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铌酸锂（LiNbO3,LN）晶体是一种多功能晶体材料,是重要的无机非金属材料。它在许多方面具有优异的性质,例如压电、铁电、热释电、非线性光学、电光、光弹性、光折变等。它化学性质稳定,基本不与常见的强酸强碱反应;热稳定性也非常优异,即使在1000℃以上也不会发生分解。铌酸锂最常见的生长方法为提拉法,因为它性质稳定,硬度适中,所以加工比较方便。经过几十年的研究,已经实现批量化生产,所以成本较低,是少数不断开辟应用新领域的重要功能材料。铌酸锂晶体具有非化学计量性,晶体中的锂铌比通常不是1:1。传统提拉法生长的同成分铌酸锂晶体（Congruent lithium niobate,CLN）在晶体和熔体中组分一致,易于生长,但是同成分晶体中锂元素的缺失,造成了晶体中在锂位产生空位,同时有部分铌离子进入锂位以实现电荷补偿。由此还将产生铌空位、氧空位等严重影响其物理性能,对它的应用和推广形成很大阻碍。生长近化学计量比铌酸锂晶体（stoichiometric lithiumniobate,SLN）和掺杂铌酸锂晶体是减少缺陷、改善功能的两种最常见的方式。近化学计量比铌酸锂晶体与同成分晶体相比,物理性能大幅度提高,但是因为偏离同成分点导致较难生长;在同成分铌酸锂晶体中进行MgO掺杂同样可以起到提高晶体质量的作用;在铌酸锂基质中掺杂稀土离子（Nd、Er等）可以获得激光自倍频晶体。然而,掺杂晶体因为掺杂均匀性问题生长困难,并且,如果掺杂元素分布不均匀,晶体中就会形成散射颗粒,更加严重地影响晶体品质和物理性能。因此,生长低缺陷浓度的近化学计量比铌酸锂晶体、掺杂均匀的各种铌酸锂晶体一直是晶体生长工作人员的最重要的研究目标。为解决晶体的生长问题,本论文首先研究了同成分铌酸锂晶体的元素掺杂均匀性的问题,并首创了部分液相法来合成多晶料以期获得更加理想的离子掺杂均匀性。在此基础上,生长了双掺同成分晶体和两种双掺近化学计量比晶体,主要工作要点如下:1.掺镁铌酸锂缺陷模型晶体构建与缺陷研究:为了研究铌酸锂晶体中氧化镁的存在状态,通过在多晶料中添加微米级别的合成氧化镁颗粒,生长了掺镁CLN缺陷模型晶体。利用电子探针显微镜（EPMA）,高分辨透射电镜（HRTEM）中电子能量损失谱（EDX）、电子能谱分析（EDS）面扫描以及压电力显微镜（PFM）面扫描等对晶体中的氧化镁颗粒及其周围基质进行了研究。通过研究发现,晶体生长过程中的熔料和高温均化过程,并不能完全使氧化镁进入晶体晶格,残余的氧化镁颗粒作为包裹体独立地存在于铌酸锂基质中,并且在其周围有一个浓度过渡层。残余氧化镁颗粒不但引起周围铌酸锂基质的晶格畸变,而且影响周围的压电和光学性能。2.掺镁铌酸锂晶体多晶料的"部分液相"合成法比较固相法和液相法制备多晶料的优缺点后,提出了掺杂铌酸锂多晶料合成的新方法——"部分液相法",即将掺杂元素的氧化物溶解,与其它固体氧化物原料一起进行喷雾干燥后进行煅烧合成。利用部分液相法制备了 MgOCLN和MgOSLN多晶料,通过研究不同温度对合成粉体的性质的影响,研究了掺镁铌酸锂多晶料的合成过程。合成的掺镁铌酸锂多晶料是颗粒大小均匀的球状结构,直径在10μm左右。较低的合成温度下,合成粉体中会出现LiNb3O8这样的杂相。当温度升高到1100℃以上时,LiNb308相转变变为LiNbO3相,形成纯相铌酸锂多晶料。3.掺镁近化学计量比与镁-钕双掺近化学计量比铌酸锂晶体的生长与性能研究利用部分液相法制备的原料生长了 MgOCLN晶体和Nd:Mg:CLN晶体。对MgOCLN晶体的光学均匀性和摇摆曲线进行测试,发现晶体的品质良好,进而说明镁离子通过部分液相法掺杂要优于固相法。对MgOCLN晶体的热学性质进行了研究,比较了 z轴和x轴的区别。发现z轴对于温度要比x轴更敏感。在单掺和双掺CLN晶体的基础上,研究生长了 MgOSLN和Nd:Mg:SLN晶体。详细研究了双掺CLN和双掺SLN晶体的几种重要的物理性质,并尝试讨论这些性质对晶体生长的利弊,对晶体应用的影响。测量了不同浓度双掺CLN和双掺SLN晶体的光学性质,其透过范围覆盖了紫外、可见和近红外波段,透过率较高。经过吸收边的测算,得出了晶体的铌锂比完全符合经典的同成分和化学计量比的比例关系。并通过吸收边的迁移,研究了掺杂元素镁和钕的占位问题。通过偏振光谱,分析其特征峰的性质。光学均匀性的测试表示晶体具有良好的均匀性,达到激光实验所需的要求。测量了不同浓度双掺CLN晶体和双掺SLN晶体的几种热学性质。几种晶体在热学性质方面c轴与a轴表现出很大的不同。而我们生长的SLN晶体和Mg:SLN晶体的各向异性更显著,晶体的各向异性使晶体不能均匀变化,不利于晶体生长和加工,所以SLN晶体在生长和加工上需要一些额外的工艺。SLN晶体的热导率明显优于CLN晶体,所以SLN晶体更适合应用于非线性光学和激光技术领域。4.稀土离子双掺近化学计量比铌酸锂晶体的生长与光谱性能利用"部分液相法",实现了直径一英寸的Er:Yb:SLN晶体的生长,物相鉴定证明了晶体成分符合化学计量比,而且晶体中Er和Yb元素掺杂均匀。对Er:Yb:SLN晶体进行加工,测试了晶体的吸收光谱、发射光谱和激发光谱。发现掺入Er,Yb以后,偏振吸收光谱的谱峰并不发生劈裂,980nm处的吸收峰并不是劈裂形成的,而是Yb能级的跃迁以及Yb向Er的能量传递导致的。激发光谱最高峰在381 nm,偏振发射光谱的结果表明在1030 nm处的荧光并不具有偏振性,而1500nm处的荧光大部分为y偏振光。并计算了此处的发射截面,x、y、z偏振的发射截面依次为0.59×10-21cm2,8.3×10-21cm2和0.53×10-21ccm2。测定了 Er:Yb:SLN晶体在1000 nm和1500 nm下的荧光寿命,结果分别为275.3 μs和3121.1μμs。这与双掺CLN晶体的荧光寿命类似。尝试在980 nm激发下检测Er:Yb:SLN晶体的上转换荧光,发现在530nm,550nm,600nm和610nm处有上转换荧光。