铌酸锂光波导晶体材料的发展

本文综述了在光电信息技术推动下铌酸锂光波导晶体材料的新近发展情况。从器件需求出发分析了铌酸锂光波导材料应当具备的性能和质量标准;着重阐述与此有关的材料科学技术问题,包括影响铌酸锂晶体质量的主要因素、各种组成与均匀性表征方法的比较和MgO:LiN_6O_3的制备与性能。指出表面层完整性问题是当今基片制备中的薄弱环节。     

双掺杂铌酸锂晶体中铟杂质含量对光致折射率变化的影响

研究了铟杂质含量不同的双掺杂铌酸锂(In∶Fe∶LiNbO3)晶体的光致折射率变化规律,采用切片干涉法对铟杂质含量为1mol%、2mol%和3mol%的In∶Fe∶LiNbO3晶体光辐照导致的折射率变化进行了实验观测。实验结果表明,不同含铟量的In∶Fe∶LiNbO3晶体光致折射率变化趋势相近,随着铟杂质浓度的升高,折射率变化量△n逐渐减小,△n大小依次为:1mol%<2mol%<3mol%。从建立的光伏迁移机制简化模型出发,对不同浓度的铟杂质在In∶Fe∶LiNbO3晶体中导致的折射率变化分布进行了理论分析,数值模拟的结果同△n实测结果相吻合,结果表明理论分析采用的简化模型是可靠的。     

双掺铜锰铌酸钾锂晶体的高光折变增益

在铌酸钾锂(potassium lithium niobate,KLN)中掺入CuO和MnCO3,以提拉法首次生长了Cu:Mn:KLN晶体.用X射线衍射测试并计算了晶体的晶格常数,并以二波耦合实验光路测试了晶体的指数增益系数和响应时间.结果表明:Cu:Mn:KLN晶体的3个晶格常数均比KLN晶体的小;Cu离子和Mn离子在KLN晶体中取代了K 并占据K 位,两种掺杂离子掺入晶体后,减少了晶体的开裂程度.Cu:Mn:KLN晶体的指数增益系数比KLN晶体要提高约2倍,其响应速度比KLN晶体快一个数量级.Cu:Mn:KLN晶体指数增益系数有薄晶片效应,即:晶片厚度变薄时,指数增益系数增加,用光爬行效应对该效应进行了解释.     

Zn:Ce:Fe:LiNbO_3晶体的光折变异常温度特性

在LiNbO3(LN)中掺入摩尔分数为2%的Zn,质量分数(下同)为0.1%的Ce和0.03%的Fe,采用提拉法生长具有不同摩尔比n(Li)/n(Nb)=0.94、1.10、1.25、1.40的Zn:Ce:Fe:LiNbO3晶体。采用二波耦合光路测试晶体的指数增益系数,利用四波混频光路测试晶体的位相共轭性能。随着n(Li)/n(Nb)增加,Zn:Ce:Fe:LiNbO3晶体指数增益系数和响应速率增加,位相共轭反射率增加。研究Zn:Ce:Fe:LiNbO3晶体光折变温度效应时发现:在55、70℃和110℃,在指数增益系数(Γ)–温度(T)曲线和位相共轭反射率(R)–T曲线上出现峰值,即晶体的指数增益系数和位相共轭反射率增加。采用结构相变解释了Zn:Ce:Fe:LiNbO3晶体的异常温度特性。     

二维光折变光子晶体的制作及应用

对4个点光源进行光学傅里叶变换,在自散焦光折变掺铁铌酸锂晶体中成功制作了具有300余条波导的光子晶体,并实验证明了该光子晶体具有导向较长波长光的性质。随后利用理论模型制作了具有不同周期的2种四方形光子晶体。     

Li/Nb摩尔比变化对Mg:Sc:Fe:LiNbO3晶体光折变性能的影响

掺入摩尔分数为1%MgO,0.5%Sc2O3和质量分数为0.03% Fe2O3,从Li与Nb摩尔比分别为0.85,0.94,1.05,1.20和1.38的熔体中用提拉法生长Mg:Sc:Fe:LiNbO3 (Mg:Sc:Fe:LN)晶体.测试了晶体的紫外-可见吸收光谱和红外光谱、抗光损伤能力、衍射效率、响应时间和光折变灵敏度.结果表明:随着Li/Nb摩尔比增加,Mg:Sc:Fe:LN晶体的吸收边发生紫移;n(Li)/n(Nb)=1.05的晶体分别在3 466,3 481 cm-1和3 504 cm-1处出现OH-吸收峰;n(Li)/n(Nb)=1.38的晶体在3 504 cm-1和3 535 cm-1处出现OH-吸收峰.随n(Li)/n(Nb)的增加,Mg:Sc:Fe:LN晶体的衍射效率减小,响应速度和光折变灵敏度增大.n(Li)/n(Nb)=1.05的近化学计量比Mg:Sc:Fe:LN晶体的抗光损伤能力最高.     

光折变三维存储器~([1])

磁盘和光盘存储是当今最主要的数据存储方式。这种二维存储已经逐渐达到其存储极限 ,已经不能满足当今信息存储的要求。光折变三维全息存储是最有前途的存储新技术 ,可以对数据进行并行处理 ,具有超大容量 (1 0 1 3 bit/cm3 )、数据传输率高 (1 0 9bit/s)等优点。搀杂铌酸锂晶体是目前最理想的三维光折变存储材料。     

In：Fe：LiNbO3晶体波导基片光折变性能的研究

采用Czochralski技术生长了掺In摩尔分数分别为1%,2%和3%的In∶Fe∶LiNbO3晶体.测试In∶Fe∶LiNbO3晶体的红外光谱发现3%In∶Fe∶LiNbO3晶体的OH-吸收峰由Fe∶LiNbO3晶体的3 484 cm-1位移到3 507 cm-1.首次以全息法研究了In∶Fe∶LiNbO3晶体波导基片光折变灵敏度.研究表明晶体波导基片的光折变灵敏度大小顺序为Fe∶LiNbO3＞1%In∶Fe∶LiNbO3＞2%In∶Fe∶LiNbO3＞3%In∶Fe∶LiNbO3.采用锂空位模型讨论了3%In∶Fe∶LiNbO3晶体OH-吸收峰位移的机理.讨论了In∶Fe∶LiNbO3晶体波导基片光折变灵敏度减弱和抗光折变能力增强的机理.     

In:Fe:LiNbO_3晶体波导基片光折变性能的研究

采用Czochralski技术生长了掺In摩尔分数分别为1%,2%和3%的In∶Fe∶LiNbO3晶体。测试In∶Fe∶LiNbO3晶体的红外光谱发现:3%In∶Fe∶LiNbO3晶体的OH-吸收峰由Fe∶LiNbO3晶体的3484cm-1位移到3507cm-1。首次以全息法研究了In∶Fe∶LiNbO3晶体波导基片光折变灵敏度。研究表明:晶体波导基片的光折变灵敏度大小顺序为Fe∶LiNbO3>1%In∶Fe∶LiNbO3>2%In∶Fe∶LiNbO3>3%In∶Fe∶LiNbO3。采用锂空位模型讨论了3%In∶Fe∶LiNbO3晶体OH-吸收峰位移的机理。讨论了In∶Fe∶LiNbO3晶体波导基片光折变灵敏度减弱和抗光折变能力增强的机理。     

Ce:Fe:LiNbO3晶体的生长及光折变性能

在氧化锂(Li2O)摩尔分数(下同)为48.6%～58%的LiNbO3中掺入0.1%的氧化铈(CeO2)和质量分数为0.03%的氧化铁(Fe2O3),用提拉法技术生长出高光学质量的具有不同摩尔比n(Li)/n(Nb)的Ce:Fe:LiNbO3晶体.通过紫外-可见光谱和红外光谱测试了晶体样品的组成和缺陷结构.通过二波耦合实验系统研究了Ce:Fe:LiNbO3晶体样品的光折变性能.结果表明:晶体样品随n(Li)/n(Nb)比增加,样品的衍射效率降低,动态范围降低,但是,全息响应速率和光折变灵敏度提高.     

Ce：Fe：LiNbO3晶体生长及其存储特性的研究

在ＬｉＮｂＯ３中掺入ＣｅＯ２和Ｆｅ２Ｏ３，生长Ｃｅ：Ｆｅ：ＬｉＮｂＯ３晶体，对该晶体进行氧化，还原处理，可有效地改变晶体中不同价态离子的相浓度，改善晶体的光折变性能，该晶体具有良好的全息存储性能，以Ｃｅ：Ｆｅ：ＬｉＮｂＯ３晶体作为全息存储元件，实现了光学实时全息关联存储。     

氧化还原处理对Mg:Ce:Cu:LiNbO3晶体光折变性能的影响

在同成分铌酸锂(LiNbO3,LN)晶体中,掺入的摩尔分数分别为0.1%.3%,6%MgO,掺入0.1%(质量分数,下同)CuO和0.05%CeO2.采用提拉法生长了优质的Mg:Ce:Cu:LN晶体,对生长后的晶体极化后分别进行了氧化和还原处理.测定了Mg:Ce:Cu:LN晶体的紫外-可见光吸收光谱和光折变性能.结果表明:与未经氧化和还原处理的晶体相比,在掺MgO量为1%和3%时.经氧化处理的晶体的吸收边发生了紫移,经还原处理的晶体的吸收边发生了红移;而在掺MgO量为6%时,氧化处理后晶体的吸收边紫移趋势小明碌.氧化处理后晶体的抗光损伤能力R减弱,而还原处理后晶体的R增强:而当掺入MgO为6%时,Mg:Ce:Cu:LN晶体的R最大,Mg:Ce:Cu:LN晶体的R比Ce:Cu:LN晶体高2个数量级.结合铌酸锂晶体的锂空位缺陷模型解释了有关实验结果.     

不同掺镁量的LiNbO3质子交换光波导的制备与表征

用质子交换法在不同掺镁量(0、3、4、5、6mol％MgO)的LiNbO_3晶体中制备了质子交换光波导。光学测试表明,晶体中不同的MgO含量并不影响LiNbO_3质子交换波导阶跃型折射率分布的特点,表面折射率的增加约为0.130,扩散特性研究表明,质子交换反应实际上是一个扩散动力学过程,扩散系数不仅与晶体取向有关,而且受到晶体中MgO含量的影响。本实验还确定了5mol％MgO:LiNbO_3晶体X切型和y切型基片的扩散参数和质子交换激活能。     

In:Fe:Cu:LiNbO_3晶体光损伤阈值和非挥发性全息存储

在LiNbO3(LN)中掺入摩尔分数分别为0,0.25%,1.5%,1.75%的In2O3、质量分数为0.1%的Fe2O3和0.05%的CuO,用提拉法生长了系列 In:Fe:Cu:LiNbO3(In:Fe:Cu:LN)晶体.采用Sanarmont补偿法和透射光束图像畸变法,测试In:Fe:Cu:LN晶体的光损伤阈值,基于Scalar表达式,讨论了晶 体光损阈值变化的机理.结果表明:3%In:0.1%Fe:0.05%Cu:LN晶体光损伤阈值比LN晶体高2个数量级,3%In3+达到阈值浓度.采用0.1%Fe:0.05%Cu:LN 晶体和0.5%In:0.1%Fe:0.05%Cu:LN晶体作为存储介质,Fe2+/Fe3+作为浅能级,Cu+/Cu2+作为深能级,以氪离了激光(蓝光)作开关光,氦-氖激光(红光)作为记录光,完成双光子固定非挥发性存储实验.实验表明:0.5%1n:0.1%Fe:0.05%Cu:LN晶体存储记录速度比Mn:Fe:LN晶体提高1个数量级.     

近化学计量比Fe:Mg:LiNbO3晶体生长与其存储性能

在LiNbO3(LN)中分别掺入0.5%(摩尔分数,下同),1%和2% MgO,0.03%(质量分数)Fe2O3,配料中n(Li)/n(Nb)=1.38,采用顶部籽晶溶液生长法生长近化学计量比Fe:Mg:LiNbO3(near-stoichiometric Fe:Mg:LiNbO3,Fe:Mg:SLN)晶体。测试了晶体的红外光谱、抗光损伤能力和存储性能。结果表明:Fe:2%Mg:LN晶体的OH-吸收峰移到3535cm-1,抗光损伤能力比Fe:LN提高3个数量级。Fe:0.5%Mg:LN晶体的灵敏度、动态范围和抗光损伤能力比Fe:LN晶体分别高2.5倍,2倍和1个数量级。以Fe:2%Mg:LN晶体和Fe:LN晶体分别作为存储介质,进行大容量存储实验。在一个公共体积内实现1200幅体全息图的存储。Fe:2%Mg:LN晶体的存储质量优于Fe:LN晶体。     

Mg：Ru：Fe：LiNbO3晶体生长及蓝光双波长非挥发存储性能

在同成分LiNbO3中,掺入摩尔分数为0～3%的MgO,0.09%RuO2和0.03%Fe2O3,采用提拉法生长Mg：Ru：Fe：LiNbO3晶体。以Kr＋激光器（476 nm）和He-Ne激光器（633 nm）作光源测试Mg：Ru：Fe：LiNbO3晶体的光激载流子类型和光折变全息存储性能。结果表明：在蓝光（476 ...     

Mg:Mn:Fe:LiNbO3晶体的全息存储性能

在同成分铌酸锂晶体中掺入0.03?2O3和0.1%MnO2(质量分数),分别掺入0,1%,3%,4.5%,6%的MgO(摩尔分数),用提拉法生长了一系列Mg:Mn:Fe:LiNbO3晶体.检测了Mg:Mn:Fe:LiNbO3晶体的红外光谱和抗光损伤能力.掺0,1%,3%,4.5%Mg的Mg:Mn:Fe:LiNbO3晶体的OH-红外振动峰位于3484cm-1,而掺6%Mg的Mg:Mn:Fe:LiNbO3晶体红外振动峰移到3 535gm-1.采用波长为632nm的He-Ne激光器作为光源,通过二波耦合方法测试晶体的全息存储性能.结果表明:Mg:Mn:Fe:LiNbO3晶体的写入时间和动态范围随掺镁量的增加而显著减小,而光折变灵敏度略有上升,抗光损伤性能增强,其中掺镁量为3%Mg:Mn:Fe:LiNbO3晶体更适合作为全息存储介质.