石宏新,　任常愚,　李　社,　张　琳,　尹向宝,　周　波

(黑龙江科技大学 理学院, 哈尔滨 150022)



[Li]/[Nb]变化的Hf∶Fe∶LiNbO3晶体光折变性能

石宏新,任常愚,李社,张琳,尹向宝,周波

(黑龙江科技大学 理学院, 哈尔滨 150022)

为了提高晶体的响应速度和抗光散射能力,利用光致双折射和二波耦合实验,系统地研究了488 nm波长下Hf4+掺杂浓度为阈值摩尔分数4.0%的Hf∶Fe∶LiNbO3晶体中[Li]/[Nb]的变化对其抗光损伤能力和光折变性能的影响。研究结果表明,随着[Li]/[Nb]比的增加,晶体的抗光损伤能力有所减弱,而晶体的光折变性能有了明显提高。与[Li]/[Nb]为0.946的Hf∶Fe∶LiNbO3晶体相比,[Li]/[Nb]为1.200的Hf∶Fe∶LiNbO3晶体的全息光栅衍射效率饱和值增大到80.2%,响应时间缩短到19.7 s,记录灵敏度提高到0.91 cm/J。

Hf∶Fe∶LiNbO3晶体; 抗光损伤能力; 光折变性能; 衍射效率; 灵敏度

0　引　言

光折变铌酸锂晶体作为一种重要的人工合成多功能电光晶体,已成为体全息存储的优质记录材料[1-3]。在铌酸锂晶体中掺杂光折变敏感离子,如Fe2+/3+、Cu+/2+、Mn2+/3+等,可以有效地提高晶体的光折变性能[4]。其中,Fe∶LiNbO3晶体因其具有衍射效率高、存储寿命长以及存储密度高等特点,被认为是体全息存储的优质记录材料。但Fe∶LiNbO3晶体的响应时间长、散射噪声强等缺点从不同程度上限制了体全息存储的发展。研究者发现,在Fe∶LiNbO3晶体中掺入抗光折变离子,如Mg2+,Zn2+,In3+,Sc3+等,可以大大提高晶体的响应速度和抗光散射能力[5-8]。近年来,Kokanyan等[9-11]发现Hf是LiNbO3晶体的另一种新型抗光折变元素,对于同成分铌酸锂晶体Hf4+离子的阈值摩尔分数为4%。由于Hf4+是一个4价离子,这个价态高于之前发现的其他抗光折变离子,因此与其他双掺M∶Fe∶LiNbO3(M=Mg2+,Zn2+,In3+,Sc3+)晶体相比,双掺Hf∶Fe∶LiNbO3晶体的全息存储性能会有所不同[12-13]。此外,铌酸锂晶体是一种典型的非化学计量比晶体,通常条件下生长的晶体都处于缺Li的状态,即[Li]/[Nb]<1。因此,同成分铌酸锂晶体中存在着大量的锂空位和反位铌本征缺陷。而铌酸锂晶体的许多光学性能都与晶体内的[Li]/[Nb]有关,随着[Li]/[Nb]的增加晶体的结构和性能都会发生显著变化[14]。

笔者利用光致双折射和二波耦合实验,系统地研究了488 nm波长下Hf4+掺杂浓度为阈值摩尔分数4.0%的Hf∶Fe∶LiNbO3晶体中[Li]/[Nb]的变化对其抗光损伤能力和光折变性能的影响,同时进行实验结果分析。

1　实验样品与光路

实验中所用的3块双掺Hf∶Fe∶LiNbO3晶体都是采用Czochralsk技术沿晶体光轴方向生长。生长后晶体沿y向切割,双面抛光,晶片厚度均为2 mm。所有样品都是生长态,没有经过任何后处理过程。样品中Fe2O3的掺杂质量分数均为0.03%,HfO2的掺杂摩尔分数为4.0%。在相同的HfO2掺杂浓度下,样品在熔融态下的[Li]/[Nb]分别为0.946、1.050、1.200。实验中所用晶体的HfO2摩尔分数fHfO2和Fe2O3质量分数wFe2O3及[Li]/[Nb]见表1。

表1　熔融态下样品中原材料成分

实验中采用光致双折射的方法测量晶体的抗光损伤能力。光致双折射变化的测量可以采用Sénarmont补偿法[15],图1为其改进的实验光路。由Ar+激光器发出的488 nm波长的激光束经一个聚焦透镜垂直照射在后焦面处的晶体上产生光损伤,光强为90 mW/cm2,从He-Ne激光器发出的633 nm波长的激光束作为探测光来探测晶体的光损伤程度,其功率为0.5 mW,光束直径为1 mm。探测光束的透射光强度由探测器来探测。

图1　测量光致双折射变化的实验光路

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

实验中,利用二波耦合测量晶体的光折变性能,实验装置如图2所示。

图2　二波耦合实验光路

由Ar+激光器发出的488 nm波长的激光光束经分束镜分为两束光强相等的记录光,光强为125 mW/cm2,两束记录光对称入射到晶体表面,在晶体内部相交产生干涉。两束记录光的偏振态均为水平偏振,光栅波矢沿晶体的光轴方向,两束记录光的夹角为30°。在光栅记录过程中,其中一束记录光每隔一定时间关闭一下,再打开,目的是用另一束记录光来监测光栅的建立过程并记录其衍射效率。材料的衍射效率定义为

(1)

式中:Id——读出光的衍射光强;

It——读出光的透射光强。

2　实验结果与讨论

2.1[Li]/[Nb]对晶体抗光损伤能力的影响

图3给出了Hf4+掺杂浓度为阈值摩尔分数4.0%的[Li]/[Nb]比变化的Hf∶Fe∶LiNbO3晶体光致双折射变化的时间演变过程曲线。铌酸锂晶体的光致双折射随时间的演化过程可写成单e指数的形式,即

(2)

式中:Δnsat——晶体光致双折射变化的饱和值;

τ——晶体的响应时间。

图3[Li]/[Nb]变化的Hf∶Fe∶LiNbO3晶体光致双折射变化曲线

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

表2中列出了Hf∶Fe∶LiNbO3晶体的光致双折射变化饱和值及响应时间的实验数据结果。从表2可以看出,对于Hf4+离子掺杂浓度为阈值摩尔分数4.0%的[Li]/[Nb]比变化的Hf∶Fe∶LiNbO3晶体,晶体的光致双折射变化饱和值随着[Li]/[Nb]比的增加是增大的,即Hf∶Fe∶LiNbO3晶体的抗光损伤能力随着[Li]/[Nb]比的增加而减弱。

表2[Li]/[Nb]变化的Hf∶Fe∶LiNbO3晶体光致双折射变化实验结果

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

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

铌酸锂晶体的光损伤主要是由晶体中的光生伏特场引起,较高的光生伏特电场不利于光致散射效应的抑制。铌酸锂晶体的光生伏特电场可表示为

(3)

式中:jphv——晶体的光生伏特电流密度;

σd——晶体的暗电导;

σph——晶体的光电导。

2.2[Li]/[Nb]对晶体抗光折变性能的影响

图5中给出了Hf4+掺杂浓度为阈值摩尔分数4.0%的[Li]/[Nb]比变化的Hf∶Fe∶LiNbO3晶体内全息光栅建立过程中衍射效率平方根随时间的变化曲线。全息光栅的动态建立过程可表示为

图4[Li]/[Nb]变化的Hf∶Fe∶LiNbO3晶体的紫外-可见吸收光谱

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

(4)

式中:ηsat——衍射效率的饱和值;

τw——全息光栅的记录时间常数。

根据Kogelnik公式[16],晶体折射率变化的饱和值Δnsat可由饱和衍射效率ηsat得到,即

(5)

式中:d——晶体的厚度;

λ——真空中记录光的波长;

θr——读出光在晶体内部的布拉格角。

图5[Li]/[Nb]变化的Hf∶Fe∶LiNbO3晶体衍射效率平方根随时间变化曲线

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

全息光栅的记录灵敏度是全息数据存储系统的一个重要性能参数。灵敏度越高,响应速度越快。记录灵敏度可以通过测试单个全息图的衍射效率随时间的变化曲线计算得到[17],可表示为

(6)

式中:I——记录光的总光强;

表3中列出了在488 nm波长下测量的晶体光折变性能的实验数据结果。从实验结果可以看出,对于Hf4+离子掺杂浓度为阈值摩尔分数4.0%的Hf∶Fe∶LiNbO3晶体,随着晶体内[Li]/[Nb]比的增加,晶体的光折变性能有明显提高:饱和衍射效率增大,响应时间缩短,记录灵敏度提高。与[Li]/[Nb]为0.946的同成分Hf∶Fe∶LiNbO3晶体相比,[Li]/[Nb]为1.200的近化学计量比Hf∶Fe∶LiNbO3晶体全息光栅的衍射效率饱和值提高了1.9倍,响应时间缩短了2.7倍,记录灵敏度提高了3.8倍。

表3[Li]/[Nb]比变化对Hf∶Fe∶LiNbO3晶体光折变性能的影响

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

样品[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　结束语

笔者采用光致双折射和二波耦合实验,系统地研究了488 nm波长下Hf4+掺杂浓度为阈值摩尔分数4.0%的[Li]/[Nb]变化的Hf∶Fe∶LiNbO3晶体的抗光损伤能力和光折变性能。实验结果表明,随着[Li]/[Nb]比的增加,晶体的抗光损伤能力有所减弱,而晶体的光折变性能有明显提高。与[Li]/[Nb]为0.946的同成分Hf∶Fe∶LiNbO3晶体相比,[Li]/[Nb]为1.200的近化学计量比Hf∶Fe∶LiNbO3晶体全息光栅的衍射效率饱和值提高了1.9倍,响应时间缩短了2.7倍,记录灵敏度提高了3.8倍。

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(编辑徐岩)

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

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12531573)

石宏新 (1981-), 女, 辽宁省锦州人, 副教授, 博士, 研究方向:无机光折变晶体光栅衍射特性和激光全息应用,E-mail:hongxinshi@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.05.013

O438.1

2095-7262(2015)05-0526-05

A