一種製備高摻雜濃度鉭鈮酸鉀的方法
2023-07-28 09:41:36 1
專利名稱：一種製備高摻雜濃度鉭鈮酸鉀的方法
技術領域：
本發明屬於非線性光學晶體材料的製備技術領域。
光折變材料能夠製作全息存儲器、光束放大器、自泵浦相位共軛器等器件，而廣泛地應用於雷射器件、光通訊、光信息處理、圖像復原、光計算、智能計算機和光學神經網絡等領域。鉭鈮酸鉀(KTN)晶體是一種優良的光折變材料，立方相和四方相的KTN晶體可分別基於二次電光效應和一次電光效應實現光折變效應，KTN晶體具有諸材料中最大的光折變靈敏度，其光折變性質可以通過選擇生長特定組分的晶體得到優化。因此是一種極具有應用前景的材料，通過摻Fe、Cu、Co、Ni等變價過渡金屬元素，生長的摻雜KTN晶體的光折變效應可以進一步得到改善，二波耦合增益係數和自泵浦相位反射率等指標都會明顯提高，而且在一定摻雜濃度範圍內，這些指標有隨摻雜濃度的增加而增加的趨勢。例如純的KTN晶體的二波耦合增益係數為1.9cm-1，難以實現自泵浦相位共軛，摻雜Fe0.2%的KTN晶體的二波耦合增益係數為12cm-1，自泵浦反射率達32%，但是當摻雜濃度超出特定範圍時，生長的晶體是黑色或深藍色的，可見光不能透過，例如用通常方法製備的摻Fe KTN晶體，當摻雜濃度高於0.3%時，製備的晶體為深藍色，不透光，因而無法使用，影響了晶體的實際應用。
本發明的目的是為了解決上述存在的問題，提出一種可供實際應用的、具有較大增益係數和反射率的高摻雜濃度KTN晶體的製備方法。
本發明的主要內容該高摻雜濃度鉭鈮酸鉀晶體的製備方法，是以K3CO3、Ta2O5、Nb2O5為原料，用Fe2O3、Co2O3、CrO3作為摻雜劑在單晶生長爐中進行降溫生長，其主要特徵是生長鉭鈮酸鉀晶體原料中添加一種脫色劑。
在生長鉭鈮酸鉀晶體中所加的脫色劑為變價過渡金屬氧化物，通過它的加入，可以調整摻入離子的價態及其氧化還原程度，改變晶體顏色。
所加脫色劑是有一定的比例的，其重量比為0.1-1%。這種製備高摻雜濃度鉭鈮酸鉀晶體的方法，同樣也適合於其它氧化物光折變晶體。如鈦酸鋇、鈮酸鉀、鈮酸鋰等。
本發明適用於製備分子組成為KTa1-xNbxO3，其中0≤x≤1，原料為Ta3O5、Nb2O5、KCO3，摻雜劑為Fe2O3、Co2O3、CrO3等，摻雜濃度範圍大於0.3%重量的材料，原料中加入的脫色劑重量比為0.1-1%。根據具體的應用目的，選擇生長晶體組成中Nb含量X，然後由KTN相圖中確定與之相對應的液相組成Y值，由以下反應式確定原料配比K2CO3+(1-y)Ta2O5+yNb2O5→2KTa1-yNbyO3+CO2將稱量的1000克原料和摻雜劑以及脫色劑混勻後，放入350ml鉑坩堝內，置於單晶生長爐中，使爐溫升至高於飽和點200℃，待原料完全熔化後，繼續保持該溫度24小時，然後降溫至飽和點附近，用籽晶試探法準確測定飽和點後，用頂端籽晶法將晶體下入熔液，按設定的程序降溫，晶體擴肩至一定的大小後開始提拉，至一定的尺寸後，使其脫離液面，轉速30-40轉/分，降溫速度1-3℃/天。
通過加入脫色劑製備的高摻雜濃度KTN晶體，極化後晶體完全透明，具有較大的光折變效應，可避免用通常方法製備的晶體具有深藍色或黑色，它具有二波耦合增益係數大，自泵浦相位共軛反射率高的優點，實際應用價值大。這種製備方法解決了通常方法製備的摻鐵KTN晶體當摻雜濃度過高時，晶體為深藍色不透明的問題。
實施例1分子組成中取x＝0.49，由KTN相圖中確定與之對應的液相組成y值。由反應式確定原料配比。取Ta2O5205g、Nb2O5466g、K2CO3329g，摻雜劑為Fe2O3濃度為0.4%，脫色劑的濃度為0.1%，提拉速度1mm/天，轉速30轉/分，降溫速度1℃/天，生長晶體尺寸達30×30×15mm，極化後晶體完全透明，增益係數12.03cm-1，反射率32%。
實施例2分子組成中取x＝0.50，由KTN相圖確定與之對應的液相組成y值，由反應式確定原料配比。取Ta3O5191g、Nb2O5482g、K2CO3327g，摻雜劑選Co2O3，濃度為0.4%，脫色劑濃度0.5%，提拉速度1mm/天，轉速30轉/分，降溫速度2℃/天，生長晶體尺寸達25×25×15mm，極化後晶體完全透明，增益係數為15.2cm-1，反射率38%。
實施例3分子組成中取x＝0.50，由KTN相圖確定與之對應的液相組成y值，由反應式確定原料配比，取Ta2O5191g、Nb2O5482g、K2CO3327g，摻雜劑Fe2O3濃度為0.4%，脫色劑濃度為0.7%，提拉速度1mm/天，轉速30轉/分，降溫速度2℃/天生長晶體尺寸達25×25×15mm，極化後晶體完全透明，增益係數為9.6cm-1，反射率21%。
權利要求
1.一種製備高摻雜濃度鉭鈮酸鉀晶體的方法，以K2CO3、Ta2O5、Nb2O5為原料，用Fe2O3、Co2O3、CrO3等作為摻雜劑，在單晶生長爐中進行降溫生長，其特徵是在生長原料中加入一種脫色劑。
2.根據權利要求1所述的製備高摻雜濃度鉭鈮酸鉀晶體的方法，其特徵是在生長原料中加入的脫色劑為過渡金屬變價氧化物。
3.根據權利要求1或2所述的製備高摻雜濃度鉭鈮酸鉀晶體的方法，其特徵是所加脫色劑的重量比為0.1%-1%。
4.根據權利要求1所述的製備高摻雜濃度鉭鈮酸鉀晶體的方法，其特徵是該生長方法同樣也適合於其它氧化物光折變晶體如鈦酸鋇、鈮酸鉀、鈮酸鋰等。
全文摘要
本發明屬於非線性光學晶體的製備技術領域，它解決了目前生長鉭鈮酸鉀(KTN)摻雜濃度過高時生長出的晶體是黑色或深藍色,可見光不能透過的問題，本發明的主要內容就是在生長KTN晶體的原料中加入一種脫色劑，它不但提高了摻雜濃度而且生長出的晶體極化後完全透明，具有二波耦合增益係數大、自泵浦相位共軛反射率高的優點，可應用於雷射器件、光通訊、光信息處理、圖像復原、光計算、智能計算機和光學神經網絡等領域。
文檔編號G02B1/02GK1093172SQ9311035
公開日1994年10月5日 申請日期1993年4月2日 優先權日1993年4月2日
發明者管慶才, 魏景謙, 王繼楊, 劉躍崗, 邵宗書, 蔣民華 申請人:山東大學