石宏新,　任常愚,　李　社,　張　琳,　尹向寶,　周　波

(黑龍江科技大學 理學院, 哈爾濱 150022)

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[Li]/[Nb]變化的Hf∶Fe∶LiNbO3晶體光折變性能

石宏新,任常愚,李社,張琳,尹向寶,周波

(黑龍江科技大學 理學院, 哈爾濱 150022)

為了提高晶體的響應速度和抗光散射能力,利用光致雙折射和二波耦合實驗,系統(tǒng)地研究了488 nm波長下Hf4+摻雜濃度為閾值摩爾分數4.0%的Hf∶Fe∶LiNbO3晶體中[Li]/[Nb]的變化對其抗光損傷能力和光折變性能的影響。研究結果表明,隨著[Li]/[Nb]比的增加,晶體的抗光損傷能力有所減弱,而晶體的光折變性能有了明顯提高。與[Li]/[Nb]為0.946的Hf∶Fe∶LiNbO3晶體相比,[Li]/[Nb]為1.200的Hf∶Fe∶LiNbO3晶體的全息光柵衍射效率飽和值增大到80.2%,響應時間縮短到19.7 s,記錄靈敏度提高到0.91 cm/J。

Hf∶Fe∶LiNbO3晶體; 抗光損傷能力; 光折變性能; 衍射效率; 靈敏度

0　引　言

光折變鈮酸鋰晶體作為一種重要的人工合成多功能電光晶體,已成為體全息存儲的優(yōu)質記錄材料[1-3]。在鈮酸鋰晶體中摻雜光折變敏感離子,如Fe2+/3+、Cu+/2+、Mn2+/3+等,可以有效地提高晶體的光折變性能[4]。其中,Fe∶LiNbO3晶體因其具有衍射效率高、存儲壽命長以及存儲密度高等特點,被認為是體全息存儲的優(yōu)質記錄材料。但Fe∶LiNbO3晶體的響應時間長、散射噪聲強等缺點從不同程度上限制了體全息存儲的發(fā)展。研究者發(fā)現(xiàn),在Fe∶LiNbO3晶體中摻入抗光折變離子,如Mg2+,Zn2+,In3+,Sc3+等,可以大大提高晶體的響應速度和抗光散射能力[5-8]。近年來,Kokanyan等[9-11]發(fā)現(xiàn)Hf是LiNbO3晶體的另一種新型抗光折變元素,對于同成分鈮酸鋰晶體Hf4+離子的閾值摩爾分數為4%。由于Hf4+是一個4價離子,這個價態(tài)高于之前發(fā)現(xiàn)的其他抗光折變離子,因此與其他雙摻M∶Fe∶LiNbO3(M=Mg2+,Zn2+,In3+,Sc3+)晶體相比,雙摻Hf∶Fe∶LiNbO3晶體的全息存儲性能會有所不同[12-13]。此外,鈮酸鋰晶體是一種典型的非化學計量比晶體,通常條件下生長的晶體都處于缺Li的狀態(tài),即[Li]/[Nb]<1。因此,同成分鈮酸鋰晶體中存在著大量的鋰空位和反位鈮本征缺陷。而鈮酸鋰晶體的許多光學性能都與晶體內的[Li]/[Nb]有關,隨著[Li]/[Nb]的增加晶體的結構和性能都會發(fā)生顯著變化[14]。

筆者利用光致雙折射和二波耦合實驗,系統(tǒng)地研究了488 nm波長下Hf4+摻雜濃度為閾值摩爾分數4.0%的Hf∶Fe∶LiNbO3晶體中[Li]/[Nb]的變化對其抗光損傷能力和光折變性能的影響,同時進行實驗結果分析。

1　實驗樣品與光路

實驗中所用的3塊雙摻Hf∶Fe∶LiNbO3晶體都是采用Czochralsk技術沿晶體光軸方向生長。生長后晶體沿y向切割,雙面拋光,晶片厚度均為2 mm。所有樣品都是生長態(tài),沒有經過任何后處理過程。樣品中Fe2O3的摻雜質量分數均為0.03%,HfO2的摻雜摩爾分數為4.0%。在相同的HfO2摻雜濃度下,樣品在熔融態(tài)下的[Li]/[Nb]分別為0.946、1.050、1.200。實驗中所用晶體的HfO2摩爾分數fHfO2和Fe2O3質量分數wFe2O3及[Li]/[Nb]見表1。

表1　熔融態(tài)下樣品中原材料成分

實驗中采用光致雙折射的方法測量晶體的抗光損傷能力。光致雙折射變化的測量可以采用Sénarmont補償法[15],圖1為其改進的實驗光路。由Ar+激光器發(fā)出的488 nm波長的激光束經一個聚焦透鏡垂直照射在后焦面處的晶體上產生光損傷,光強為90 mW/cm2,從He-Ne激光器發(fā)出的633 nm波長的激光束作為探測光來探測晶體的光損傷程度,其功率為0.5 mW,光束直徑為1 mm。探測光束的透射光強度由探測器來探測。

圖1　測量光致雙折射變化的實驗光路

Fig. 1Experimental setup for measurement of photo-induced birefringence change

實驗中,利用二波耦合測量晶體的光折變性能,實驗裝置如圖2所示。

圖2　二波耦合實驗光路

由Ar+激光器發(fā)出的488 nm波長的激光光束經分束鏡分為兩束光強相等的記錄光,光強為125 mW/cm2,兩束記錄光對稱入射到晶體表面,在晶體內部相交產生干涉。兩束記錄光的偏振態(tài)均為水平偏振,光柵波矢沿晶體的光軸方向,兩束記錄光的夾角為30°。在光柵記錄過程中,其中一束記錄光每隔一定時間關閉一下,再打開,目的是用另一束記錄光來監(jiān)測光柵的建立過程并記錄其衍射效率。材料的衍射效率定義為

(1)

式中:Id——讀出光的衍射光強;

It——讀出光的透射光強。

2　實驗結果與討論

2.1[Li]/[Nb]對晶體抗光損傷能力的影響

圖3給出了Hf4+摻雜濃度為閾值摩爾分數4.0%的[Li]/[Nb]比變化的Hf∶Fe∶LiNbO3晶體光致雙折射變化的時間演變過程曲線。鈮酸鋰晶體的光致雙折射隨時間的演化過程可寫成單e指數的形式,即

(2)

式中:Δnsat——晶體光致雙折射變化的飽和值;

τ——晶體的響應時間。

圖3[Li]/[Nb]變化的Hf∶Fe∶LiNbO3晶體光致雙折射變化曲線

Fig. 3Photo-induced birefringence change curves of Hf∶Fe∶LiNbO3crystals with various [Li]/[Nb] ratios

表2中列出了Hf∶Fe∶LiNbO3晶體的光致雙折射變化飽和值及響應時間的實驗數據結果。從表2可以看出,對于Hf4+離子摻雜濃度為閾值摩爾分數4.0%的[Li]/[Nb]比變化的Hf∶Fe∶LiNbO3晶體,晶體的光致雙折射變化飽和值隨著[Li]/[Nb]比的增加是增大的,即Hf∶Fe∶LiNbO3晶體的抗光損傷能力隨著[Li]/[Nb]比的增加而減弱。

表2[Li]/[Nb]變化的Hf∶Fe∶LiNbO3晶體光致雙折射變化實驗結果

Table 2Photo-induced birefringence change results of Hf∶Fe∶LiNbO3crystals with various [Li]/[Nb] ratios

樣品Δnsat(×10-5)τ(s)Hf4∶Fe∶LN0.9461.5215.9Hf4∶Fe∶LN1.0501.9611.9Hf4∶Fe∶LN1.2003.185.0

鈮酸鋰晶體的光損傷主要是由晶體中的光生伏特場引起,較高的光生伏特電場不利于光致散射效應的抑制。鈮酸鋰晶體的光生伏特電場可表示為

(3)

式中:jphv——晶體的光生伏特電流密度;

σd——晶體的暗電導;

σph——晶體的光電導。

2.2[Li]/[Nb]對晶體抗光折變性能的影響

圖5中給出了Hf4+摻雜濃度為閾值摩爾分數4.0%的[Li]/[Nb]比變化的Hf∶Fe∶LiNbO3晶體內全息光柵建立過程中衍射效率平方根隨時間的變化曲線。全息光柵的動態(tài)建立過程可表示為

圖4[Li]/[Nb]變化的Hf∶Fe∶LiNbO3晶體的紫外-可見吸收光譜

Fig. 4UV-Visible absorption spectra of Hf∶Fe∶LiNbO3crystals with various [Li]/[Nb] ratios

(4)

式中:ηsat——衍射效率的飽和值;

τw——全息光柵的記錄時間常數。

根據Kogelnik公式[16],晶體折射率變化的飽和值Δnsat可由飽和衍射效率ηsat得到,即

(5)

式中:d——晶體的厚度;

λ——真空中記錄光的波長;

θr——讀出光在晶體內部的布拉格角。

圖5[Li]/[Nb]變化的Hf∶Fe∶LiNbO3晶體衍射效率平方根隨時間變化曲線

Fig. 5Square root of diffraction efficiency curves of Hf∶Fe∶LiNbO3crystals with various [Li]/[Nb] ratios

全息光柵的記錄靈敏度是全息數據存儲系統(tǒng)的一個重要性能參數。靈敏度越高,響應速度越快。記錄靈敏度可以通過測試單個全息圖的衍射效率隨時間的變化曲線計算得到[17],可表示為

(6)

式中:I——記錄光的總光強;

表3中列出了在488 nm波長下測量的晶體光折變性能的實驗數據結果。從實驗結果可以看出,對于Hf4+離子摻雜濃度為閾值摩爾分數4.0%的Hf∶Fe∶LiNbO3晶體,隨著晶體內[Li]/[Nb]比的增加,晶體的光折變性能有明顯提高:飽和衍射效率增大,響應時間縮短,記錄靈敏度提高。與[Li]/[Nb]為0.946的同成分Hf∶Fe∶LiNbO3晶體相比,[Li]/[Nb]為1.200的近化學計量比Hf∶Fe∶LiNbO3晶體全息光柵的衍射效率飽和值提高了1.9倍,響應時間縮短了2.7倍,記錄靈敏度提高了3.8倍。

表3[Li]/[Nb]比變化對Hf∶Fe∶LiNbO3晶體光折變性能的影響

Table 3Influence of [Li]/[Nb] ratios on photorefractive properties of Hf∶Fe∶LiNbO3crystals

樣品[Li]/[Nb]ηsat/%Δnsat/10-5τw/s-1S/cm·J-1Hf4∶Fe∶LN0.9460.94641.65.0153.60.24Hf4∶Fe∶LN1.0501.05051.05.5849.00.28Hf4∶Fe∶LN1.2001.20080.27.8619.70.91

3　結束語

筆者采用光致雙折射和二波耦合實驗,系統(tǒng)地研究了488 nm波長下Hf4+摻雜濃度為閾值摩爾分數4.0%的[Li]/[Nb]變化的Hf∶Fe∶LiNbO3晶體的抗光損傷能力和光折變性能。實驗結果表明,隨著[Li]/[Nb]比的增加,晶體的抗光損傷能力有所減弱,而晶體的光折變性能有明顯提高。與[Li]/[Nb]為0.946的同成分Hf∶Fe∶LiNbO3晶體相比,[Li]/[Nb]為1.200的近化學計量比Hf∶Fe∶LiNbO3晶體全息光柵的衍射效率飽和值提高了1.9倍,響應時間縮短了2.7倍,記錄靈敏度提高了3.8倍。

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(編輯徐巖)

Effect of [Li]/[Nb] on photorefractive properties of Hf∶Fe∶LiNbO3crystals

SHIHongxin,RENChangyu,LIShe,ZHANGLin,YINXiangbao,ZHOUBo

(School of Sciences, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is concerned specifically with an improvement in response speed and optical damage resistance ability of the crystal. The study is based on the photo-induced birefringence change and the two-wave coupling experiments and systematically investigates the effect of the [Li]/[Nb] ratio on optical damage resistance and photorefractive properties of Hf∶Fe∶LiNbO3crystals with the threshold concentration of mole fraction of 4.0% at 488 nm wavelength. The results show that the increase in the [Li]/[Nb] ratio in the crystal gives a decreased optical damage resistance ability of Hf∶Fe∶LiNbO3crystals, but provides significantly improved photorefractive properties. Compared with the Hf∶Fe∶LiNbO3 crystal with the [Li]/[Nb] ratio of 0.946 in melt, the saturation diffraction efficiency is increased to 80.2%, the response time is shortened to 19.7 s, and simultaneously the recording sensitivity of 0.91 cm/J is achieved in the Hf∶Fe∶LiNbO3crystal grown from the melt with the [Li]/[Nb] ratio of 1.200.

Hf∶Fe∶LiNbO3crystals; optical damage resistance ability; photorefractive properties; diffraction efficiency; recording sensitivity

2015-08-26

黑龍江省教育廳科學技術研究項目(12531573)

石宏新 (1981-), 女, 遼寧省錦州人, 副教授, 博士, 研究方向:無機光折變晶體光柵衍射特性和激光全息應用,E-mail:hongxinshi@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.05.013

O438.1

2095-7262(2015)05-0526-05

A