铌酸锂晶体的非本征缺陷铌酸锂晶体扩散理论定律及相关参数确定方法影响扩散的因素扩散研究方法原理第三章钪扩散掺杂铌酸锂晶体的制备及表征稀土元素钪氧化钪的烧结过程掺钪铌酸锂晶体的制备样品清洗镀膜热扩散过程样品表征掺杂对铌酸锂晶体折射率的影响掺杂对铌酸锂晶体表面浓度的影响扩散特性的研究分析二次离子质谱分析计算钪离子的扩散系数计算钪离子的扩散常数以及激活能计算钪离子的表面浓度本章小结第四章钪钛扩散掺杂铌酸锂光波导初步研究钪掺杂平面光波导的制作及表征平面光波导的制作平面光波导表征波导层折射率分布与钛离子浓度分布关系钛离子加速钪离子扩散钪掺杂钛扩散抗光折变铌酸锂条波导制作的初步研究钪掺杂钛扩散铌酸锂条形光波制作样品测试导模的近场分布模斑采集波导损耗测试波导的抗光折变性讨论本章小结第五章总结与展望总结展望参考文献发表论文和参加科研情况说明致谢第章绪论第章绪论集成光学概述我们所熟知的传统的光学元件般都是体积大光路的稳定性较差以及调准困难，由于这些弊端离散光学慢慢地不再能够适应现代光电子技术的发展需要。为了满足要求，光学元件必须进行集成化，光波导应运而生。年，科学家和提出了集成光波导器件和电子器件的设想。从那个时候开始，研究人员就开始尝试着利用各种不同的材料和制备的方法来制作新型的光波导器件。在这其中，最重要的光波导器件就是微型光源器件以及低损耗的传光器件。光波导引领的集成光学系统具有以下优点光波导在进行传输过程中导波光波比较容易被控制以及保持较大的能量。光路稳定。集成光学是将若干个器件集成制作在同块衬底上，因而也就不存在离散光学器件的组装问题，光路调试问题，可以持续保证组合的稳定，对外界环境中的振东和温度等因素有比较强的适应性。这应该是集成光学的最大特点。功率密度高。光波大部分被控制在波导层内，所以能持有很高的光功率密度，也就易于满足元件的工作功率要求。体积变小。波导元件大多被设计于厘米量级的基底材料上，必然造成其本身的体积小。我们处于信息时代，最显著的特征是信息的数量巨大传递方便而且快处理十分迅速。因此，光波导最常见的应池耗尽，时，扩散离子的浓度分布方程表示为，时，扩散离子的浓度分布方程可近似表示为高斯函数，由质量守恒定律得，式扩散离子的表面浓度为第二章铌酸锂的晶体结构与扩散理论式中指的铌酸锂晶体表面最初镀上的扩散物质层的密度，为该物质的镀膜厚度，为扩散原子的相对质量，为阿伏伽德罗常数。经过以上分析，我们只需要得到扩散离子的浓度分布就可以通过以上方程求解得到扩散离子的扩散系数以及表面浓度。方法之前的讨论分析中，我们为了方便，假设扩散系数仅仅是温度的函数，和扩散离子本身的浓度无关。我们知道实际扩散过程中，扩散系数也同样是离子浓度的函数，而离子浓度仅仅是位置的函数，在铌酸锂晶体中也就是的函数，所以应该是温度和位置的函数。现在，我们就做进步分析，得到非齐次方程，将该式用变量进行简化后，上式就转化为齐次微分方程当进行适当简化后，上式在至间的积分写为我们扩散时间间的隔确定后，扩散离子浓度分布般也是固定的，因此上式可表示为第二章铌酸锂的晶体结构与扩散理论将用上式表示为当扩散系数受组分影响较大时，可以用该公式推导扩散系数与组分浓度的关系，并求解。影响扩散的因素现在我们都知道，扩散离子在晶体中扩散的过程受到很多方面的影响，单就说几个重点因素有以下几个扩散环境的温度根据以往我们的经验，通过利用二次离子质谱分析得到的数据，拟合得到扩散离子的浓度分布，再通过浓度分布函数求得的扩散系数都能很好的符合指数函数，以上这个方程也称作公式，公式中的表示玻尔兹曼常数，表示离子的扩散常数，是离子扩散的激活能。从以上公式我们不难看出，扩散离子在铌酸锂晶体表面的扩散系数与扩散温度成指数关系。从上式中我们可以看到，扩散过程中影响扩散系数的主要因素是温度，而温度之所以成为决定扩散系数的主因，是因为当温度升高以后，离子运动的能量增加，能够超过势垒能量的离子出现的概率变大，因此突破势垒扩散进入晶体的离子数目就会增加，扩散系数自然也就变大了。扩散离子或者晶体的组成成份材料组分对扩散离子扩散系数的影响主要有以下几个方面个方面是扩散离子的浓度。从节的讨论我们可以知道，离子扩散过程中，对于扩散离子如果本身的浓度越大，该离子的扩散也就越快，其扩散系数也就越大当然在种确定的晶体内，离子的浓度是有上限的，也就是我们所说的固体溶解度，当第二章铌酸锂的晶体结构与扩散理论离子浓度维持在最大值固体溶解度时，此时般是因为扩散离子在扩散表面存在扩散池，其扩散系数就与浓度没有关系了，只与温度有关。当然，扩散系数除了与扩散离子的浓度有关以外，扩散离子的性质与晶体中各离子的性质差距尤其是物理性质也会在很大程度上影响离子的扩散速度。比如，当扩散离子与晶体本身的离子性质差别很大，当扩散离子进入到晶体以后，会替代晶体之前的个占位，此时晶体的晶格必然会发生很大变化，这种大的变动会使晶体内原有的离子更容易失去之前的平衡位置，而产生空位让扩散离子更加容易进入晶格，也就是说扩散离子能够更加轻松，更加快的进入到晶体内部，扩散系数也就越大还有个影响因素就是晶体本身是否已经携带了大量的杂质。如果晶体本身就有杂质存在，那么其晶格已经没有办法保持在纯的晶体时期的晶格结构，也就是说，此时晶格中的离子激活能已经比最初的离子激活能下降了很多，也就是晶体内现有原子更加容易被新的扩散离子取代位置进行扩散，这个过程的解释与上个因素相似，总之因为晶体携带了杂质，使得新的扩散离子的扩散系数增加了。晶体中原子的组成结构扩散离子进入晶体后，晶体本身的致密度会在很大程度上影响离子的扩散速度。如果晶体的致密度很高，也就是说晶体本身的原子与原子之间的距离就很小，所以原子之间的引力就会很大，需要破坏这层结构也就需要更大的能量，所以扩散离子也就很难进步前进，扩散系数就小当然，如果晶体是各向异性的晶体，那么在不同的扩散方向上扩散离子所需要克服的经体内原子之间的结合能不同，因此扩散系数也就各不相同。此外，如果晶体内已经有很多的缺陷结构，那么这些结构也会导致扩散离子能在更低的能量下进入到晶体的内部，所以晶体存在缺陷结构也会影响扩散离子的扩散系数。当然，晶体内的缺陷结构越多的话，离子的扩散系数也就越大。扩散研究方法原理根据本节第小节和第二小节的推理分析，我们看到要想计算扩散过程中的各项参数，就必须通过实验得到扩散过后的离子在铌酸锂晶体中的浓度分布，得到了这些数据以后，我们才能结合前两小节的理论分析进行下步的计算工作。现在，我们就介绍下在研究扩散机制过程中常用的几种研究的技术手段二次离子质谱分析众所周知，二次离子质谱分析技术是目前来说分析固体表面原子排列的最常用的技术，技术手段已经相当成熟而且信息量很大，本论文所用的分析钪掺杂铌酸锂晶体和波导近表面离子分布的技术都是二次离子质谱分析技术，该技术能够第二章铌酸锂的晶体结构与扩散理论做到准确读取样品表面以及近表面深度的原子排列分布，用该技术得到实验结果与相应的理论分析能很好的相符。这个技术能够有如此出色的表现，它的分析原理是采用携带巨大能量的次离子束去轰击被测样品的表面，由于次离子的动能很大，将会在样品表面轰击出定深度的表面坑，并且伴随着样品在深度方向上排列的离子被轰击出来，随着次离子的不断轰击，就会有对应深度的样品离子被不断地轰击出来。而这些被轰击出来的离子被称为二次离子，这些离子出来时被放置在样品表面不远处的质谱仪探测到，然后利用质谱仪分析这些不同离子的荷质比，以确定其元素成分。当然，这里还有点是必须说明的，就是次离子轰击的表面坑尺寸远远大于原子分子的尺寸，因此样品中各元素的比例与轰击出来的然后被质谱仪探测到的不同元素离子的比例是相同的，所以经过质谱仪确定的探测到不同离子的身份以及各自的比例是与样品中元素的比例相同的，至于具体数目肯定是不同的。不管怎样，到这里就可以确认样品表面的成分以及各自的比重。实验从轰击形成的陨石坑中心大小为的区域探测正的二次离子，并且采用电子枪发射低能电子流用来中和正电荷，降低表面电荷积聚。同样为了减少表面电荷积聚，我们在进行二次离子质谱实验之前先在样品表面镀上厚的金属银以排去积聚电荷。从轰击的表面坑的尺寸，我们可以看，次离子轰出的样品的离子数目是巨大的，而且二次离子质谱本身的噪音是比较低的，所以这种技术探测的灵敏度是非常高的，探测精度甚至能达到样品中含量仅百万分之的组份。任何技术有其成功之处也必然有其缺陷，二次离子质谱技术也不例外，显然经过分析后的样品表面是被破坏掉了，这使得我们在实验过程中制备的样品无法进行重复利用。扫描隧道显微技术这种技术的原理是隧道效应。实验用非常非常细的金属探针去接近被测样品的表面，当距离小到定程度时，样品中的电子就会克服势垒效应通过探针形成电流。电流的大小受到探针与样品表面原子的距离的影响，距离越小电流大，距离大电流小。当掌握了这个信息以后，就可以利用电流大小与二者距离的关系。实验时保持探针与样品表面的距离不变，然后让探针在样品表面移动，后端会采集探针获得的电流，最后根据采集到的电流的大小识别样品表面的元素，并得到各个原子的排列顺序。这个技术在使用的时候，探针时刻与样品表面保持个固定的特别小的距离，但是并不会接触样品表面，因此也就不会像二次离子质谱技术那样对样品表面进行不可修补的破坏。而且实验过程没有外来射线束，所以没有关于因为射线波动导致的扫描分辨率等问题的发生，当然也不会对样品表面的原子排列有任何钪钛扩散掺杂铌酸锂晶体制备及性能表征学科专业光学工程研究生邱丛贤指导教师张德龙教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零四年十二月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签