铌酸锂

概述特点铌酸锂晶体铌酸锂的结构及物理属性光学特性主要应用美国研发铌酸锂制造新技术铌酸锂试剂级价格

铌酸锂

CAS号:12031-63-9
英文名:LITHIUM NIOBATE
中文名:铌酸锂
CBNumber:CB1381454
分子式:LiNbO3
分子量:147.85
MOL File:12031-63-9.mol

铌酸锂化学性质

熔点 :1275°C
密度 :4,659 g/cm³
折射率 :2.3055 (457 nm 160℃)
形态 :Powder
颜色 :white
水溶解性 :Soluble in water.
稳定性 :Stable. Incompatible with strong oxidizing agents.
CAS 数据库 :12031-63-9(CAS DataBase Reference)
EPA化学物质信息 :Lithium niobium oxide (LiNbO3) (12031-63-9)

安全信息

安全说明 :22-24/25
WGK Germany :3
RTECS号 :QT9800000
TSCA :Yes

铌酸锂性质、用途与生产工艺

概述
铌酸锂是铌、锂、氧的化合物，是一种自发极化大（室温时 0.70 C/m2）的负性晶体，是目前发现的居里温度最高（1210 ℃）的铁电体。
特点
铌酸锂晶体有两个特点尤为引人关注，一是铌酸锂晶体光电效应多，具有包括压电效应、电光效应、非线性光学效应、光折变效应、光生伏打效应、光弹效应、声光效应等多种光电性能；二是铌酸锂晶体的性能可调控性强，这是由铌酸锂晶体的晶格结构和丰富的缺陷结构所造成，铌酸锂晶体的诸多性能可以通过晶体组分、元素掺杂、价态控制等进行大幅度调控。
另外铌酸锂晶体的物理化学性能相当稳定，易于加工，光透过范围宽，具有较大的双折射，而且容易制备高质量的光波导，所以基于铌酸锂晶体的光调制器在长距离通信中有着无可比拟的优势——不仅具有很小的啁啾(chirp)效应、高调制带宽、良好消光比，而且稳定性相当优越，是高速器件中佼佼者，因此被广泛应用于高速高带宽的长距离通信中。
铌酸锂晶体铌酸锂晶体是1965年由前苏联Fedulov和美国Ballman合成。历经四十多年的发展，铌酸锂不仅成为非常重要的非线性光学晶体，而且随着化学计量比铌酸锂晶体和准相位匹配技术（QPM）的发展，仍然是目前非线性光学晶体研究领域的热点。
铌酸锂晶体常被简写作LN或LNB，熔点约1253℃，负单轴晶，三方晶系，透光波段0.4－5μm。铌酸锂集多种物理效应于一身，具有压电、电光、非线性、光电、光折变、双折射、热释电和激光活性等效应。
铌酸锂晶体制作的光波导基片、电光调Q开关、声表面波器件、双折射楔角片、超晶格结构等，广泛应用在波导调制器、激光陀螺、调Q激光器、叉指滤波器、光隔离器、光环行器、光参量振荡器等器件中，这些器件在光通讯、航空航天、军工、电子行业及科学研究等领域占据重要的地位。
铌酸锂的结构及物理属性
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晶体结构:

Trigonal, Space group R_3C, Point group 3m

单元参数

a=5.148Å , c=13.863 Å

熔点

1253°C

居里温度

1140°C

莫斯硬度

5

密度

4.64 g/cm³

光学均匀性

~5x10^-5/cm

透明度范围

420nm-5200nm

吸收系数

~0.1%/cm@1064nm
光学特性
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透明度范围

420-5200nm

光学均匀性

~ 5 x 10^-5 /cm

1064nm的折射率

n_e = 2.146, n_o = 2.220 @ 1300 nm
n_e = 2.156, n_o = 2.232 @ 1064 nm
n_e = 2.203, n_o = 2.286 @ 632.8 nm

非线性系数

d₃₃ = 86 x d₃₆ (KDP)
d₃₁ =11.6 x d₃₆ (KDP)
d₂₂ = 5.6 x d₃₆ (KDP)

电光系数

g^T₃₃ = 32 pm/V, g^S₃₃ = 31 pm/V,
g^T₃₁ =10 pm/V, g^S₃₁₌8.6 pm/V,
g^T₂₂ = 6.8 pm/V, g^S₂₂= 3.4 pm/V,

半波电压,直流,

3.03 KV
4.02 KV

损坏阈值

100 MW/cm² (10 ns, 1064nm)

Sellmeier 方程式 (l in mm):
n²_o=4.9048+0.11768/(λ²-0.04750)-0.027169λ²
n²_e=4.5820+0.099169/(λ²-0.04443)-0.02195λ²
说明:
波前畸变: 小于λ/4 @ 633 nm
尺寸公差: (W ± 0.1 mm) x (H ± 0.1 mm) x (L ± 0.2mm)
通光孔径: 中心区域> 90%
平面度：小于 λ/8 @ 633nm
波前畸变: 小于λ/8 @ 633nm
角度公差: < ± 0.5°
主要应用（1）压电应用
铌酸锂晶体居里温度高，压电效应的温度系数小，机电耦合系数高，介电损耗低，晶体物化性能稳定，加工性能良好，又易于制备大尺寸高质量晶体，是一种优良的压电晶体材料。
与常用的压电晶体石英相比，铌酸锂晶体声速高，可以制备高频器件，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、电视机、广播、雷达、遥感遥测等民用领域以及电子对抗、引信、制导等军事领域，其中应用最为广泛的是声表面波滤波器件(SAWF)。
（2）光学应用
除压电效应外，铌酸锂晶体的光电效应非常丰富，其中电光效应、非线性光学效应性能突出，应用也最为广泛。而且铌酸锂晶体可以通过质子交换或钛扩散制备高品质的光波导，又能够通过极化翻转制备周期性极化晶体，所以在电光调制器、相位调制器、集成光开关、电光调Q开关、电光偏转、高电压传感器、波前探测、光参量振荡器以及铁电超晶格等器件中得到广泛应用。
此外，双折射楔角片、全息光学器件、红外热释电探测器以及掺铒波导激光器等基于铌酸锂晶体的应用也有报道。
（3）介电超晶格
1962年Armstrong等首次提出了准相位匹配 (QPM，Quasi-Phase-Match) 的概念，利用超晶格提供的倒格矢来补偿光参量过程中的位相失配。铁电体的极化方向决定非线性极化率χ2的符号，将铁电体内制备出周期性极化方向相反的铁电畴结构就能够实现准位相匹配技术，包括铌酸锂、钽酸锂、磷酸钛氧钾等晶体都可以制备周期极化晶体，其中铌酸锂晶体是制备和应用该技术研究最早、实际应用最为广泛的材料。
周期极化铌酸锂晶体的初期应用主要考虑应用于激光频率变换，2014年Jin等设计了基于可重构铌酸锂波导光路的光学超晶格集成光子芯片，首次实现了芯片上纠缠光子高效产生和高速电光调制。
可以说，介电超晶格理论的提出和发展，将铌酸锂晶体及其他铁电晶体应用推向一个新高度，在全固态激光器、光学频率梳、激光脉冲压缩、光束整形以及量子通信中的纠缠光源等方面具有重要的应用前景。
美国研发铌酸锂制造新技术铌酸锂是最广泛使用的光电材料之一，其电光特性出众，这意味着它可以有效将电子信号转换成光信号。铌酸锂调制器是现代通信技术的支柱，其可以将电子数据转换为光缆末端的光信息。但是，使用铌酸锂却难以小规模地制造高质量器件，迄今为止，这一难题排除了铌酸锂在实用集成片上的应用。日前，哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员已经开发出一种技术，使用铌酸锂制造高性能光学微结构，从而打开了通往超高效集成光子电路、量子光子学及微波—光转换等领域的大门。
化学性质铌酸锂晶体简称LN，属三方晶系，钛铁矿型(畸变钙钛矿型)结构。相对密度4.30，晶格常数α=0.5147 nm，c=1.3856 nm，熔点1240℃，莫氏硬度5，折射率n0=2.797，ne=2.208(λ=600 nm)，界电常数ε^s¹¹=44，ε^s³³=29．5，ε^T¹¹=84，ε^T³³=30，一次电光系数γ13=γ23=10×10^-12m／V，γ33=32×10^-12m／V．Γ22=-γ12=-γ61=6.8×10^-12m／V，非线性系数d31=-6.3×10^-12 m／V，d22=+3.6×10^-12m／V，d33=-47×10^-12m／V。铌酸锂是一种铁电晶体，居里点1210℃，自发极化强度50×10^-6C／cm²'。经过畸化处理的铌酸锂晶体具有压电、铁电、光电、非线性光学、热电等多性能的材料，同时具有光折变效应。U
用途在微波技术中用于调Q开关、光电调制、倍频、光参量振荡；掺加一定量的铁和其他金属杂质的LN晶体，可用作全息记录介质材料。也用于相位调解器、相位光栅调解器、大规模集成光学系统。还广泛用于红外探测器、高频宽道带滤波器等。
生产方法提拉法以碳酸锂、五氧化二铌为原料制备铌酸锂：将碳酸锂和五氧化二铌放入铂金坩埚中，沿(001)方向生长晶体。为得到优质无色透明圆柱体，必须在晶体生长的两个方向的两个端面的温度略高于居里温度时，再加一个适当大小的电场，形成晶体后将晶体冷却至室温，即制得铌酸锂晶体。