶原料。通过助熔剂法成功生长出了GaPO4粉晶。使用高温熔体提拉法在N2气氛下生长出了纯的LGT晶体和一系列不同Al元素掺杂浓度比例的LGT晶体(La3Ga5.3Al0.2Ta0.5O14、La3Ga5.2Al0.3Ta0.5O14和La3Ga5Al0.5Ta0.5O14)。对于GaPO4粉晶,本论文通过测试发现所生长的粉晶物相单一,晶体内部元素比与多晶原料的元素比例基本一致,并且具有完整的微观结构,说明生长的GaPO4粉晶质量良好。针对在N2+1vol%O2氛围下生长的纯的LGT晶体,N2氛围下生长的纯的LGT晶体和N2气氛下不同Al元素掺杂浓度的LGT晶体(La3Ga(5.5-x)AlxTa0.5O14,其中x=0,0.2,0.3和0.5)的室温和高温物相结构、结晶质量、力学性质、热学性质、光学性质、压电常数、高温电阻率等方面展开了研究。得出的结论表明:生长氛围,Al元素掺杂,温度等几方面的改变对于LGT晶体本身的结构没有大的改变,只会影响晶体内部的晶格常数;几块晶体的摇摆曲线半高宽分别是28.8″和39.6″,说明晶体的结晶质量较好;LGT晶体的Z方向切片具有更好的力学性质;测量晶体的热学性质后发现,N2氛围下生长,提高Al元素掺杂会略微提高晶体的热稳定性;光学性质上,几种LGT晶体在400 nm-3000 nm波长范围,具有较高的透过率,N2氛围下生长,提高Al元素掺杂也会增大晶体的抗光损伤能力;生长氛围,Al元素掺杂条件不会改变LGT晶体的压电常数;此外,N2+1vol%O2氛围下生长的La3Ga5.5Ta0.5O14晶体,N2气氛下生长出了La3Ga5.5Ta0.5O14晶体和N2气氛下La3Ga5.3Al0.2Ta0.5O14晶体在高温条件下保持了较高的电阻率,N2氛围下生长,提高Al元素掺杂也会提高晶体的电阻率。
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