激光布里渊散射测量单晶LiNbO_3的声速和各向异性

一、用激光布里渊散射法测量单晶LiNbO_3的声速及其各向异性（论文文献综述）

原东升^[1]（2016）在《微下拉设备研制、单晶生长及功能晶体TbCOB的制备和性能研究》文中研究说明人工晶体作为现代工业和军事国防领域不可缺少的关键材料,越来越受到各国政府和科学家们的重视。与天然晶体不同,人工晶体更注重科学设计与系统调控的理念,能够有针对地实现光、电、声、磁、热、力等不同形式能量的交互作用和转化。面向具有重大应用前景的功能晶体材料,一方面需要综合开发和评价具有明显应用潜力的关键晶体,避免核心材料的受制于人；另一方面要在晶体生长设备自主研发、新功能晶体材料领域坚持创新探索,全方位推进新型“中国牌”晶体的系统工程。激光单晶光纤是介于传统体块单晶和玻璃光纤之间的一维新型增益介质,其材质来源为传统的优异激光晶体,外型上秉承玻璃光纤的高长径比和大比表面积,具有散热好、效率高、非线性增益系数小等优势。2015年,美国陆军武器研究室发布了一项以单晶光纤为内容的企业研发课题,明确了单晶光纤在定向能激光武器方面的预研和开发价值。从2011年至今,SPIE Photonic West每年定期举办以《Single Crystal Fiber Lasers》为专题的研讨分会,更体现了其在基础研究和工业加工等民用方面的重要价值。然而,我国在此关键材料领域的研究远远落后于国际水平。微下拉法是一种可实现高质量单晶光纤制备的单晶生长技术,其制备的Yb:YAG单晶光纤更是在国际上首次实现了“百瓦”级多模激光输出,展示了良好的应用前景。同时,该方法具有使用原料少、生长速度快、实验周期短和效率高等优势,在新材料探索以及单晶性能优化方面具有重大开发价值。然而,对于这种新颖的单晶生长技术,我国长期处于研究空白状态。本论文首次对微下拉单晶生长法进行了全方位调研,涉及基本原理、设备发展、晶体生长、新材料探索及优化等；基于课题组在设备研制上的优势和特色,本论文积极开展了微下拉设备的自主研制,并得到了国家自然科学基金-科学仪器基础研究专项的支持；同时采用微下拉技术生长了具有重大应用前景的YAG单晶光纤,在晶体可控生长、基本性能测试方面积累了经验。新型功能晶体材料创新探索方面,本论文选取了单斜晶系的低对称性化合物ReCa4O（BO3）3作为结构载体,同时引入了兼具高电子磁矩和强荧光性质的Tb3+离子,尝试从基础层面研究结构各向异性与性能各向异性之间的关系。本论文首先克服了TbCOB体块单晶生长的难题,并通过持续优化获得了直径40mm的大体块单晶；同时系统研究了该新晶体的结构、热学、线性和非线性光学、荧光、压电和高温压电、以及磁各向异性等性质。结合微下拉和TbCOB这两种新技术和新材料,本论文首次提出了微下拉法直接生长非线性倍频器件的新思路,定向生长获得TbCOB倍频器件,实现了高效的非线性倍频激光输出。本论文的主要研究工作和结果如下：Ⅰ.微下拉设备研制本课题组成功开发了国内首台微下拉单晶生长炉,在坩埚及温场设计、机械系统及控制、晶体生长界面成像等方面积累了丰富经验；该设备研发得到了国家自然科学基金基础研究仪器设备专项的支持,填补了国内在微下拉设备及其晶体生长领域的空白。此外,本论文提出了一种调节微下拉晶体生长温度梯度的装置,可有效实现固液界面附近温度梯度的精细调节与优化,该装置采用价格低廉（相比较铂金、铱金等贵金属）的石墨、钼、钨等材料制作而成,材料来源广泛、成本低,结构简单,能够为单晶生长提供预设的温度梯度分布。Ⅱ.微下拉单晶生长及单晶光纤制备本论文采用微下拉法成功生长了LiNbO3和Y3A15O12单晶,验证了自主研制微下拉设备的可靠与稳定性,同时进一步实现了Y3A15O12和Lu3Al5O12单晶光纤的生长,其直径范围从400μm～1 mm可控,长度可达400mm,且直径800μm以下的单晶光纤可弯曲使用。X射线劳埃背射斑点清晰对称,且单晶光纤从头到尾测试结果均完全一致,证明整个单晶光纤的单晶性良好；同时本论文对Nd:YAG单晶光纤的发射光谱和荧光寿命进行了表征和研究。Ⅲ. TbCOB晶体的生长、结构及热学性质通过合理补偿B203和控制Tb3+价态,稳定批量合成了纯相的TbCOB多晶料。热分析和XRD测试表明,该化合物具有同成分一致熔融行为,熔点约为1498℃,其体块单晶可以采用提拉法、布里奇曼法以及微下拉法等熔体法获得。先后采用YCOB和TbCOB籽晶,并优化缩颈工艺和温场,通过提拉法实现了TbCOB体块单晶尺寸和质量的提升,获得了直径达40mm的较大尺寸体块单晶。对提拉法获得的TbCOB单晶进行了单晶结构解析,获得了准确完整的结构数据TbCOB属于单斜晶系Cm空间群,Tb和Ca与O原子形成多面体配位,再与平面三角构型的BO3基团通过共顶角相连,形成三维网络结构。与助熔剂法获得的TbCOB单晶结构相比,提拉法生长的单晶中Ca与Tb的无序更为明显。随后系统研究了TbCOB晶体的热学性能,包括比热、热膨胀、热扩散和热导率。其比热值为0.616 J·g-1·K-1,与GdCOB和YCOB的比热基本相当。与ReCOB系列其他晶体相比,TbCOB具有较小的热膨胀系数,并且其热膨胀各向异性最小（选取（αc-αa）/αc作为热膨胀各向异性的评价参数）；小的热膨胀各向异性对晶体的使用非常有利,这也表明在晶体的生长、加工和应用过程中,TbCOB晶体能够承受较大的温度梯度。Ⅳ.TbCOB晶体的线性与非线性光学性质TbCOB晶体在490～1500 nm的范围内具有较高的透过率；10K低温下的精细光谱显示,其在310～500nm波段的吸收峰分别对应着Tb3+的4f-4f跃迁,7F6→5H6、5D0+5H7、5L9+5G4、5D2+5G5、5L10、5D3+5G6以及5D4,而近红外波段的吸收峰则分别来自于7F6到7F0、7F1和7F2的跃迁。TbCOB为负双光轴晶体,具有三个不同的折射率,在1064 nm处的双折射Δn=0.034,介于YCOB和GdCOB之间。其光学主轴坐标系与结晶学坐标系的具体配置关系为：b//Y （a,Z）=26.12°（c,X）=14.86°,β=101.26°。根据折射率色散方程计算,对于1064 nm的基频光,XY主平面在第一卦限的相位匹配角为（90°,44.35°）,ZY主平面在第一卦限的位相匹配角为（22.56°,0°）。采用旋转马克条纹法,测得了TbCOB晶体有全部6个独立的非线性光学系数d11、d12、d13、d31、d322和d33。在全套二阶非线性系数的基础上,理论计算表明TbCOB主平面内的最优匹配方向为（22.56°,180。）,其最大有效非线性系数deff=0.86 pm/V。对于主平面内的最优位相匹配方向,腔外激光倍频（样品无镀膜）转换效率可达到57%。TbCOB的非线性光学性质处于YCOB和GdCOB之间,即TbCOB晶体可以保持较高的非线性系数,同时发挥其晶体生长成品率高的优势。V.功能晶体TbCOB的压电性能及磁各向异性通过16组不同切型的单晶样品,获得了TbCOB晶体所有的室温弹性顺服常数sij、压电应变常数dij和机电耦合系数kij。其中TbCOB的介电常数（εT11/ε0=10.34、 εT22/ε0=12.92、εT33/ε0=10.04）更接近GdCOB,略高于YCOB; TbCOB的最大压电常数为10.09 pC/N,明显大于YCOB的8.0 pC/N,且三者的压电常数最大值均为d26。此外,TbCOB的常用机电耦合系数k26达到了21.94%,可满足器件实际使用的要求。该晶体的高温电阻率随温度升高表现出降低趋势,其在600℃时电阻率可以达到5 X 106 Ohm-cm,虽低于同构的YCOB和GdCOB晶体,但TbCOB的高温电阻率各向异性明显小于YCOB和GdCOB.在600℃的环境下,晶体弹性常数（sE33和sE66）稳定度仍可保持在10%以内,其最大压电常数d26也依然可以保持在10pC/N以上,机电耦合系数k26的最大波动率不超过10%,相关参数均具有较好的温度稳定性。TbCOB晶体三个晶轴方向的室温和低温磁化曲线、以及场冷和零场冷磁温曲线均表明,在温度降低过程中Tb离子之间没有强的磁相互作用,表现出顺磁特性。同时分析出,该晶体表现出很大的顺磁各向异性,在5K低温环境下,c向的磁化率约为6向的20倍。Ⅵ.倍频器件的微下拉定向生长与研究微下拉技术相比传统提拉法可以更好地实现晶体的定向和异形生长,在器件加工方面节约时间并节省原料,可以降低制作成本。因此,本论文首次提出使用微下拉直接制备倍频晶体器件的技术概念。结合理论计算模型与TbCOB晶体的二阶非线性系数矩阵,得到了有效非线性系数|deff|随极相角φ和偏向角0的三维分布规律：TbCOB的空间最优位相匹配角为（113°,46°）,对应的有效非线性系数为1.39 pm/V,与YCOB和GdCOB相当。在此基础上,本论文设计了微下拉法直接生长（113。,46°）倍频晶体的实验,并采用优化后的温场和参数实现了TbCOB晶体的稳定定向生长,获得的晶体等径良好且透亮,内部无散射颗粒；与提拉法不同,该方法生长的晶体表面光滑,无挥发物B203黏附。微下拉法沿空间最优位相匹配定向生长的TbCOB晶体,经过端面加工即可形成器件,且激光倍频性能良好；随着基频光功率升高,倍频效率可稳定在55%左右；同时测得TbCOB晶体的激光损伤阈值大于15 GW/cm2,适合作为激光倍频晶体使用。综上,本论文首次提出使用微下拉直接制备倍频晶体器件的技术概念,并沿最优位相匹配方向定向生长了TbCOB晶体,获得了优异的倍频激光输出。

刘善文^[2]（2013）在《基于晶体光学特性的测试方法及应用研究》文中研究指明含有电光晶体、声光晶体、磁光晶体、激光晶体、非线性晶体、光折变晶体、闪烁晶体等许多分类的光学晶体因其良好的应用前景受到人们的广泛关注。这些晶体的光学特性是其衡量其性能的主要指标,因而对这些晶体的基础光学特性进行测量和应用的研究是十分有必要的。本文主要对具有钨青铜结构（Tungsten Bronze,简称TB）的光折变晶体掺钙的铌酸锶钡晶体（分子式（Ca0.28Ba0.72）x（Sr0.60Ba0.40）1-x Nb2O6,简写为CSBN）在外电场作用下的吸收谱的变化做了理论分析和实验研究,得到了外电场作用下不同掺杂的浓度的CSBN晶体的吸收谱数据并分析了影响其吸收谱变化的主要因素。我们还利用锥光干涉结合数字图像处理技术对掺钕钒酸镧晶体（Nd:LaVO4）的双光轴夹角进行了测量并利用自己编写的测量软件实现了该测量的自动化和误差修正功能。此外,我们还对CSBN晶体的自泵浦相位共轭现象进行了实验和应用方面的研究。本文的主要研究内容包括：1.对CSBN晶体在外电场影响下吸收谱的变化特点进行了讨论,按前人研究在外电场下对吸收谱起主要影响作用的是温度也就是热量,按此观点进行理论分析发现吸收系数与电场强度的平方成线性关系。我们在电场强度为0Kv/cm-2.1Kv/cm下对CSBN50和CSBN75晶体的吸收谱进行了实验验证,发现其吸收并不与电场强度平方成正比,而是一个振荡性的变化,而且不同掺杂浓度下,其外电场下吸收谱变化大不相同,另外还进行了补充的对比试验以证明确实是电场的影响而非其他干扰而出现的结果。我们从其晶体结构上分析了掺杂浓度对光吸收的影响,对于振荡吸收的结果,我们认为是其添加外电场时空间电荷场的振荡平衡过程所致。最后,我们从吸收系数和吸收长度两方面分析了外电场作用的影响,从计算结果看,外电场主要影响的是晶体的吸收系数,光束在晶体中传播长度虽然也会变化但影响较小。因为在此类晶体的研究过程中加外电场是常用的研究手段,在此情况下的吸收谱特性对相应领域研究者具有重要的参考意义,这也是本研究的重要应用。2.鉴于目前对双轴晶晶轴定向主要依赖于X射线衍射法这种复杂程度高,成本高的方法,而测量双光轴夹角并没有能保证精度的成熟方法,我们从晶体的锥光干涉中得到灵感,认为可以通过晶体的锥光干涉图样很精确地测量出双轴晶双光轴的夹角。首先我们分析了双轴晶体锥光干涉图样的形成、形状特点和数学描述,从中得到了判断其光轴方向的依据,以此为基础设计并搭建了实验光路对激光晶体掺钕钒酸镧（Nd:LaVO4）的双光轴夹角进行了测量,得到了该晶体双光轴之间的夹角为27.83。,精度0.5。。为提高精度并提高测量的自动化程度,我们利用C++Builder编制了一套自动测量软件,实现自动采集实验图像、判断光轴方向、修正实验误差,计算测量结果等功能,完成了测量的自动化,为要求精度不高的场合提供了新的测量方法,并可在改进后应用到更多场合中去。3.对光学相位共轭的理论基础进行了总结,介绍了相位共轭波的数学描述、四波混频作用与相位共轭波的产生,描述了光感应光散射与扇形效应,总结了目前主要的四种自泵浦相位共轭的理论模型。我们搭建了CSBN晶体的自泵浦相位共轭实验光路,并进行了相应实验,主要观察并记录了部分光束发生自泵浦相位共轭现象时,晶体后面透射光斑的奇异变化,并对此进行了理论解释,认为是部分光束发生自泵浦相位共轭导致部分反射光束和透射光束被折射率光栅调制所致。我们还对自泵浦相位共轭在图像处理方面应用进行了探讨,并进行了图像边缘增强实验,得到了较好的实验结果,并对该结果进行了必要的理论分析,认为是四波混频产生相位共轭波中原始物光亮暗区被削弱,过渡区域得到加强所致。

张鹏翔,刘玉龙,王焕元,董长江^[3]（1983）在《用激光布里渊散射法测量单晶LiNbO3的声速及其各向异性》文中研究指明近几年迅速发展起来的激光布里渊散射（Brillotion Scattering）是研究固体、液体、气体中低频激发的有力工具)。在它的众多应用中,声速及其各向异性的测量是最基本的和最重要的。

张鹏翔,刘玉龙,王焕元,董长江^[4]（1982）在《用激光布里渊散射法测量单晶LiNbO3的声速及其各向异性》文中指出近几年迅速发展起来的激光布里渊散射（Brillouin scattering）是研究固体、液体、气体中低频元激发的有力工具。在它的众多应用中,声速及其各向异性的测量是最基本的和最重要的。 我们应用最近组建起来的布里渊散射谱仪测量了单晶LiNbO3在几个方向上纵声波、横声波的声速,并与文献值进行了对比。初步实验表明,目前声速测量的精度为±1%,结果可靠,方法简便快速。也表明该布里渊散射谱仪是可靠的,可用的。

张鹏翔,刘玉龙,王焕元,董长江^[5]（1981）在《用激光布里渊散射法测量特高频率（GHz）下单晶LiNbO3的声速及其各向异性》文中进行了进一步梳理借助多通压电描的法布里——珀罗干涉仪。Ar+离子激光器及适当的外光路组成了布里渊散射谱仪。用该谱仪测量了单晶LiNbO3在20到40GHz范围内的声速和方向各向异性。

二、用激光布里渊散射法测量单晶LiNbO_3的声速及其各向异性（论文开题报告）

（1）论文研究背景及目的

此处内容要求：

首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景，再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题，并提出你的论文准备的观点或解决方法。

写法范例：

本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。

（2）本文研究方法

调查法：该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。

观察法：用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。

实验法：通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。

文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握研究方法。

实证研究法：依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。

定性分析法：对研究对象进行“质”的方面的研究，这个方法需要计算的数据较少。

定量分析法：通过具体的数字，使人们对研究对象的认识进一步精确化。

跨学科研究法：运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。

功能分析法：这是社会科学用来分析社会现象的一种方法，从某一功能出发研究多个方面的影响。

模拟法：通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。

三、用激光布里渊散射法测量单晶LiNbO_3的声速及其各向异性（论文提纲范文）

（1）微下拉设备研制、单晶生长及功能晶体TbCOB的制备和性能研究（论文提纲范文）

（2）基于晶体光学特性的测试方法及应用研究（论文提纲范文）

四、用激光布里渊散射法测量单晶LiNbO_3的声速及其各向异性（论文参考文献）

• [1]微下拉设备研制、单晶生长及功能晶体TbCOB的制备和性能研究[D]. 原东升. 山东大学, 2016(10)
• [2]基于晶体光学特性的测试方法及应用研究[D]. 刘善文. 山东大学, 2013(11)
• [3]用激光布里渊散射法测量单晶LiNbO3的声速及其各向异性[A]. 张鹏翔,刘玉龙,王焕元,董长江. 第二届全国光散射学术会议论文集（下）, 1983
• [4]用激光布里渊散射法测量单晶LiNbO3的声速及其各向异性[J]. 张鹏翔,刘玉龙,王焕元,董长江. 声学学报, 1982(01)
• [5]用激光布里渊散射法测量特高频率（GHz）下单晶LiNbO3的声速及其各向异性[A]. 张鹏翔,刘玉龙,王焕元,董长江. 第一届全国光散射会议会议指南, 1981

标签：各向异性;  布里渊散射;  晶体生长;  非线性光学材料;  线性系统;