铌酸锂晶体的主要应用

铌酸锂晶体的主要应用如下:

1. 压电陶瓷应用

铌酸锂晶体居里温度高，压电效应温度系数小，机电耦合系数高，介电损耗低，物理化学性能稳定，可加工性好，易于制备成大尺寸、高质量的晶体。这使它们成为一种优秀的压电晶体材料。与常用的压电晶体石英相比，铌酸锂晶体具有更高的声速，可以制作高频器件。

因此，铌酸锂晶体可用于谐振器、换能器、延迟线、滤波器等，应用于移动通信、卫星通信、数字信号处理、电视、广播、雷达、遥感、遥测等民用领域，也可用于电子对抗、引信、制导系统等军事领域。最广泛使用的应用是表面声波滤波器(SAWF)，如图8所示。

20世纪70年代以来，由铌酸锂晶体制成的中频表面声波滤波器已广泛应用于彩电、无绳电话、电子遥控器等领域。

到2010年，随着硅可调谐集成芯片的应用，电视中频表面声波滤波器基本退出市场。在移动通信领域，从20世纪80年代开始，移动通信从2G、3G、4G到5G不断更新，移动终端必须向后兼容，这导致对表面声波滤波器的需求急剧增加。

考虑到每个频段需要两个滤波器，每部手机所需的表面声波滤波器的数量可达上百个以上，其中大部分采用铌酸锂和钽酸锂晶体制备，尤其是铌酸锂晶体已广泛应用于温度补偿表面声波滤波器(TCSAW)中。

对于压电应用而言，铌酸锂晶体的组成对声速有显著影响，由于居里温度对晶体组成非常敏感，因此必须严格控制其波动范围。因此，居里温度常被用来表征晶体组成的一致性。此外，晶体的域化将直接影响晶体的压电性能。

因此，用于压电器件的铌酸锂晶体所需的技术指标主要包括居里温度、畴化和内部散射颗粒。在晶体中传播的波长较长的机械波对比波长小得多的晶格缺陷不敏感。满足压电应用要求的晶体通常被称为“声学级铌酸锂晶体”。

声学级铌酸锂晶体的切割方向与具体应用有关。沿y轴切割的铌酸锂晶体具有较高的机电耦合系数，但体波激发过大，导致应用较少。相反，沿<101-4>方向切割的晶体体波激发较少，应用更广泛，该方向也用于TCSAW;<101-4>方向为Y轴绕x轴逆时针旋转127.86°，

俗称128°Y铌酸锂晶体。此外，沿64°Y和41°Y方向切割的铌酸锂晶体更适合制备高频产品，已得到广泛应用。目前，用于压电应用的铌酸锂晶体的尺寸已达到6英寸。

此外，1982年Lewis报道了铌酸锂晶体的热释电效应对表面声波器件制备的影响，发现铌酸锂晶体的热释电效应会导致电极和晶体的破坏，可以通过使用高阻金属对电极进行短路来抑制。

1998年，Standifer等人采用化学还原处理方法，使铌酸锂晶体的光吸收提高了1000倍，光刻时更窄更细的线曝光质量得到改善，晶体的电导率也提高了10^5以上，抑制了表面声波器件工艺中热处理过程中热释电效应对指间电极的损伤。

用这种方法制备的铌酸锂片被称为“黑铌酸锂”，在表面声波滤波器中得到了广泛的应用。

2. 光学应用程序

铌酸锂晶体除具有压电效应外，还具有丰富多样的光电效应，其中电光效应和非线性光学效应性能突出，应用广泛。铌酸锂晶体可以通过质子交换或钛扩散制备成高质量的光波导，也可以通过极化反转制备成周期性极化晶体。

因此，它们被广泛应用于电光调制器(如图9所示)、相位调制器、集成光开关、电光q开关、电光偏转、高压传感器、波前探测器、光学参量振荡器、铁电超晶格等器件中。

此外，基于铌酸锂晶体的应用，如双折射楔棱镜、全息光学器件、红外热释电探测器和掺铒波导激光器也有报道。

与压电应用不同，这些涉及光传输的应用对铌酸锂晶体有不同的要求。首先，在光学应用中，通过铌酸锂晶体传播的光波的波长从数百纳米到几微米不等。不仅要求晶体具有优异的光学均匀性，而且要严格控制晶体缺陷，使其在尺度上与光波波长相当。

其次，由于光学应用通常需要控制光波通过晶体传播时的相位和偏振等参数，这些参数直接关系到折射率及其在晶体内的分布。因此，还需要尽可能地消除晶体中的内应力和外应力，以避免光弹性效应引起的应力诱导双折射。

满足光学应用要求的铌酸锂晶体通常被称为“光学级铌酸锂晶体”。

光学级铌酸锂晶体主要沿z轴和x轴生长。z轴是铌酸锂晶体的最高对称轴。沿此方向生长晶体，使晶体的对称性与热场的对称性一致，有利于高质量晶体的生长。

因此，当器件需要将晶体切割成块状或不规则形状时，往往采用沿z轴生长的晶体，铁电超晶格器件也采用z轴铌酸锂晶体片制备。

x轴铌酸锂晶体主要用于制备x -切割铌酸锂晶片，与从半导体工艺发展而来的切割、倒角、研磨、抛光、光刻等后续加工技术相兼容，应用于大多数电光调制器、相位调制器、双折射楔棱镜、波导激光器等。

3.介电超晶格

1962年，Armstrong等人首先引入了准相位匹配(quasi-phase-matching, QPM)的概念，利用超晶格提供的倒易晶格向量来补偿光学参量过程中的相位失配。铁电材料的极化方向决定了非线性磁化率的符号χ^(2)。

通过在铁电材料内部形成具有相反极化方向的周期性畴结构，可以实现准相位匹配技术。铌酸锂、钽酸锂、磷酸钛酸钾等晶体都可以制备成周期性极性晶体，其中铌酸锂晶体是该技术制备和应用最早、应用最广泛的材料。

1969年，Camlibel提出，可以使用高于30 kV/mm的高电场来逆转铌酸锂等铁电晶体中的铁电畴。然而，如此高的电场容易击破晶体，并且当时的技术条件使得难以制备精细的电极结构和精确控制畴极化反转过程。

随后，人们尝试通过交替铌酸锂晶体的极化方向来构建多畴结构，但能够实现的晶片数量有限。1980年，Feng等人利用偏心生长方法，将晶体旋转中心与热场的对称中心相偏移，获得了周期性极化畴结构，实现了1.06 μm激光的倍频输出，验证了准相位匹配理论。

然而，这种方法在周期结构的精细控制方面存在很大的困难。1993年，Yamada等人将半导体光刻与外电场法结合，成功解决了周期性畴极化反转过程，外电场极化法逐渐成为周期性极化铌酸锂晶体的主流制备技术。

目前，周期性极化的铌酸锂晶体已经商业化，其厚度可以达到5毫米以上。

周期极化铌酸锂晶体的初期应用主要考虑在激光变频方面的应用。早在1989年，Ming等人就基于铌酸锂晶体的铁电畴结构提出了介电超晶格的概念，其中超晶格的互易晶格矢量将参与光波和声波的激发和传播。

1990年，Feng和Zhu等人提出了多重准相位匹配理论。1995年，Zhu等人利用室温极化技术制备了准周期介质超晶格，并于1997年进行了实验验证，首次在准周期超晶格上实现了倍频和和频两个光学参数过程的有效耦合，实现了高效的激光三倍。

2001年Liu等人设计了一种基于准相位匹配的三原色激光器方案。2004年，Zhu等人实现了用于多波长激光输出的光学超晶格的设计及其在全固态激光器中的应用。

2014年，Jin等人设计了一种基于可重构铌酸锂波导光路的光学超晶格集成光子芯片，如图10所示，首次在芯片上实现了高效产生纠缠光子和高速电光调制。

2018年，Wei et al.和Xu et al.制备了基于铌酸锂晶体的三维周期畴结构，2019年，他们利用三维周期畴结构实现了高效的非线性光束整形。

介质超晶格理论的提出和发展，将铌酸锂晶体等铁电晶体的应用推向了一个新的高度，在全固态激光器、光频梳、激光脉冲压缩、光束整形、量子通信中纠缠光源等领域具有重要的应用前景。