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掺杂LiNbO_3晶体光折变存储性能的研究

  采用提拉法(Czochralski method)生长Hf系列LiNbO3晶体,(Hf:LiNbO3、Hf:Fe:LiNb03、不同Li/Nb比Hf:Fe:LiNb03和Hf:Fe:Cu:LiNb03晶体)。Zr系列LiNb03晶体,(Zr:Fe:LiNb03晶体和不同Li/Nb比Zr:Mn:Fe:LiNb03晶体)和Mn、Fe系列LiNb03晶体(Sc:Mn:Fe:LiNb03、Mg:Mn:Fe:LiNb03晶体)。采用最佳工艺条件,生长的晶体经过退火、极化、还原和氧化处理。生长的晶体透明,没有宏观缺陷。采用电感耦合等离子体(ICPAES)测试Mg:Mn:Fe:LiNb03晶体有效分凝系数。随着Mg2+浓度增加Mg的分凝系数下降,Mn的分凝系数先增加后下降。Fe的分凝系数增加,但都在分凝系数1附近,在Zr:Mn:Fe:LiNb03晶体Zr的分凝系数在0.9左右,生长掺Mg、Mn、Fe、Zr的LiNbO3晶体质量较高。测试掺杂LiNbO3晶体的X-射线粉末衍射图,计算晶格常数和晶胞体积。衍射图谱没有出现新的衍射峰,说明杂质进入到LiNb03的晶格中,由于杂质的半径与基质半径不同导致峰值强度发生变化。测试掺杂LiNb03晶体的红外透射光谱和紫外-可见吸收光谱。掺杂LiNbO3晶体OH-吸收峰和吸收边发生移动。在LiNbO3中由红外透射光谱确定掺杂离子的阈值浓度,Mg2+吸收峰位置在3535cm-1,Zn2+吸收峰位置在3529cm-1,Sc3+吸收峰位置在3508cm-1,Hf4+吸收峰位置在3488cm-1,Zr4+吸收峰位置在3479cm-1。讨论OH-吸收峰和吸收边移动机理,用极化能力解释吸收边的移动现象。采用Kr+激光器(476nm蓝光)和Ar+激光器(488nm蓝光)和He-Ne激光器(633nm红光)作光源,测试和研究晶体的光折变性能(衍射效率η、响应时间、动态范围和光折变灵敏度)。用蓝光测试晶体的光折变性能:最高衍射效率ηs达到75.4%,动态范围达到20.24,灵敏度达到3.19cm/J,指数增益系数Γmax=34.2cm-1,有效载流了浓度Neff=3.1×1015cm-3。红光测试晶体衍射效率随着(Mg2+,Hf4+,Zr4+)浓度增加,衍射效率ηs下降;蓝光测试晶体的衍射效率ηs增加。蓝光光折变性能大大优于红光光折变性能,对蓝光光折变增强机理进行讨论。采用短波长光Kr+激光器(476nm蓝光)和Ar+激光器(488nm蓝光)作记录光,用长波长He-Ne激光(633nm红光)读取光栅称为双波长技术。相反用长波长He-Ne激光做记录光。用短波长光(Kr+激光器,Ar+激光器或紫外光)作敏化光称为双色技术。Hf(4mol%):Fe:Cu:LiNb03晶体作存储介质,Kr+激光器作记录光,He-Ne激光器读取光栅。双波长非挥发全息存储测试结果,固定衍射效率达到49.0%,响应时间180s,非挥发灵敏度S 为0.252cm/J。红光作记录光,蓝光作敏化光。双色测试结果:固定衍射效率为29%,写入时间为650s,非挥发灵敏度S 为0.015cm/J。红光作记录光,紫外光作敏化光,双色存储测试结果:固定衍射ηf=30%,写入时间τw=1680s,非挥发灵敏度S =0.0078cm/J。双波长非挥发存储技术优于双色非挥发存储技术。LiNb03晶体在较高功率下易产生光损伤(也叫光折变或者光散射),光损伤使晶体的信噪比下降。在晶体掺进抗光损伤杂质如Mg、Mn、Zn、In、Sc、Hf和Zr。在Mg:Mn:Fe:LiNb03晶体,当MgO浓度达到5mol%(阈值浓度)抗光损伤能力比Mn:Fe:LiNb03晶体高二个数量级以上。Sc:Mn:Fe:LiNb03晶体当Sc203的浓度达到1.5mol%(Sc3+的阈值浓度是3mol%)抗光损伤能力比Mn:Fe:LiNb03晶体高二个数量级。Hf:Fe:LiNbO3和Zr:Fe:LiNb03的阈值浓度分别是4mol%和2mol%。抗光损伤能力比LiNb03高一个数量级。采用透射光斑畸变法测试掺杂LiNb03晶体抗光损伤能力。……

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