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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:孫玫蘭
研究生(外文):Mei-lan Sun
論文名稱:摻雜質鈮酸鋰晶體光學特性研究
論文名稱(外文):Optical Study of Doped LiNbO3 Crystals
指導教授:賈至達
指導教授(外文):Chih-Ta Chia
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣師範大學
系所名稱:物理研究所
學門:自然科學學門
學類:物理學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:117
中文關鍵詞:鈮酸鋰晶體拉曼散射傅立葉轉換光譜紅外可見紫外吸收光譜激發探測實驗OH- 吸收光譜電磁偏極子
外文關鍵詞:LiNbO3Raman ScatteringFTIRUV/VIS/NIR SpectrumPump-Probe ExperimentOH- Absorption SpectrumPolariton
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由摻鋅雜質鈮酸鋰晶體與摻鋅雜質鈮酸鋰粉末的拉曼光譜以及OH-振動吸收光譜發現,對於不同濃度的摻鋅雜質的取代機制,經由聲子振動模的頻率、半高寬的相對變化與OH-吸收振動模的位置和形狀的改變主要可分為三階段:
(1)、首先,當摻鋅雜質濃度在5 mol. %以下時,NbLi+4主要是被Zn+2所取代,此機制減少了鋰空缺(VLi+1)的數量,卻增加了晶體中的Zn雜質數量。
(2)、當摻鋅雜質濃度在5 mol. %與7.5 mol. %之間時,Zn+2開始只取代鋰原子位置,同時產生一個鋰空缺,因而鋅雜質的持續加入使得雜質數量與空缺數量增加。
(3)、當摻鋅雜質濃度超過7.5 mol. %以後,Zn+2開始取代Nb5+原子並伴隨自補償機制,造成鋰空缺快速減少,摻鋅濃度7.5 mol. %是所有光學特性變化的反曲點,也稱為鈮酸鋰晶體的光學閥值。
摻鐵雜質鈮酸鋰晶體的吸收光譜圖中顯示出與光折變相關的吸收峰,頻率為20747 cm-1,是 (導帶)的價帶電子轉移吸收峰(Intervalence charge transfer band,簡稱IT band),鐵二價與鐵三價分別為電子的施者與受者,所以隨著鐵濃度增加,吸收峰強度增強,同時鈮酸鋰晶體中的自由電子密度也增加,晶體性質更趨向金屬性。
在時間解析激發-探測光學量測中,觀察到鈮酸鋰晶體中3個能量較低的E(TO)聲子-電磁偏極子被同調激發後的行為,這些電磁偏極子的激發與激發光的波向量相關,而偵測所得訊號強度正比於這些電磁偏極子強度的二次方,傅立葉轉換所得訊號的頻率則為這些電磁偏極子頻率的線性組合,同時經由訊號強度擬和得其頻率E(TO1)聲子相關的電磁偏極子的同調時間為2350.9fs,頻率與E(TO2)聲子相關的電磁偏極子的同調時間為1620.6fs,頻率與E(TO3)聲子相關的電磁偏極子的同調時間為1373.5fs,另外脈衝的寬度與光路准直度則影響所能觀測到的訊號頻率範圍。

1、摘要 1
2、緒論 2
2.1 參考資料 4
3、鈮酸鋰的結構及生長特性
3.1 鈮酸鋰晶體結構及物理性質 6
3.2 鈮酸鋰製備
3.2.1 摻鐵雜質鈮酸鋰晶體 8
3.2.2 摻鐵雜質鈮酸鋰晶體 8
3.3 鈮酸鋰晶體缺陷模型 9
3.4 光折變效應 11
3.5 參考資料 14
4、拉曼光譜實驗
4.1 拉曼實驗裝置及原理 16
4.1.1 拉曼光譜儀裝置
4.1.2 拉曼散射原理 18
4.2 拉曼光譜實驗結果與討論
4.2.1 鈮酸鋰晶體之A1(TO)振動模之理論計算 21
4.2.2 摻鋅低溫(10K)下鈮酸鋰粉末之振動模光
譜測量結果與討論 26
4.2.3 摻鋅室溫下鈮酸鋰晶體之A1(TO)振動模光
譜測量結果與討論 31
4.3 結論 37
4.4參考資料 38
5、OH-振動模吸收光譜實驗
5.1 FTIR實驗裝置及原理
5.1.1 光譜儀裝置 39
5.1.2 FTIR光譜量測原理 41
5.2 OH-振動模吸收光譜實驗結果與討論
5.2.1 鈮酸鋰中OH-振動模的物理特性 43
5.2.2 吸收光譜圖 44
5.2.3 氫原子取代鋰原子模型 48
5.3 結論 50
5.4參考資料 51
6、UV/VIS/NIR光譜實驗
6.1 UV/VIS/NIR實驗裝置及原理
6.1.1 光譜儀裝置 52
6.1.2 反射、透射光譜量測原理及光學參數 54
6.2 UV/VIS/NIR光譜實驗結果與討論
6.2.1 摻鐵鈮酸鋰的能帶結構與光學性質 56
6.2.2 吸收、反射及光學參數光譜 58
6.2.3 摻鐵雜質鈮酸鋰晶體能帶躍遷機制 63
6.3 結論 65
6.4參考資料 66
7、時間解析激發-探測電磁偏極子實驗
7.1 時間解析激發-探測電磁偏極子實驗裝置及原理
7.1.1 實驗裝置 67
7.1.2 實驗原理 70
7.2 時間解析激發-探測電磁偏極子結果與討論
7.2.1 激發-探測光的實驗幾何設置與電磁偏極子
的波向量 72
7.2.2 鈮酸鋰電磁偏極子的色散曲線 77
7.2.3 鈮酸鋰之時間解析激發-探測結果分析 81
7.3 結論 89
7.4 參考資料 90
8、附錄 91
9、圖索引 115

第二章
1 A. Räuber and E. Kaldis, In Current Topics in Material Sciences 481 (1978)
2 E. Krätzig, O. F. Schirmer, P. Günter and J. P. Huignard, In Photorefractive Materials and Their Applications I 131 (1988)
3 M. Lawrence, Report on Progress in Phys. 56 363 (1993)
4 D. R. Selviah:MRS Bulletin 50 (1994)
5 A. Ashkin, G. D. Boyd, J. M. Dziedzic, R. G. Smith, A. A. Ballman, H. J. Levinstain, and K. Nassan, Appl. Phys. Lett. 9, 72 (1962)
6 K. Nassau and H. J. Levinstein, J. Appl. Phys. 42 1846 (1966)
7 Van E. Wood, J. Appl. Phys. 44 1391 (1973)
8 T. Volk, N. Rubinina and M. Wöhlecke, J. Opt. Soc. Am. B 11 1681 (1994)
9 T. Volk, M. Wöhlecke, N. Rubinina, A. Reichert and N. Razumovski, Ferroelectrics 183 291 (1996)
10 張克從, 王希敏, 非線性光學晶體材料科學,科學出版社, 194 (1996)
11 G.-Guo Zhong, J. Jian, Z.-Kong Wu, Proc. 11th Intern. Quantum Electronics Conf. IEEE Cat. 80 631 (1980)
12 T. Volk, N. Rubinina, V. Pryalkin, Opt. Lett. 15 996 (1990)
13 F. Abdi, M. Aillerie, M. Fontana, P. Bourson, T. Volk, B. Maximov, S. Sulyanov, N. Rubinina and M. Wöhlecke, Appl. Phys. B 68 795 (1999)
14 T. Volk, B. Maximov, T. Chernaya, N. Rubinina, M. Wöhlecke and V. Simonov, Appl. Phys. B 72, 647 (2001)
15 U. Schlarb, M. Wöhlecke, B. Gather, A. Reichert, K. Betzler, T. Volk. N. Rubinina, Optical Material 4 791 (1995)
16 鍾維烈, 鐵電體物理學,科學出版社, 608(1998)
17 P. Gunter, Phys. Report, 93 199 (1982)
18 P. Gunter, and J. P. Huignard, Photorefractive Materials and Their Applications, Springer-Verlag, Berlin, I (1988) andⅡ(1989)
19 S. I. Stepanov, Rep. Prog. Phys. 57 39 (1994)
20 FENG Huixian, Wen Jinke, Wang Hong and Wang Huafu, Appl Phys. A 51 394 (1990)
21 A. M. Glass, G. E. Peterson, and T. J. Negran, N. B. S. Spectal Publication No 372 on Symposium on Damage in Laser Material (1972) Boulder, CO.
22 G. E. Peterson, A. M. Glass, and T. J. Negran Appl. Phys. Lett. 19, 130 (1971)
23 F. S. Chen, J. Appl. Phys. 41 3279 (1970)
24 M. G. Clark, F. J. Disalvo, A. M. Glass and G. E. Peterson, Joural of Chemical Physics 59 6209 (1973)
25 Masaki Ohira, Zhiming Chen, Tadashi Kasamatsu, Japanese Joural of Applied Physics 30 2326 (1991)
26 T. Volk, N. Rubinina, M. Wohlecke, J. Opt. Soc. Am. B 11 1681 (1994)
27 O. F. Schirmer, O. Thiemann, M. Wohlecke, J. Phy. Chem. Solid. 52 185 (1991)
28 T. R. Volk and N. M. Rubinina, Ferroel. Lett. 14 37 (1992)
29 T. Volk, N. Rubinina, M. Wohlecke, J. Opt. Soc. Am. B 11 1681 (1994)
30 N. Iyi, K. Kitamura, F. Izumi, J. K. Yamamoto, T. Hayashi, H. Asano, and X. Kimura, J. Solid State Chem. 101, 340 (1992)
31 A. P. Wilkinson, A. K. Cheetham, and R. H. Jarman, J. Appl. Phys. 74, 3080 (1993)
32 H. Donnerberg, Joural of solid state chemistry 123 208 (1996)
33 Y. Repelin, E. Husson, F. Bennani and C. Proust, J. Phys Chem. Solids 60 819 (1999)
34 V. Caciuc, A. V. Postnikov and G. Borstel, Phys. Rev. B 61 8806 (2000)
35 W. D. Johnston, Jr. and I. P. Kaminov, Phys. Rev. 168 1045 (1968)
36 D. Heiman and S. Uskioda, Phys. Rev. B 17 3616 (1978)
37 11 O. Albert, M. Duijser, J. C. Loulergue, and J. Etchepare, Optical Society of America 13 29 (1996)
38 J. C. Loulergue, and J. Etchepare, Physical Review B 52 15160 (1995)
39 H. J. Bakker, S. Hunsche, and H. Kurz, Physical Review B 50 914 (1994)
40 O. Albert, C. A. Gautier, J. C. Loulergue, and J. Etchepare, Solid State communications 107 567 (1998)
第三章
1 張克從, 王希敏, 非線性光學晶體材料科學,科學出版社, 194 (1996)
2 P. Lerner, C. Legras and J. P. Duman, Stochiometric desmonocristaux demetaniobate delithium, J. Crystal Growth 3/4 231 (1968)
3 K. Nassau and M. E. Lines, Stacking fault model for stoichiometry deviation in LiNbO3 and LiTaO3 and the effect on the Curie temperature, J. Appl. Phys. 41 533 (1970)
4 J. R. Carruthers, and G. E. Peterson, J. Appl. Phys. 42 1846 (1971)
5 U. Schlarb , M. Wöhlecke , B. Gather, A. Reichert, K. Betzler, T. Volk and N. Rubinina, Optical Materials 4, 791 (1995)
6 T. Volk, N. Rubinina, M. Wohlecke, J. Opt. Soc. Am. B 11 1681 (1994)
7 O. F. Schirmer, O. Thiemann, M. Wohlecke, J. Phy. Chem. Solid. 52 185 (1991)
8 T. R. Volk and N. M. Rubinina, Ferroel. Lett. 14 37 (1992)
9 J. K. Yamamoto, K. Kitamura, N. Iyi, S. Kimura, Y. Furukawa and M. Sato, Appl. Phys. Lett. 61 2156 (1992)
10 D. Xue, K. Betzler and H. Hesse, J. of Phys.: Condens. Matter 12 6254 (2000)
11 R. Piramidowicz, I. Pracka, W. Wolinski and M. Malinowski , J. Phys.: Condens. Matter 12 709 (2000)
12 Y. Kong, W. Zhang, X. Chen, J. Xu and G. Zhang, J. Phys.: Condens. Matter 11 2139 (1999)
13 J. Zhu, S. Zhao, D. Xiao, X. Wang and G. Xu, J. Phys.: Condens. Matter 4 2977 (1992)
14 J.P. Huignard and P. Gunter, Photorefractive Materials and Their Applications:I . Fundamental Phenomena ; Photorefractive Materials and Their Applications:Ⅱ. Applications, (Springer-Verlag, New York, 1988, 1989).
15 S. C. Abrahams and P. Marsh, Acta Crystallogr . Sect. B : Struct. Sci. 42, 61 (1986)
16 G. E. Peterson, A. Carnevale : J. Chem. Phys. 56, 4648 (1972)
17 P. Lerner, C. Legras, and J. P. Dumas, J. Cryst. Growth 3/4, 231 (1968).
18 N. Iyi, K. Kitamura, F. Izumi, J. K. Yamamoto, T. Hayashi, H. Asano, and X. Kimura, J. Solid State Chem. 101, 340 (1992)
19 A. P. Wilkinson, A. K. Cheetham, and R. H. Jarman, J. Appl. Phys. 74, 3080 (1993)
20 H. Donnerberg, Joural of solid state chemistry 123 208 (1996)
21 R. Mouras, M. D. Fontana, P. Bourson, and A. V. Postnikov, J. Phys. Condens. Matter 12 5053 (2000)
22 O. F. Schirmer, O. Thiemann and M. Whlecke, J. Phy. Chem. Solids 52 (1991) 185
23 N. Iyi, K. Kitamura,Y. Yajima and S. Kimura, Joural of Solid State Chemistry 118 148 (1995)
24 N. Zotov, H. Boysen, F. Frey, T. Metzger, and E. Born, J. Phys. Chem. Solids 55, 145 (1994)
25 A. Ashkin, G. D. Boyd, J. M. Dziedzic, R. G. Smith, A. A. Ballman, H. J. Levinstain, and K. Nassan, Appl. Phys. Lett. 9, 72 (1962)
26 鍾維烈, 鐵電體物理學,科學出版社, 608(1998)
27 F. S. Chen, J. Appl. Phys. 40, 3389 (1969)
28 D. Von der Linde, and A. M. Glass, Photorefractive effects for reversible holographic storage of information. Appl. Phys. 8, 85 (1975)
29 N. V. Kukhtarev, V. Markov, and S. Odulov, Opt. Commun. 23, 338 (1977)
30 E. M. Avakyan, K. G. Belabaev. And S. G. Odulov, Sov. Phys. Solid State 25, 1887 (1983)
第四章
1 G. Malovichko, V. Grachev and O. Schirmer, Appl. Phys. B 68 785 (1999)
2 R. Mouras, M. D. Fontana, P. Bourson and A. V. Postnikov, J. Phys.: Condens. Matter 12 5053 (2000)
3 H. Donnerberg, J. Solid State Chem. 123 208 (1996)
4 A. Abdi, M. Aillerie, M. Fontana, P. Bourson, T. Volk, B. Maximov, S. Sulyanov, N. Rubinina and M. Wöhlecke, Appl. Phys. B 68 795 (1999)
5 Y. Repelin, E. Husson, F. Bennani and C. Proust, J. Phys Chem. Solids 60 819 (1999)
6 V. Caciuc, A. V. Postnikov and G. Borstel, Phys. Rev. B 61 8806 (2000)
7 L. J. Hu, Y. H. Chang, M. L. Hu, M. W. Chang and W. S. Tse, J. Raman Spectrosc. 22 333 (1991)
8 V. Caciuc, A. V. Postnikov and G. Borstel, Phys. Rev. B 61 8806 (2000)
9 A. V. Postnikov, V. Caciuc and G. Borstel, J. Phys. Chem. Solids 61 295 (2000)
10 K. Parlinski, Z. Q. Li and Y. Kawazoe, Phys. Rev. B 61 272 (2000)
11 Ross S D, J. Phys. C 3 1785 (1970)
12 A. Abdi, M. Aillerie, M. Fontana, P. Bourson, T. Volk, B. Maximov, S. Sulyanov, N. Rubinina and M. Wöhlecke, Appl. Phys. B 68 795 (1999)
13 T. Volk, N. Rubinina and M. Wöhlecke, J. Opt. Soc. Am. B 11 1681 (1994)
14 R. Mouras, M. D. Fontana, P. Bourson and A. V. Postnikov, J. Phys.: Condens. Matter 12 5053 (2000)
15 M. L. Hu, C. T. Chia, J. Y. Chang, W. S. Tse, and T. Yu, Material chemistry and physics (2002 accepted)
16 T. Volk, B. Maximov, T. Chernaya, N. Rubinina, M. Wohlecke, and V. Simonov, Apply. Phys. B 72 647 (2001)
第五章
1 T. Volk, N. Rubinina, and M. Wohlecke, J. Opt. Soc. Am. B 11 1681 (1994)
2 J. R. Herrington, B. Dischler, A. Rauber and J. Schneider, Solid State Commun. 12 351 (1973)
3 L. Kovaces, V. Szalay, and R. Capelletti, Solid State Commun. 52 1029 (1984)
4 Wang Ho., Wen J., Li, B., and Wang, Hu., Phys. Stat. Sol. (a), 118 (1990)
5 J. M. Cabrera, J. Olivares, M. Carrascosa, J. Rams, R. Muller and E. Dieguez, Advances in physics 45 349 (1996)
6 Kovacs, L., Wohlecke, M. Jovanovic, A., Polgar, K., and Kapphan, S., J. Phys. Chem. Solids 52 797 (1991)
7 L. Kovacs, K. Polgar and R. Capelletti, Cryst. Lattice Defects Amorph. Mater. 15 (1987) 115
8 D. A. Bryan, R. R. Rice, R. Gerson, H. E. Tomaschke, K. L. Sweeney and L. E. Halliburton, Opt. Engng. 24 (1985) 138
9 M. Engelsberg, R. E. de Souza, and L. H. Pacobahyba, Appl. Phys. Lett. 67 359 (1995)
10 Yonmfa Kong, Jingjun Xu, Wanlin Zhang, and Guangyin Zhang, Phys. Lett. A 250 211 (1998)
11 K. Yongfa, D. Jingjun, Z. Wanlin, W. Jinke, Z. Guangyin, and W. Huafu, Physics Letters A 196 128 (1994)
12 Yonmfa Kong, Wanlin Zhang, Xiaojun Chen, Jingjun Xu, and Guangyin Zhang, J. Phys.: Condens. Matter 11 2139 (1999)
13 U. Schlarb, M. Wohlecke, B. Gather, A. Reichert, K. Betzler, T. Volk, and N. Rubinina, Optical Materials 4 791 (1995)
14 F. D. Safaryan, R.S. Feigelson, and A. M. Petrosyan, J. Appl. Phys. 85 8079 (1999)
15 P. Lerner, C. Legras, and J.P. Dumas, J. Cryst. Growth 3-4 231 (1968)
16 N. Iyi, K. Kitamura, F. Izumi, J. K. Yamamoto, T. Hayashi, H. Asano and S. Kimura, J. Solid State Chem. 101 340 (1992)
17 T. Volk, N. Rubinina, M. Wohlecke, and J. Opt. Soc. Am. B 11 1681 (1994)
18 T. Volk, M. Wohlecke, N. Rubinina, A Reichert and N Razumovski, Ferroelectrics 183 291 (1996)
19 K. Yongfa, D. Jingjun, Z. Wanlin, W. Jinke, Z. Guangyin, and W. Huafu, Physics Letters A 196 128 (1994)
20 T. Volk, B. Maximov, T. Chernaya, N. Rubinina, M. Wohlecke, and V. Simonov, Apply. Phys. B 72 647 (2001)
21 S. C. Abrahams, and P. Marsh, Acta Cryst. B 42 61 (1986)
22 F. Abdi, M. Aillerie, M. Fontana, P. Bourson, T. Volk, B. Maximov, S. Sulyanov, N. Rubinina and M. Wöhlecke, Appl. Phys. B 68 795 (1999)
第六章
1 P. Gunter, Phys. Report, 93 199 (1982)
2 P. Gunter, and J. P. Huignard, Photorefractive Materials and Their Applications, Springer-Verlag, Berlin, I (1988) andⅡ(1989)
3 S. I. Stepanov, Rep. Prog. Phys. 57 39 (1994)
4 F. S. Chen, J. Appl. Phys. 41 3279 (1970)
5 N. V. Kukhtarev, Sov. Tech. Phys. Ltt. 2 438 (1976)
6 M. G. Clark, F. J. Disalvo, A. M. Glass, and G. E. Peterson, Joural of Chemical Physics, 59 6209 (1973)
7 O. Masaki, C. Zhiming, K. Tadashi, and S. Tadashi, Japanese Joural of Applied Physics, 30 2326 (1991)
8 M. DiDommenico, Jr., and S. H. Wemple, J. Appl. Phys. 40 720 (1969)
9 A. H. Kahn, and A. J. Leyendecker, Phys. Rev. 135 A1321 (1964)
10 S. K. Kurtz, V. Dvorak, A. Fouskova, and P. Glogar, 1 413 (1996)
11 D. L. Nash, J. Appl. Spectrosc, (1973)
12 A. M. Glass, G. E. Peterson, and T. J. Negran, N. B. S. Spectal Publication No 372 on Symposium on Damage in Laser Material (1972) Boulder, CO.
13 G. E. Peterson, A. M. Glass, and T. J. Negran Appl. Phys. Lett. 19, 130 (1971)
14 H. Kurz, E. Krätzig, W. Keune, H. Engelmann, U. Gonser, B. Dischler, and A. Räuber, Appl. Phys. 12 355 (1977)
15 E. Krätzig, O. F. Schirmer, P. Günter, J. P. Huignard, Topics Appl. Phys. 61 131 (1988)
16 H. Donnerberg, S. M. Tomlinson, S. R. A. Catlow, and O. F. Schirmer, Phys. Rev. B 44 11909 (1989)
17 F. Huixian, W. Jinke, W. Hong, and W. Huafu, Appl. Phys. A 51 394 (1990)
第七章
1 洪勝富 and 齊正中, 物理雙月刊, 二十卷五期 553 (1998)
2 H. J. Bakker, S. Hunsche, and H. Kurz, Physical Review B 50 914 (1994)
3 P. D. Thomas, P. W. Gary, A. N. Keith, H. G. Mark, and P J. Hans, Physical Review B 50 8996 (1994)
4 Q. Tiequn, T. Torsten, and M. Max, Optics Communications 119 149 (1995)
5 H. J. Bakker, S. Hunsche, and H. Kurz, Review of Modern Physics, 70 523 (1998)
6 P. C. M. Planken, L. D. Noordam, J. T. M. Kennis, and A. Lagendijk, Physical Review B 45 7016 (1992)
7 S. D. Silvestri, J. G. Fujimoto, E. P. Ippen, E. B. Gamble, Jr., L. R. Williams, and K. A. Nelson, Chem. Phys. Lett. 116 146 (1985)
8 S. Ruhman, A. G. Joly, and K. A. Nelson, J. Chem. Phys. 86 6563 (1987)
9 T. P. Dougherty, G. P. Wiederrecht, and K. A. Nelson, ferroelectrics 120 79 (1991)
10 J. C. Loulergue, and J. Etchepare, Physical Review B 52 15160 (1995)
11 O. Albert, M. Duijser, J. C. Loulergue, and J. Etchepare, Optical Society of America 13 29 (1996)
12 C. A. Gautier, J. C. Loulergue, and J. Etchepare, Solid State communications 100 133 (1996)
13 O. Albert, C. A. Gautier, J. C. Loulergue, and J. Etchepare, Solid State communications 107 567 (1998)
14 A. S. Barker, Jr. , and R. Loudon, Physical Review 158 433 (1967)

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