晶体的基本类型有几种

这个问题解答起来有点麻烦，因为有不同的分类方法。

如果按功能分，晶体有20 种之多,如半导体晶体、磁光晶体、激光晶体、电光晶体、声光晶体、非线性光学晶体、压电晶体、热释电晶体、铁电晶体、闪烁晶体、绝缘晶体、敏感晶体、光色晶体、超导晶体以及多功能晶体等。

以上来自下文（读读挺有意思的，真心的希望能够帮助你！）：

晶体学和晶体材料研究的进展2006-09-13 12:51 随着计算机技术和激光技术的发展, 人类已经走进了崭新的光电子时代; 而实现这一巨大变化的物质基础不是别的, 正是硅单晶和激光晶体。可以断言, 晶体材料的进一步发展, 必将谱写出人类科技文明的新篇章。

一、人类对晶体的认识过程及有关晶体的概念

1 人类对晶体的认识过程

什么是晶体 从古至今, 人类一直在孜孜不倦地探索着这个问题。早在石器时代, 人们便发现了各种外形规则的石头, 并把它们做成工具, 从而揭开了探求晶体本质的序幕。之后,经过长期观察,人们发现晶体最显著的特点就是具有规则的外形。1669 年, 意大利科学家斯丹诺(Nicolaus Steno) 发现了晶面角守恒定律, 指出在同一物质的晶体中,相应晶面之间的夹角是恒定不变的。接着,法国科学家阿羽依(Rene Just Haüy) 于1784 年提出了著名的晶胞学说, 使人类对晶体的认识迈出了一大步。根据这一学说,晶胞是构成晶体的最小单位,晶体是由大量晶胞堆积而成的。1885 年, 这一学说被该国科学家布喇菲(ABravais) 发展成空间点阵学说, 认为组成晶体的原子、分子或离子是按一定的规则排列的, 这种排列形成一定形式的空间点阵结构。1912 年, 德国科学家劳厄(Max van Laue) 对晶体进行了X射线衍射实验, 首次证实了这一学说的正确性, 并因此获得了诺贝尔物理奖。

2 晶体的概念

具有空间点阵结构的物体就是晶体, 空间点阵结构共有14 种。例如, 食盐的主要成份氯化钠(NaCl) 具有面心立方结构, 是一种常见的晶体。此外, 许多金属(如钨、钼、钠、常温下的铁等) 都具有体心立方结构, 因而都属于晶体。值得注意的是, 在晶体中, 晶莹透明的有很多, 但是, 并不是所有透明的固体都是晶体, 如玻璃就不是晶体。这是因为, 组成玻璃的质点只是在一个原子附近的范围内作有规则的排列, 而在整个玻璃中并没有形成空间点阵结构。

3 天然晶体与人工晶体

晶体分成天然晶体和人工晶体。千百年来, 自然界中形成了许多美丽的晶体, 如红宝石、蓝宝石、祖母绿等,这些晶体叫做天然晶体。然而,由于天然晶体出产稀少、价格昂贵,从19世纪末, 人们开始探索各种方法来生长晶体, 这种由人工方法生长出来的晶体叫人工晶体。到目前为止, 人们已发明了几十种晶体生长方法, 如提拉法、浮区法、焰熔法、坩埚下降法、助熔剂法、水热法、降温法、再结晶法等。利用这些方法,人们不仅能生长出自然界中已有的晶体, 还能制造出自然界中没有的晶体。从红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫到各种混合颜色, 这些人工晶体五彩纷呈, 有的甚至比天然晶体还美丽。

4 晶体的共性

由于具有周期性的空间点阵结构, 晶体具有下列共同性质: 均一性, 即晶体不同部位的宏观性质相同; 各向异性, 即晶体在不同方向上具有不同的物理性质; 自限性, 即晶体能自发地形成规则的几何外形; 对称性, 即晶体在某些特定方向上的物理化学性质完全相同;具有固定熔点;内能最小。

5 晶体学

除了对晶体的结构、生长和一般性质的研究, 人们还探索了有关晶体的其它问题, 从而形成了晶体学这门学科。其主要研究内容包括5 个部分: 晶体生长、晶体的几何结构、晶体结构分析、晶体化学及晶体物理。其中, 晶体生长是研究人工培育晶体的方法和规律, 是晶体学研究的重要基础; 晶体的几何结构是研究晶体外形的几何理论及内部质点的排列规律, 属于晶体学研究的经典理论部分, 但是, 近年来5 次等旋转对称性的发现, 对这一经典理论提出了挑战; 晶体结构分析是收集大量与晶体结构有关的衍射数据、探明具体晶体结构及X射线结构分析方法的; 晶体化学主要研究化学成分与晶体结构及性质之间的关系; 晶体物理则是研究晶体的物理性质, 如光学性质、电学性质、磁学性质、力学性质、声学性质和热学性质等。

二、晶体的性能、应用及进展

一位物理学家说过: “晶体是晶体生长工作者送给物理学家的最好的礼物。”这是因为,当物质以晶体状态存在时, 它将表现出其它物质状态所没有的优异的物理性能, 因而是人类研究固态物质的结构和性能的重要基础。此外, 由于能够实现电、磁、光、声和力的相互作用和转换, 晶体还是电子器件、半导体器件、固体激光器件及各种光学仪器等工业的重要材料, 被广泛地应用于通信、摄影、宇航、医学、地质学、气象学、建筑学、军事技术等领域。

按功能来分,晶体有20 种之多,如半导体晶体、磁光晶体、激光晶体、电光晶体、声光晶体、非线性

光学晶体、压电晶体、热释电晶体、铁电晶体、闪烁晶体、绝缘晶体、敏感晶体、光色晶体、超导晶体以及多功能晶体等。以下简单介绍其中重要的几种。

1 半导体晶体

半导体晶体是半导体工业的主要基础材料, 从应用的广泛性和重要性来看, 它在晶体中占有头等重要的地位。半导体晶体是从20 世纪50 年代开始发展起来的。第一代半导体晶体是锗( Ge) 单晶和硅单晶

(Si) 。由它们制成的各种二极管、三极管、场效应管、可控硅及大功率管等器件, 在无线电子工业上有着 极其广泛的用途。它们的发展使得集成电路从只包括十几个单元电路飞速发展到含有成千上万个元件的超大规模集成电路, 从而极大地促进了电子产品的微小型化, 大大提高了工作的可靠性, 同时又降低了成本, 进而促进了集成电路在空间研究、核武器、导弹、雷达、电子计算机、军事通信装备及民用等方面的广泛应用。

目前, 除了向大直径、高纯度、高均匀度及无缺陷方向发展的硅单晶之外, 人们又研究了第二代半导体晶体——Ⅲ—Ⅴ族化合物, 如(CaAs) 、磷化镓( GaP) 等单晶。近来, 为了满足对更高性能的需求,已发展到三元或多元化合物等半导体晶体。在半导体晶体材料中, 特别值得一提的是氮化镓( GaN) 晶体。由于它具有很宽的禁带宽度(室温下为3 4eV) , 因而是蓝绿光发光二级管(LED) 、激光二极管(LD) 及高功率集成电路的理想材料,近年来在全世界范围内掀起了研究热潮, 成为炙手可热的研究焦点。目前, 中国科学院物理研究所在该晶体的生长方面独辟蹊径, 首次利用熔盐法生长出3mm×4mm的片状晶体 。一旦该晶体的质量得到进一步的提高, 它将在发光器件、光通讯系统、CD 机、全色打印、高分辨率激光打印、大屏幕全色显示系统、超薄电视等方面得到广泛的应用。

2 激光晶体

激光晶体是激光的工作物质, 经泵浦之后能发出激光, 所以叫做激光晶体。1960 年, 美国科学家Maiman 以红宝石晶体作为工作物质, 成功地研制出世界上第一台激光器, 取得了举世瞩目的重大科学

成就。目前,人们已研制出数百种激光晶体。其中,最常用的有红宝石(Cr :Al 2O3) 、钛宝石( Ti :Al2O3) 、掺钕钆铝石榴石(Nd : Y3Al 5O12) 、掺镝氟化钙(Dy : CaF2) 、掺钕钒酸钇(Nd : YVO4) 、四硼酸铝钕(NdAl 3(BO3) 4) 等晶体。

近年来, 由于新的激光晶体的不断出现以及非线性倍频、差频、参量振荡等技术的发展, 利用激光

晶体得到的激光已涉及紫外、可见光到红外谱区,并被成功地应用于军事技术、宇宙探索、医学、化学

等众多领域。例如,在各种材料的加工上,晶体产生的激光大显身手, 特别是对于超硬材料的加工, 它具有无可比拟的优越性。比如, 同样是在金刚石上打一个孔, 用传统方法需要两小时以上的时间, 而用晶体产生的激光,连0 1 秒的时间都不用。此外,用激光进行焊接, 可以高密度地把很多电子元件组装在一起, 并能够大大提高电路的工作可靠性, 从而大幅度地减小电子设备的体积。激光晶体还可以制成激光测距仪和激光高度计, 进行高精度的测量。令人兴奋的是, 法国天文台利用具有红宝石晶体的装置, 首次实现了对同一颗人造卫星的跟踪观察实验,精确地测定了这颗卫星到地面的距离。在医学上,激光晶体更是得到了巧妙的应用。它发出的激光通过可以自由弯曲的光导管进行传送, 在出口端装有透镜和外科医生用的手柄。经过透镜, 激光被聚焦成直径仅有几埃的微小斑点, 变成一把无形却又十分灵巧的手术刀, 不但能够彻底

杀菌, 而且可以快速地切断组织, 甚至可以切断一个细胞。对于极其精细的眼科手术, 掺铒的激光晶体是最合适不过的了。这种晶体可以产生近3μm波长的激光, 由于水对该激光的强烈吸收, 导致它进入生物组织后, 只有几微米短的穿透深度, 因此, 这种激光是十分安全的, 不会使患者产生任何痛苦。由于用这种激光可以快速而精确地进行切割, 手术时间极短, 因而避免了眼球的不自觉运动对手术的干扰,保证了手术的顺利进行。此外, 激光电视、激光彩色立体**、激光摄影、激光计算机等都将是激动人心的激光晶体的新用途。

3 非线性光学晶体

光通过晶体进行传播时, 会引起晶体的电极化。当光强不太大时, 晶体的电极化强度与光频电场之间呈线性关系, 其非线性关系可以被忽略; 但是, 当光强很大时, 如激光通过晶体进行传播时, 电极化强度与光频电场之间的非线性关系变得十分显著而不能忽略, 这种与光强有关的光学效应称为非线性光学效应, 具有这种效应的晶体就称为非线性光学晶体。

非线性光学晶体与激光紧密相连, 是实现激光的频率转换、调制、偏转和Q开关等技术的关键材料。当前,直接利用激光晶体获得的激光波段有限, 从紫外到红外谱区, 尚有激光空白波段。而利用非线性光学晶体, 可将激光晶体直接输出的激光转换成新波段的激光, 从而开辟新的激光光源, 拓展激光晶体的应用范围。常用的非线性光学晶体有碘酸锂(α - Li IO3) 、铌酸钡钠(Ba2NaNb5O15) 、磷酸二氘钾（KD2PO4) 、偏硼酸钡(β- BaB2O4) 、三硼酸锂(LiB3O5)等。其中,偏硼酸钡和三硼酸锂晶体是我国于20 世纪80 年代首先研制成功的, 具有非线性光学系数大、激光损伤阈值高的突出优点, 是优秀的激光频

率转换晶体材料,在国际上引起了很大的反响。另一种著名的晶体是磷酸钛氧钾晶体( KTiOPO4) ,它是迄今为止综合性能最优异的非线性光学晶体, 被公认为1 064μm和1 32μm激光倍频的首选材料, 它可以把1 064μm的红外激光转换成0 53μm的绿色激光。由于绿光不仅能够用于医疗、激光测距, 还能够进行水下摄影和水中通信等, 因此,磷酸钛氧钾晶体得到了广泛的应用。

4 压电晶体

当晶体受到外力作用时, 晶体会发生极化, 并形成表面电荷, 这种现象称为正压电效应; 反之, 当晶体受到外加电场作用时, 晶体会产生形变, 这种现象称为逆压电效应。具有压电效应的晶体则称为压电晶体,它只存在于没有对称中心的晶类中。最早发现的压电晶体是水晶(α- SiO2) 。它具有频率稳定的特性, 是一种理想的压电材料, 可用来制造谐振器、滤波器、换能器、光偏转器、声表面波器件及各种热敏、气敏、光敏和化学敏器件等。它还被广泛地应用于人们的日常生活中, 如石英表、电子钟、彩色电视机、立体声收音机及录音机等。

近年来, 人们又研制出许多新的压电晶体, 如钙钛矿型结构的铌酸锂(LiNbO3) 、钽酸钾( KTaO3)

等,钨青铜型结构的铌酸钡钠(Ba2NaNb5O15) 、铌酸钾锂( K1 - xLiNbO3) 等以及层状结构的锗酸铋(Bi 12GeO20) 等。利用这些晶体的压电效应,可制成各种器件, 广泛地用于军事上和民用工业, 如血压计、呼吸心音测定器、压电键盘、延迟线、振荡器、放大器、压电泵、超声换能器、压电变压器等。

5 闪烁晶体

这种晶体在X射线激发下会产生荧光, 形成闪烁现象。最早得到应用的闪烁晶体是掺铊碘化钠（Tl :NaI) 晶体。该晶体的发光波长在可见光区,闪烁效率高, 又易于生长大尺寸单晶, 在核科学和核工

业上得到广泛的应用。20 世纪80 年代初, 中科院上海硅酸盐研究所采用坩埚下降法成功地生长了大尺寸锗酸铋(Bi 4Ge 3O12) 单晶。由于这种晶体阻挡高能射线能力强、分辨率高, 因而特别适合于高能粒子和高能射线的探测, 在基本粒子、空间物理和高能物理等研究领域有广泛的应用, 并已十分成功地用于欧洲核子研究中心L3 正负电子对撞机的电磁量能器上。此后, BaF2 晶体成为又一新型闪烁材料。除了在高能物理中应用之外, 该晶体在低能物理方面已用于正电子湮没谱仪, 使谱仪的分辨率和计数效率

均得到很大的提高。此外, 它还可用于检查隐藏的爆炸物、石油探测、放射性矿物探测、正电子发射层

析照相(简称PET) 等方面,具有良好的应用前景。

6 声光晶体

当光波和声波同时射到晶体上时, 声波和光波之间将会产生相互作用, 从而可用于控制光束, 如使光束发生偏转、使光强和频率发生变化等, 这种晶体称为声光晶体, 如钼酸铅( PbMoO4) 、二氧化碲（TeO2) 、硫代砷酸砣( Tl 3AsS4) 等。利用这些晶体,人们可制成各种声光器件, 如声光偏转器、声光调Q 开关、声表面波器件等, 从而把这些晶体广泛地用于激光雷达、电视及大屏幕显示器的扫描、光子计

算机的光存储器及激光通信等方面。

7 光折变晶体

光折变晶体是众多晶体中最奇妙的一种晶体。当外界微弱的激光照到这种晶体上时, 晶体中的载流子被激发, 在晶体中迁移并重新被捕获, 使得晶体内部产生空间电荷场, 然后, 通过电光效应,空间电荷场改变晶体中折射率的空间分布, 形成折射率光栅,从而产生光析变效应。光折变效应的特点是, 在弱光作用下就可表现出明显的效应。例如,在自泵浦相位共轭实验中,一束毫瓦级的激光与光折变晶体作用就可以产生相 位共轭波, 使畸变得无法辨认的图像清晰如初。由于折射率光栅在空间上是非局域的, 它在波矢方向相对于干涉条纹有一定的空间相移, 因而能使光束之间实现能量转换。如两波耦合实验中, 当一束弱信号光和一束强光在光折变晶体中相互作用时, 弱信号光可以增强1 000 倍。此外, 凭借着光折变效应, 光折变晶体还具有以下特殊的性能: 可以在3cm3 的体积中存储5 000幅不同的图像, 并可以迅速显示其中任意一幅; 可以精密地探测出小得只有10 - 7米的距离改变; 可以滤去静止不变的图像, 专门跟踪刚发生的图像改变;甚至还可以模拟人脑的联想思维能力。因此,这种晶体一经发现,便引起了人们的极大兴趣。

目前, 有应用价值的光折变晶体有钛酸钡(BaTiO3) 、铌酸钾( KNbO3) 、铌酸锂(LiNbO3) 、铌酸锶

钡(Sr1 - xBaxNb2O6) 系列、硅酸铋(Bi 12SiO20) 等晶体。其中,掺铈钛酸钡(Ce :BaTiO3) 是由中国科学院物理研究所于90 年代在国际上首次研制成功的。它的优异性能, 使光折变晶体在理论研究和实用化方面取得突破性进展。当前, 光折变晶体已发展成一种新颖的功能晶体, 在光的图像和信息处理、相位共轭、全息存储、光通讯和光计算机神经网络等方面展示着良好的应用前景。

三、晶体研究的发展趋势

随着人们对晶体认识的不断深入, 晶体研究的方向也逐步地发生着变化, 其总的发展趋势是: 从晶态转向非晶态; 从体单晶转向薄膜晶体; 从通常的晶格转向超晶格; 从单一功能转向多功能; 从体性质转向表面性质;从无机扩展到有机,等等。此外, 鉴于充分认识到晶体结构—性能关系的重要性, 人们已经开始利用分子设计来探索各种新型晶体。而且, 随着光子晶体和纳米晶体的出现和发展, 人类对晶体的认识更是有了新的飞跃。可以相信, 在不久的将来, 晶体的品种将会更多、性能将会更优异、应用范围也将会越来越广。

总之,晶体不仅是美丽的,而且也是有用的。它蕴涵着丰富的内容, 是人类宝贵的财富。但迄今为

止, 人们对它的认识犹如冰山之一角, 还有许多未知领域等待着我们去探索。

(王皖燕 中国科学院物理研究所,博士北京100080)

参考资料：

（王皖燕 中国科学院物理研究所,博士北京100080)

真空镀膜是一种重要的薄膜制备技术，其前处理流程对于薄膜的性质和性能有着重要影响。以下是真空镀膜的一般前处理流程：

1 清洁：所有待镀膜的部件，包括基底、靶材以及镀膜设备内部等，都需要进行彻底的清洁。对于基底，通常会用溶剂（如酒精、丙酮等）进行清洁，以去除表面的油污、灰尘等杂质。对于靶材，也需要进行清洁，以去除表面的氧化物、碳化物等。

2 烘烤：清洁后的基底和靶材通常需要进行烘烤，以去除表面的吸附水分和其他挥发性杂质。烘烤的温度和时间需要根据具体的材料和需求进行调整。

3 放入真空室：清洁和烘烤完成后，基底和靶材需要放入真空镀膜设备的真空室中。这时，需要检查设备的密封性，以确保在镀膜过程中能够维持足够的真空度。

4 抽真空：放入真空室后，需要启动真空泵进行抽真空。抽真空的目的是去除真空室内的空气和其他杂质，以减少在镀膜过程中的气体散射和化学反应。抽真空的时间需要根据设备的性能和镀膜的需求进行调整。

5 预处理：在某些情况下，可能需要对基底进行预处理，以改善薄膜的附着力和结构。预处理的方式包括等离子清洁、离子轰击、热处理等。

6 预热：在开始镀膜之前，可能需要对基底和/或靶材进行预热，以提高薄膜的结晶性和附着力。预热的温度和时间需要根据具体的材料和需求进行调整。

以上就是真空镀膜的一般前处理流程。需要注意的是，这个流程可能会根据具体的镀膜材料、基底材料、镀膜设备以及镀膜需求有所不同。

　　电光效应 历史版本

　　某些各向同性的透明物质在电场作用下显示出光学各向异性，物质的折射率因外加电场而发生变化的现象为电光效应电光效应包括泡克耳斯(Pockels)效应和克尔(Kerr)效应。电光效应是指某些各向同性的透明物质在电场作用下显示出光学各向异性的效应。电光效应包括克尔效应和泡克耳斯效应[1]。折射率与所加电场强度的一次方成正比改变的为Pockels效应或线性电光效应，1893年由德国物理学家泡克耳斯(Friedrich Carl Alwin Pockels ,1865 - 1913)发现折射率与所加电场强度的二次方成正比改变的为Kerr效应或二次电光效应，1875年由英国物理学家克尔(John kerr,1824-1907)发现。

　　利用电光效应可以制作电光调制器,电光开关,电光光偏转器等,可用于光闸,激光器的Q开关和光波调制,并在高速摄影,光速测量,光通信和激光测距等激光技术中获得了重要应用当加在晶体上的电场方向与通光方向平行,称为纵向电光调制(也称为纵向运用);当通光方向与所加电场方向相垂直,称为横向电光调制(也称为横向运用)利用电光效应可以实现对光波的振幅调制和位相调制

　　[编辑本段]克尔效应

　　1875年英国物理学家J克尔发现，玻璃板在强电场作用下具有双折射性质，称克尔效应(Kerr effect)。后来发现多种液体和气体都能产生克尔效应。观察克尔效应的实验装置。内盛某种液体（如硝基苯）的玻璃盒子称为克尔盒，盒内装有平行板电容器，加电压后产生横向电场。克尔盒放置在两正交偏振片之间。无电场时液体为各向同性，光不能通过P2。存在电场时液体具有了单轴晶体的性质，光轴沿电场方向，此时有光通过P2（见偏振光的干涉）。实验表明 ，在电场作用下，主折射率之差与电场强度的平方成正比。电场改变时，通过P2的光强跟着变化，故克尔效应可用来对光波进行调制。液体在电场作用下产生极化，这是产生双折射性的原因。电场的极化作用非常迅速，在加电场后不到10-9秒内就可完成极化过程，撤去电场后在同样短的时间内重新变为各向同性。克尔效应的这种迅速动作的性质可用来制造几乎无惯性的光的开关——光闸，在高速摄影、光速测量和激光技术中获得了重要应用。

　　[编辑本段]泡克耳斯效应

　　1893年由德国物理学家FCA泡克耳斯发现。一些晶体在纵向电场（电场方向与光的传播方向一致）作用下会改变其各向异性性质，产生附加的双折射效应。例如把磷酸二氢钾晶体放置在两块平行的导电玻璃之间，导电玻璃板构成能产生电场的电容器，晶体的光轴与电容器极板的法线一致，入射光沿晶体光轴入射。与观察克尔效应一样，用正交偏振片系统观察。不加电场时，入射光在晶体内不发生双折射，光不能通过P2。加电场后，晶体感生双折射，就有光通过P2。泡克耳斯效应与所加电场强度的一次方成正比。大多数压电晶体都能产生泡克耳斯效应。泡克耳斯效应与克尔效应一样常用于光闸、激光器的Q开关和光波调制等。

　　[编辑本段]电光效应实验

　　实验目的

　　1掌握晶体电光调制的原理和实验方法。

　　2学会用简单的实验装置测量晶体半波电压，电光常数的实验方法。

　　观察电光效应所引起的晶体光性的变化和会聚偏振光的干涉现象。

　　学史背景

　　当给晶体或液体加上电场后,该晶体或液体的折射率发生变化，这种现象成为电光效应电光效应在工程技术和科学研究中有许多重要应用，它有很短的响应时间(可以跟上频率为1010Hz的电场变化)，可以在高速摄影中作快门或在光速测量中作光束斩波器等。在激光出现以后,电光效应的研究和应用得到迅速的发展，电光器件被广泛应用在激光通讯，激光测距，激光显示和光学数据处理等方面。

　　实验原理

　　1一次电光效应和晶体的折射率椭球

　　由电场所引起的晶体折射率的变化，称为电光效应通常可将电场引起的折射率的变化用下式表示：

　　n = n0 + aE0 +bE02+……

　　式中a和b为常数,n0为不加电场时晶体的折射率。由一次项aE0 引起折射率变化的效应，称为一次电光效应，也称线性电光效应或普克尔(Pokells)效应；由二次项bE02引起折射率变化的效应，称为二次电光效应，也称平方电光效应或克尔(Kerr)效应。一次电光效应只存在于不具有对称中心的晶体中，二次电光效应则可能存在于任何物质中，一次效应要比二次效应显著。 光在各向异性晶体中传播时,因光的传播方向不同或者是电矢量的振动方向不同，光的折射率也不同。如图1，通常用折射率球来描述折射率与光的传播方向,振动方向的关系。

　　晶体的一次电光效应分为纵向电光效应和横向电光效应两种纵向电光效应是加在晶体上的电场方向与光在晶体里传播的方向平行时产生的电光效应;横向电光效应是加在晶体上的电场方向与光在晶体里传播方向垂直时产生的电光效应通常KDP(磷酸二氘钾)类型的晶体用它的纵向电光效应,LiNbO3(铌酸锂)类型的晶体用它的横向电光效应本实验研究铌酸锂晶体的一次电光效应,用铌酸锂晶体的横向调制装置测量铌酸锂晶体的半波电压及电光系数,并用两种方法改变调制器的工作点,观察相应的输出特性的变化

　　2电光调制原理

　　要用激光作为传递信息的工具,首先要解决如何将传输信号加到激光辐射上去的问题,我们把信息加载于激光辐射的过程称为激光调制,把完成这一过程的装置称为激光调制器由已调制的激光辐射还原出所加载信息的过程则称为解调因为激光实际上只起到了"携带"低频信号的作用,所以称为载波,而起控制作用的低频信号是我们所需要的,称为调制信号,被调制的载波称为已调波或调制光按调制的性质而言,激光调制与无线电波调制相类似,可以采用连续的调幅,调频,调相以及脉冲调制等形式,但激光调制多采用强度调制强度调制是根据光载波电场振幅的平方比例于调制信号,使输出的激光辐射的强度按照调制信号的规律变化激光调制之所以常采用强度调制形式,主要是因为光接收器一般都是直接地响应其所接受的光强度变化的缘故

　　激光调制的方法很多,如机械调制,电光调制,声光调制,磁光调制和电源调制等其中电光调制器开关速度快,结构简单因此,在激光调制技术及混合型光学双稳器件等方面有广泛的应用电光调制根据所施加的电场方向的不同,可分为纵向电光调制和横向电光调制利用纵向电光效应的调制,叫做纵向电光调制,利用横向电光效应的调制,叫做横向电光调制这次实验中,我们只做LiNbO3晶体的横向调制实验

　　实验仪器

　　电光效应实验仪,电光调制电源,接收放大器,He-Ne激光器,二踪示波器和万用表

　　(1)晶体电光调制电源调制电源由-200V—+200V之间连续可调的直流电源,单一频率振荡器(振荡频率约为1kHz),音乐片和放大器组成,电源面板上有三位半数字面板表,可显示直流电压值晶体上加的直流电压的极性可以通过面板上的"极性"键改变,直流电压的大小用"偏压"旋钮调节调制信号可由机内振荡器或音乐片提供,此调制信号是用装在面板上的"信号选择"键来选择三个信号中的任意一个信号所有的调制信号的大小是通过"幅度"旋钮控制的通过前面板上的"输出"插孔输出的参考信号,接到二踪示波器的一个通道与被调制后的接收信号比较,观察调制器的输出特性

　　(2)调制器调制器由三个可旋转的偏振片,一个可旋转的1/4波片和一块铌酸锂晶体组成,采用横向调制方式晶体放在两个正交的偏振片之间,起偏振片和晶体的x轴平行检偏振片和晶体之间可插入1/4波片,偏振片和波片均可绕其几何轴旋转晶体放在四维调节架上,可精细调节,使光束严格沿晶体光轴方向通过

　　(3)接收放大器接收放大器由3DU光电三极管和功率放大器组成光电三极管把被调制了的氦氖激光经光电转换,输入到功率放大器上,放大后的信号接到二踪示波器,同参考信号比较,观察调制器的输出特性交流信号输出的大小通过"交流输出"旋钮调节放大器内装有扬声器,用来再现声音调制信号,放大器面板上还有"直流输出"插孔,接到万用表的200mV直流电压档,用于测量光电三极管接收到的光强信号的大小

　　实验内容

　　1观察晶体的会聚偏振光干涉图样和电光效应形象

　　(1)调节激光管使激光束与晶体调节台上表面平行,同时使光束通过各光学元件中心(这一步老师已调好,学生不要动)调节起偏振片和检偏振片正交,且分别平行于x轴,y轴,放上晶体后各器件要细调,精细调节是利用单轴晶体的锥光干涉图样的变化完成的由于晶体的不均匀性,在检偏振片后面的白屏上可看到一弱光点,然后紧靠晶体前放一张镜头纸,这时在白屏上可观察到单轴晶体的锥光干涉图样,如图4一个暗十字图形贯穿整个图样,四周为明暗相间的 图 4

　　同心干涉圆环,十字形中心同时也是圆环的中心,它对应着晶体的光轴方向,十字形方向对应于两个偏振片的偏振轴方向在观察过程中要反复微调晶体,使干涉图样中心与光点位置重合,同时尽可能使图样对称,完整,确保光束既与晶体光轴平行,又从晶体中心穿过的要求,再调节使干涉图样出现清晰的暗十字,且十字的一条线平行于x轴这一步调节很重要,调节的好坏,直接影响下一步的测量,因此,一定要耐心,仔细调节注意此时放大器的电源要关掉,激光光点应落在白屏上,而不能对准光电三极管,以免烧坏

　　(2)加上直流偏压时呈现双轴晶体的锥光干涉图样,它说明单轴晶体在电场的作用下变成了双轴晶体

　　(3)两个偏振片正交时和平行时干涉图样是互补的

　　(4)改变直流偏压的极性时,干涉图样旋转90°

　　(5)只改变直流偏压的大小时,干涉图样不旋转,只是双曲线分开的距离发生变化这一现象说明,外加电场只改变感应主轴方向的主折射率的大小,折射率椭球旋转的角度与电场大小无关

　　2测定铌酸锂晶体的透过率曲线(即T～U曲线),求出半波电压,再算出电光系数

　　在我们实验中,用两种方法测量铌酸锂晶体的半波电压,一种方法是极值法,另一种方法是调制法

　　(1)极值法

　　晶体上只加直流电压,不加交流信号,把直流电压从小到大逐渐改变,输出的光强将会出现极小值和极大值,相邻极小值和极大值对应的直流电压之差即是半波电压

　　具体做法是:取出镜头纸,光电三极管接收器对准激光光点,放大器的直流输出接到万用表上,万用表调到200mV直流档为了使光电三极管不致损坏,在起偏振片前再加一块偏振片作为减光片,加在晶体上的电压从零开始,逐渐增大,注意万用表读数的变化,当读数超过200mV时,应旋转减光片,使光强减小,再增大直流偏压到最大,保持万用表的读数始终不超过200mV,再减小直流偏压到零,若万用表的读数始终不超过200mV,则可以开始测量数据了加在晶体上的电压在电源面板上的数字表读出,每隔5V增大一次,再读出相应的万用表的读数作为接收器接收到的光强值

　　(2)调制法

　　晶体上直流电压和交流信号同时加上,与直流电压调到输出光强出现极小值或极大值对应的电压值时,输出的交流信号出现倍频失真,出现相邻倍频失真对应的直流电压之差就是半波电压

　　具体做法是:按下电源面板上"正弦"键,把电源前面板上的调制信号"输出"接到二踪示波器的CH2上,把放大器的调制信号接到示波器的CH1上,把CH1,CH2上的信号做比较,调节直流电压,当晶体上加的直流电压到某一值U1时,输出信号出现倍频失真,再调节直流电压,当晶体上加的直流电压到另一值U2时,输出信号又出现倍频失真,相继两次出现倍频失真时对应的直流电压之差U2-U1就是半波电压这种方法比极值法更精确,因为用极值法测半波电压时,很难准确的确定T～U曲线上的极大值或极小值,因而其误差也较大但是这种方法对调节的要求很高,很难调到最佳状态如果观察不到两次倍频失真,则需要重新调节暗十字形干涉图样,调整好以后再做本内容

　　3改变直流偏压,选择不同的工作点,观察正弦波电压的调制特性

　　电源面板上的信号选择按键开关可以提供三种不同的调制信号,按下"正弦"键,机内单一频率的正弦波振荡器工作,产生正弦信号,此信号经放大后,加到晶体上,同时,通过面板上的"输出"孔,输出此信号,把它接到二踪示波器的CH1上,作为参考信号改变直流偏压,使调制器工作在不同的状态,把被调制信号经光电转换,放大后接到二踪示波器的CH2上,和CH1上的参考信号比较选择5个不同的工作点40V,80V,120V,160V,200V,观察接收信号的波形并画出图形

　　工作点选定在曲线的直线部分,即U0=/2附近时是线性调制;工作点选定在曲线的极小值(或极大值)时,输出信号出现"倍频"失真;工作点选定在极小值(或极大值)附近时输出信号失真,观察时调制信号幅度不能太大,否则调制信号本身失真,输出信号的失真无法判断由什么原因引起的,把观察到的波形描下来,并和前面的理论分析作比较做这一步实验时,把电源上的调制幅度,调制器上的输入光强,放大器的输出,示波器上的增益(或哀减)这四部分调好,才能观察到很好的输出波形

　　4用1/4波片改变工作点,观察输出特性

　　在上述实验中,去掉晶体上所加的直流偏压,把1/4波片置入晶体和偏振片之间,绕光轴缓慢旋转时,可以看到输出信号随着发生变化当波片的快慢轴平行于晶体的感应轴方向时,输出信号线性调制;当波片的快慢轴分别平行于晶体的x,y轴时,输出光失真,出现"倍频"失真因此,把波片旋转一周时,出现四次线性调制和四次"倍频"失真

　　值得注意的是,不仅通过晶体上加直流偏压可以改变调制器的工作点,也可以用1/4波片选择工作点,其效果是一样的,但这两种方法的机理是不同的

　　5光通讯的演示

　　按下电源面板的"音乐"键,此时,正弦信号被切断,输出装在电源里的"音乐"片信号拔掉交流输出插头,输出信号通过接收放大器上的扬声器播放,可听到音乐如改变直流偏压的大小,则会听到音乐的音质有变化,说明音乐也有失真和不失真用不透明的物体遮光,则音乐停止,不遮光,则音乐又响起,由此说明激光可以携带信号,实现光通讯把音乐信号接到示波器上,可以看到我们听到的音乐信号的波形,它是由振幅相的不同频率的正弦波迭加而成的

　　注意事项

　　1He-Ne激光管出光时,电极上所加的直流电压高达千伏,要注意人身安全

　　2晶体又细又长,容易折断,电极是真空镀的铝膜,操作时要注意,晶体电极上面的铝条不能压的太紧或给晶体施加压力,以免压断晶体

　　3光电三极管应避免强光照射,以免烧坏做实验时,光强应从弱到强,缓慢改变,尽可能在弱光下使用,这样能保证接收器光电转换时线性性良好

　　4电源和放大器上的旋钮顺时针方向为增益加大的方向,因此,电源开关打开前,所有旋钮应该逆时针方向旋转到头,关仪器前,所有旋钮逆时针方向旋转到头后再关电源

合成宝石与其天然对应物具相同的化学成分和物理性质，因而包裹体和其他内部特征的观察就成了区别天然和合成宝石的重要手段。

1焰熔法合成宝石

当前用焰熔法合成的宝石主要是刚玉、尖晶石。可用来与天然宝石相区分的主要标志是弧形生长纹和气泡。

焰熔法合成刚玉中没有平直的生长带和生长纹，而有弯曲的弧形生长纹。弧线之间有微弱的颜色色调差别。当有微小气泡沿生长纹分布时，生长纹将更加明显。焰熔法合成红宝石中这些纹非常细密，形如唱片纹，而焰熔法合成蓝宝石中生长纹较宽，曲率也较小，局部范围内会误认为是平直条纹。焰熔法合成刚玉中的气泡往往很小，一般为球形，少数情况下为蝌蚪形等形状。当生产过程不稳定时，气泡数量猛增，大量点状气泡聚集成带状和云雾状。

焰熔法合成星光刚玉的生产是在添料中加入少量的TiO2，它最初以固态溶液的形式存在于刚玉梨晶中，而后在1600℃下保持24小时，再缓慢冷却，可出溶成大量的金红石针状体，形成星光刚玉。星光刚玉中也可有弧形生长纹和气泡。

焰熔法合成尖晶石中，除红色品种外，一般无弯曲生长纹，气泡也不多见。如果有气泡的话，其形状比焰熔法合成刚玉中的更为复杂，称为“异形”气泡。焰熔法合成宝石中还可见到未熔的粉末。细分散状分布，显云雾状或絮状外观。反射光下为白色，透射光下不透明。

2助熔剂法合成宝石

当前用助熔剂法合成的宝石主要是祖母绿、刚玉、变石和尖晶石。助熔剂可进入晶体的晶格成为包裹体。助熔剂具腐蚀性，一般用铂金坩埚作容器，故铂片晶也是助熔剂法合成宝石的典型特征。

大多数早期的助熔剂法合成宝石中有由熔剂小滴(熔剂残余)或孔洞组成的扭曲面纱状(云翳状)和花边状的羽状体。近期产品中则羽状体多数较平直。反射光下组成羽状体的熔剂小滴可显示出橙色到**并具金属光泽。除羽状体外，熔剂小滴还以彼此分离的小滴或一簇小滴的形式存在，它们大都是圆形、椭圆形、哑铃形、小棒形和不规则形。成簇出现的拉长小滴多呈近平行的排列。透射光下这些小滴是不透明的，反射光下为淡**并具金属光泽。

铂片晶不一定都能见到，但一旦发现便有鉴定意义。它们呈三角形、六边形、长方形和不规则的多边形。透射光下它们是不透明的，反射光下可以有银白色的金属光泽。

助熔剂法合成刚玉中可产出不同长度的、细的、形状很好的针状包裹体。它们可以是彼此分离的个体，也可以成簇出现。助熔剂法合成祖母绿中可见到形状极好的无色透明的硅铍石晶体。

助熔剂法合成宝石中可见到直的和角状的生长带和生长条纹，与天然宝石中所见大体相似。

某些助熔剂法合成宝石中可见到籽晶片，平行籽晶面常有尘状包裹体的层并显示雾状外观。

3水热法合成宝石

当前用水热法合成的宝石主要是祖母绿、红宝石和石英。

水热法合成祖母绿通常不含助熔剂法合成宝石中所见到的面纱状(云翳状)的羽状体。特征的包裹体是两相钉状包裹体，由硅铍石晶体和逐渐变尖的长形孔洞组成。籽晶片的一部分可能保留在成品宝石中，当对着棱看时，它们呈具平行边的无色条带。三角形或六边形的铂片晶可出现在某些合成祖母绿中，它们是不透明的，在反射光下具亮银白色外观。

水热法合成红宝石中常见的包裹体是籽晶片、铂金或合金的碎片，以及钉状、管状或不规则状的流体包裹体。有明显的由颜色深浅显示出的生长纹，呈锯齿状、波纹状或交叉状。

水热法合成水晶中的特征包裹体是籽晶片和面包渣状包裹体。后者是形状不规则、呈星点状分布的白色未溶残余物。

4晶体提拉法(丘克拉斯基法)合成宝石

晶体提拉法可用于生产刚玉、变石、YAG、GGG和铌酸锂等材料。

含包裹体不多。具弯曲生长纹，有时可见气泡及铱金片等包裹体。合成变石中的气泡为拉长的鱼雷状。

5区域熔炼法合成宝石

区域熔炼法可用于生产刚玉、变石、YAG和白钨矿等宝石。

生长的晶体可含有气泡、未熔粉末和不规则的颜色漩涡。

6壳熔法(冷坩埚法)合成宝石

用壳熔法合成的宝石是立方氧化锆。

生长的晶体可含气泡和未溶粉末。

7高温高压合成钻石

合成钻石中有时可见金属熔剂和粉尘或“面包渣”状包裹体以及“砂漏状”或“马耳他十字”色带。

8玻璃

人造玻璃的典型特征是含气泡和漩涡纹。气泡以单个或小群体的形式产出。气泡常是圆形的，但也可沿流动方向拉长。气泡与玻璃的折射率差别很大，故气泡常具明显边界和高突起，这与天然宝石中的气液充填孔洞显著不同。

猫眼品种含有平行的玻璃纤维。“斯洛卡姆石”是欧泊仿制品，含有碎片状的晕彩膜。

部分脱玻化可导致出现树枝状、羊齿脉状雏晶集合体。如马来玉。

金星石(仿日光石的玻璃)的闪烁外观是由于含有三角形或六边形的片状铜晶体。

9塑料

典型的内部特征是气泡和漩涡纹。有尘粒状颗粒组成的面纱(云翳)。某些仿琥珀制品中有昆虫遗体。

10再造宝石

主要指重熔和压制琥珀、压制龟甲和混合的孔雀石和蓝铜矿材料。

可见拉长的气泡、流动痕及不同碎块之间的清晰边界。

11拼合石

拼合石的各组成部分有各自的包裹体和其他内部特征，它们有在拼合界面处突然中断的现象。

拼合石的结合层中有气泡、尘埃等特征。在结合层中也可看到有色的圆状物或看上去不自然的羽状物，它们是由胶结物的变质或不完全粘接引起。

思考题

1宝石中包裹体的含义。

2什么是狭义的包裹体和广义的包裹体

3为何包裹体的研究在宝石学中占有重要地位

4包裹体按形成时间的分类。

5包裹体按相态的分类。

6天然宝石中常见的固体包裹体。

7天然宝石中常见的两相和三相包裹体。

8说出下列包裹体和内部特征术语的含义：

a睡莲叶(水百合)包裹体；b锆石晕；c负晶形包裹体；

d角状色带；e初始解理；f羽状体；

9热处理对宝石中包裹体和其他内部特征可能产生哪些影响

10焰熔法合成宝石的包裹体特征。

11如何根据包裹体和其他内部特征区分天然刚玉和焰熔法合成刚玉

12助熔剂法合成宝石的包裹体特征。

13如何根据包裹体和其他内部特征区分天然刚玉和助熔剂法合成刚玉

14如何根据包裹体和其他内部特征区分天然祖母绿和助熔剂法合成祖母绿

15水热法合成宝石的包裹体特征。

16如何根据包裹体和其他内部特征区分天然祖母绿和水热法合成祖母绿

立方氧化锆又名苏联石，是人工合成宝石，最早由苏联人研制成功，故名苏联石。亦被称作方晶锆石或苏联钻，是二氧化锆晶体的一种。可以通过人工方法合成，被广泛用作钻石的代替品。立方氧化锆与钻石一样，都为立方晶体。合成立方氧化锆成分中加入少量致色元素，可以获得鲜艳的红、黄、绿、蓝、紫和紫红色的产品，但依然有很多消费者可能不清楚合成立方氧化锆是什么材料，不知道合成立方氧化锆是什么意思？

合成立方氧化锆是什么材料，是什么意思？

合成立方氧化锆是一种由人工合成的，外观与钻石比较接近的结晶产物，多用于做钻石的仿制品，相对来说价格非常便宜，不值钱，用于偶尔的日常搭配用非常合适。

合成立方氧化锆是由人工合成的一种坚硬、无色及光学上无瑕的结晶。合成立方氧化锆也分等级，由正规厂家制作的锆石甚至可以与钻石的外观相媲美，不是专业人士也难以鉴别出来，戴时间长了锆石发乌，才会看出来与钻石的区别。由于它的价格比钻石低很多，单从美观上来看也能满足人们的需求，可以少花钱买到仿真的饰品，所以也吸引了很大一部分消费者。早期钻石的仿制品主要是人造铅玻璃和天然无色透明的中低档宝石，如无色的蓝宝石、尖晶石、锆石、黄玉、水晶、闪锌矿、白钨矿等。后期主要是各种人工宝石和晶体，如合成蓝宝石、合成尖晶石、合成水晶、合成金红石、人造钛酸锶、铌酸锂、人造石榴石、人造钇铝榴石等。这些物化性质与钻石相差甚远，作为仿制品基本已经被淘汰出市场。

合成立方氧化锆是一种成分非常低的宝石，这种宝石非常耐用，外观与钻石很相似，因此从1976年开始，是钻石主要的替代品之一。合成立方氧化锆石也称CZ钻，最早由前苏联人合成，在70年代，合成立方氧化锆石作为钻石的仿冒品成功地推向市场。合成立方氧化锆与锆石是完全不同的两种宝石。合成立方氧化锆的化学成分为ZrO2，是等轴晶系的人工合成宝石，是非贵金属类流行饰品广泛应用的装饰宝石。合成立方氧化锆石一般用冷坩埚熔壳法合成。立方氧化锆和钻石一样属于立方晶体并且密度较高，表面呈现金刚光泽，但是比较容易碎，可以代替钻石镶嵌在首饰上，同样可以有较好的光泽感。由于其易碎性，因此在佩戴的时候避免碰撞，收纳时要避开硬度较大的物体，最好选择单独存放用布袋保存。

合成立方氧化锆没有危害，与钻石极为相似。合成立方氧化锆是一种高品质、耐用、坚硬、透光的合成晶体物质。它通常是一种无色的人造材料，也可加工成不同颜色。因为与钻石极为相似，合成立方氧化锆常被用来做廉价的钻石替代品。该人造宝石于70年代在实验室初次制成，最初用于激光技术。激光应用失败后，科学家发现了它在珠宝行业中的巨大潜力，于是合成立方氧化锆开始应用于珠宝行业中。上世纪七十年代，当时的俄罗斯就申请了相关的专利，并且将无色的CZ作为钻石的替代品家推向了市场。由于CZ硬度较高（硬度为8），折射率较高（216），色散值相对较高（0055），因此同样耐磨、具有金刚光泽、漂亮的火彩，一度成为了钻石最好的替代品，但也要注意有商家用合成立方氧化锆假冒。