（光学专业论文）近化学计量比铌酸锂晶体光折变性能的研究.pdf

摘要 性能， 实验结果表明， 随 着铿含量的 增加，l i n b 0 3 : f e : m n晶 体的 光 折变灵敏度 逐渐增加，在铿含量增加到4 9 .5 7 m o 1 %时达到最大，之后随铿含量的继续增加， 灵敏度开始下降。在此基础上， 我们提出了近化学计量比双掺晶 体的三中心模 型:随着铿含量的增加，双掺晶体的光折变中心除了 掺杂离子以 外还增加了双 极化子/ 小极化子。此外， 我们在 l i n b 0 3 : f e :m n晶体中观察到强烈的自 增强效 应: 在绿光固定光栅的过程中， 参考光的能量转移到了衍射光上， 使衍射光得 到了放大。 第五章， 我们在l in b 伪:c u : c e 晶 体上实现了紫外光与绿光的非挥发性全息 存储， 近化学计量比l i n b 0 3 :c u : c e 晶体的灵敏度达到了0 . 1 0 7 0 c m / j ， 是同成分 l in b 0 3 : c u :c e 晶体的1 5 倍。 非挥发全息存储及u v - v i s 吸收谱的实 验结果表明 在l i n b 0 3 : c u : c e 晶 体中c e 离子是深能级光折变中 心， c u 离子是浅 能级光折变 中心。 第六章，总结了整篇论文的研究成果，并展望了近化学计量比妮酸铿晶体 的研究工作。 关键词:妮酸铿晶体: 近化学计量比;光折变效应:非挥发性全息存储 ab s t r a c t ab s t r a c t l i t h i u m n i o b a t e , a s a c o n t e n d e r f o r t h e r o l e o f o p t i c a l s i l i c o n , h a s m a n y i m p o r ta n t p r o p e r ti e s f o r b o t h r e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n s , s u c h a s e l e c t r o - o p t i c , a c o u s t o - o p t i c , p y r o e l e c t r i c , p i e z o e l e c t r i c a n d p h o t o r e f r a c t i v e e ff e c t s . r e c e n t l y , t h e s u c c e s s f u l p r e p a r a t i o n o f n e a r - s t o i c h i o m e t r i c l i t h i u m n i o b a t e c r y s t a l h a s b e c o m e t h e g r e a t e s t b r e a k t h r o u g h o f t h i s m a t e r i a l d u e t o i t s i m p r o v e d p e r f o rm a n c e c o m p a r e d t o c o n g r u e n t o n e . t h e l a r g e e n h a n c e m e n t o f n o n li n e a r e l e c t r o - o p t i c c o e f f i c i e n t a n d p h o t o r e fr a c t i v e e ff e c t , a n d g r e a t d e c r e a s e o f e l e c t r i c a l s w i t c h i n g f i e l d , t o g e t h e r w i t h t h e i r e x t e n s i v e a p p l i c a t i o n s , r a p i d l y m a k e s n e a r - s t o i c h i o m e t r i c l i t h i u m n io b a t e o n e f o c u s o f i n t e rna t i o n a l r e s e a r c h . h o w e v e r , h o w d o e s t h e s t o i c h i o m e t r y i m p r o v e t h e p r o p e rt i e s ? i t i s a k e y p r o b l e m f o r t h e f u r th e r t a i l o r o f t h e c ry s t a l c h a r a c t e ri s t i c s . i n g e n e r a l , t h e d e c r e a s e o f i n t r in s i c d e f e c t s i s r e g a r d e d a s t h e m a i n c a u s e f o r t h e i m p r o v e d p r o p e rt i e s . h o w e v e r , t h e m i c r o m e c h a n i s m f o r t h e s e p h e n o m e n a i s s t i l l u n c l e a r . we i n v e s t i g a t e d t h e p h o t o r e fr a c t i v i t y o f s i n g l y a n d d o u b l y d o p e d n e a r - s t o ic h i o m e t r i c l i t h i u m n io b a t e , a n d a n a l y z e d t h e d o m i n a n t f u n c t i o n o f t h e i n t ri n s i c d e f e c t s o n t h e p h o t o r e fr a c t i v e p r o c e s s . i n t h e f i r s t c h a p t e r , w e i n t r o d u c e d t h e b asi c p h y s ic a l p r o p e rt i e s o f t h e l i t h i u m n i o b a t e c rys t a l s , g a v e a b ri e f r e v i e w o f i t s d e f e c t s t r u c t u r e s , s u m m a r i z e d t h e p h o t o r e f r a c t i v e d o p i n g , i n t r o d u c e d t h e s p e c i a l t i e s o f n e a r - s t o i c h i o m e t r i c c ry s t a l s , a n d r e v i e w e d t e c h n i q u e s t o o b t a in s t o i c h i o m e t r i c l it h i u m n i o b a t e . i n t h e s e c o n d c h a p t e r , w e i n v e s t i g a t e d t h e a b s o r p t i o n e d g e s o f n o m i n a l l y p u r e a n d mg o d o p e d l i t h i u m n i o b a t e c rys t a l s . t h e e x p e r im e n t a l r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e g e n e r a l l y d e f i n e d a b s o r p t i o n e d g e w as c o n s i s t e n t w it h t h e u r b a c h r u l e , w h i c h i n d i c a t e d t h a t t h e g e n e r a ll y d e f i n e d a b s o r p t i o n e d g e s w e r e t h e b a n d t a i l a b s o r p t i o n i n d u c e d b y t h e i n t ri n s i c d e f e c t s , a n d t h e i n t ri n s i c d e f e c t s w e r e p r o v e d t o b e l i v a c a n c i e s . t h u s t h e g e n e r a l l y d e f i n e d a b s o r p t i o n e d g e w as i n d u c e d b y t h e t r a n s i t i o n fr o m t h e 2 p o r b it s o f o x y g e n a t o m s a r o u n d t h e l i v a c a n c i e s t o t h e 4 d o r b i t s o f n b 5 t ons. m ab s t r a c t i n t h e t h i r d c h a p t e r , t h e p h o t o r e fr a c t i v i ty o f t h e i r o n d o p e d l i t h i u m n i o b a t e w i t h v a r i o u s l i / n b r a t i o s w a s i n v e s t i g a t e d . t h e e x p e r im e n t a l r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t w i t h t h e i n c r e as e o f t h e l i c o n t e n t , p h o t o r e f r a c t i v e c e n t e r s g r a d u a l l y t r a n s i t e d fr o m f e + / f e 3 + t o f e z + / f e 3 + a n d b ip o l a r o n / s m a l l p o la r o n , w h i c h d ir e c t ly l e a d in g t o t h e i m p r o v e m e n t o f t h e p h o t o r e fr a c t i v i ty f o r n e a r - s t o i c h i o m e t r i c l i t h i u m n i o b a t e c rys t a l s . i n t h e f o u rt h c h a p t e r , w e i n v e s t i g a t e d t h e n o n v o l a t i l e h o l o g r a p h i c s t o r a g e p r o p e rt y o f l i n b 0 3 :f e :m n c ry s t a l s w i t h v a r i o u s l i / n b r a t i o s . t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e p h o t o r e fr a c t i v e s e n s i t i v i ty v a l u e s e n h a n c e d w i t h i n c r e as e d l i c o n t e 呱 t h e n a c h i e v e d t h e m a x i m u m w h e n t h e l i c o n t e n t r e a c h e d 4 9 . 5 7 m o l %. a n d t h e n b e g a n t o d e c r e a s e w i t h t h e c o n t i n u i o u s in c r e as e o f l i c o n t e n t , b as e d o n t h e s e r e s u l t s , a t h r e e c e n t e r s m o d e l w as p u r p o s e d f o r t h e n e a r s t o i c h i o m e t r i c d o u b ly d o p e d c ry s t a l s . b e s i d e s t h e d o p e d i o n s , t h e b i p o l a r o n s / s m a l l p o l a r o n s w as t h e o t h e r p h o t o r e fr a c t i v e c e n t e r . i n a d d it i o n , w e o b s e r v e d t h e s t r o n g s e l f - e n h a n c e m e n t e ff e c t s in l i n b 0 3 : f e : mn c ry s t a l s . i n t h e f i f t h c h a p t e r , w e r e a l i z e d t h e n o n v o l a t i l e h o l o g r a p h i c s t o r a g e u s i n g t h e 5 3 2 n m g r e e n l i g h t a s t h e c o h e r e n t w r i t i n g l i g h t . t h e s e n s i t i v i ty v a l u e s o f t h e n e a r s t o i c h i o m e t r i c l i n b o 3 :c u :c e c ry s t a l s a c h i e v e d 0 . 1 0 7 0 c m / j , w h i c h w a s 1 5 t i m e s l a r g e r t h a n t h a t o f t h e c o n g r u e n t c rys t a l . a c c o r d i n g t o t h e n o n v o l a t i l e h o l o gr a p h i c s t o r a g e e x p e r im e n t a n d v i s - u v a b s o r p t io n s p e c t r a o f l i n b 0 3 : c u : c e , w e d e d u c e d t h a t t h e c c i o n w a s t h e d e e p c e n t e r , w h i l e c u i o n w as t h e s h a l l o w o n e . i n t h e s i x t h c h a p t e r , a s u m m a ry o f t h i s t h e s i s w as m a d e a n d a n o u t l o o k f o r t h e f u r t h e r s t u d i e s o n n e a r - s t o i c h i o m e rt i c l i t h i u m n i o b a t e w as g i v e n . k e y w o r d s : l it h i u m n i o b a t e ; n e a r - s t o i c h i o m e t r i y ; p h o t o r e fr a c t i v e e ff e c t ; n o n v o l a t i l e h o l o gr a p h y 南 开 大 学 学 位 论 文 电 子 版 授 权 使 用 1 办议 ( 请将此协议书装订于论文首页) 论 文 a e + 14 ,k k o 魄da 睁 折支 .)峋 什 免 系本人在 南开大学工作和学习期间创作完成的作品，并己通过论文答辩。 本人系本作品的唯一作者 ( 第一作者)，即著作权人。现本人同意将本作品收 录于 “ 南开大学博硕士学位论文全文数据库”。本人承诺:已提交的学位论文电子 版与印刷版论文的内容 一 致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人 完全了 解 南开 人学图 书 馆兼 于保 存、使 用学位论文的 管理办 法 。同 意 南开人学图书馆在下述范围内免费使用本人作品的电子版: 本作品呈交当年，在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及论文全文部分 浏览服务 ( 论文前1 6 页)。 公开级学位论文全文电子版于提交1 年后，在校园网上允 许读者浏览并 卜 载全文。 注:本协议书对于 “ 非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系所名称: 作者签 名: 谧 t- 学校有权保存学 立 论文的印 刷本和电子版， 并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存 仑 文;学校有权提供目 录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务; 斧 校有权按有关规定向国家有关部门 或者机构送交论文的复印 件和电子版;在 卜 以 赢利为目 的的前提下， 学校可以 适当 复制论文的部分或全部内容用于学术 亏 动。 学 位 论 文 作 者 签 名 二 李 a .4 神年5 月2 ， 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内部5 年 最长5 年，可少于5年) 秘密1 0 年 ( 最长1 0 年， 可少于1 0 年) 机密2 0年 最长2 0 年，可少于2 0年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 斤 取得的成果。除文中己 经注明引用的内容外，本学位论文的 研究成果不包含 玉 何他人创作的、己 公开发表或者没有公开发表的作品的内 容。 对本论文所涉 乏 的研究工作做出贡献的 其他个人和集体，均己 在文中以明确方式标明。本学 l 论文原创性声明的 法律责任由 本人承 担。 学 位 论 文 作 者 签 名 :毕 a -4 叫年5 月27日 第一章 绪论 第一章绪论 妮酸铿晶体是一种集电光、声光、非线性、光折变及激光活性等效应于一 身的罕见晶体， 加上自 身机械性能稳定、易加工、耐高温、抗腐蚀、原材料来 源丰富、价格低廉、易生长成大晶体的优点，尤其是实施不同掺杂后能呈现出 各种各样的特殊性能，是至今人们所发现的光子学性能最多、综合指标最好的 晶体，被认为是光子时代 “ 光学硅”的主要候选材料之一。在表面波滤波器、 电光调制、电光开关、光波导及激光器、倍频、高密度信息存储等方面有着广 泛的应用前景。 对妮酸铿晶体的 研究开发一直是国际上持续不断的热点。 当 前妮酸锉晶 体最大的 突破在于近化学计量比( l i / n b x 1 : 1 ) 晶体的生长。 与 通常的同 成分 ( l i / n b = 4 8 .4 : 5 1 .6 ) 晶 体相比， 近化学计 量比晶 体的电 光系 数和非线性光学系数增大了 3 0 %;周期极化反转电压可降低两个量级;在掺入 少量m g 0后抗光损伤能力 提高了四 个量级以 上; 光 折变灵敏度和光致折射率变 化提高了一个量级;在掺入少量铁和强还原的状态下，全息写入的响应时间达 到亚秒级，比同成分掺铁妮酸铿晶体缩短了四个量级;非挥发性全息存储的响 应时间缩短了两个量级;光致发光的能力提高了两个量级。 如此优异的物理性能， 加之十分广泛的应用前景，使得近化学计量比妮酸 铿晶体迅速成为国际上竞相追逐的光电子材料。本章对妮酸铿晶体以及近化学 计量比妮酸铿晶体做了一个简要的回顾，并阐明了我们的工作计划。 第一节银酸锉晶体及其缺陷结构简介 自 从1 9 6 5 年b a l lm a n l i 1成功 地用c z o c h r a l s k i 提拉 法生 长出 妮酸 铿单晶 后， 人们对妮酸铿晶体进行了大量的研究。妮酸铿是一种非常重要的具有多种用途 的 人工晶 体， 其属于三方晶系， 六角晶胞常数为: a= 5 . 1 5 4 3 人 ， c y =1 3 . 7 8 3 5 a , 其结构如图1 . 1 所示: 氧八面体以共面的形式叠置起来形成堆垛，公共面与氧八面体的三重轴， 亦即与极轴垂直，许多堆垛再以八面体共棱的形式联结起来形成晶体。高温时， 妮酸铿晶体处于顺电相， 属于r 3 c 空间群。 这时， 每个堆垛中氧八面体按下述顺 第一章 绪论 序交替出现: 一个中心有n b 的氧八面体， 两个在其公共面上有l i 的氧八面体， 如图1 . 1 ( a ) 所示。 l i 和n b 分别 位于 氧平 面和 氧八 面 体中 心， 无自 发极 化。 当 温 度低于居里温度 ( 1 2 1 0) 时， 妮酸铿晶体处于铁电相， 属于r 3 c空间群。 此 亦即与极轴垂直， 许多堆垛再以八面体共棱的形式联结起来形成晶体。此时， l i 和n b 都发生了沿c 轴的位移， 前者离开了 氧八面体的公共面， 后者离开了氧 八面体的中 心， 如图1 . 1 伪 ) 所示。由 于l i 和n b 的移动， 造成了 沿c 轴的电 偶极 矩，即出 现了自 发极化 ( 室温时约0 .7 0 c / m 2 ) 12 3 1 0 一兰竺 二 一叫 一刊卜. 一 母 0 尸 几 山 l 眨 万 r. ( a ) 顺电相( b ) 铁电相 图1 . 1 妮酸铿品体的晶格结构 虽然在顺电相时， n b 位于两个氧平面中央， l i 位于第三个氧平面内，但实 际上l i 分布在氧平面内及氧平面上下各0 .0 3 7 nn 处， 只是平均位置在氧平面内 a 1 。 铁电 相时， n b 和l i 都 沿 + c 位移。 结 构分析 表明， 室 温时n b 沿c 轴偏离 氧 i l 面体中心约0 .0 2 6 n m, l i 沿c 轴偏离氧平面0 . 0 4 4 nn 。有关妮酸铿晶体结构 的 详细数据可参阅 有关文献2 -5 1 在通常条件下生长的 妮酸铿晶 体都处于缺l i 的 状态，即 l i / n b f . j e r m a n n 1 9 等人 提出了 双中 心模型， 成功的 解释了 该实验 现象。 该模型中的光 折变中心除了f 矛 十 / f e + 以 外， 还引 入了n b 0 / n b 5 + 中 心。 在这一模 型中，深浅能级之间电子可以不经过导带而进行直接的电子交换.这主要是考 虑到在高光强下，深浅中心的数密度将会增加很多，因此这两个中心进行直接 的电 子交换的 几率也会随 之变大。 k . p e i t h m a n n 2 o 等人通过对不同 掺铁 量的 妮酸 铿晶体的光折变性能的研究发现，重掺铁妮酸铿晶体的实验结果与单中心模型 的理论结果 不再 符合。阎文博2 0 等 人通过对不同 铿泥比纯妮酸铿晶 体的 光折变 性能的研究发 现，随 着晶 体中 铿含量的 增加， 晶体的光折变中心也随 之改 变， 由 同成 分晶 体的q极化子变为 双极化子， 小极化子。正是由 于不同的 极化子的 光折变能力不同导致了随着铿妮比的改变， 妮酸铿晶体的光折变性能发生改变。 第二节不同 锉银比 推铁妮酸锉晶体的光折变性能 我们使用c z o c h r a l s k i 方法生长了 同 成分l in b 0 3 : f e 晶体， 其中f e 2 0 3 掺入 量为0 . 0 2 5 w t % 。 采用v t e 方法 制备不同 铿妮比 的l i n b 0 3 : f e 晶 体。 生长态的晶 体 被切割为x 片放 在不同l i 2 0 / n b 2 o 5 比 的粉料中 进行处理， 粉料中li2o/nb2o5 比的范围是 4 8 .4 / 5 1 .6 一 4 9 . 8 / 5 0 . 2 。将处理好的样品光学抛光，厚度为0 . 8 5 mm 晶 体中 的铿含量可 通过r a m a n 谱 线1 5 3 c m ， 的半高宽来 确定， 结果见 表3 . 1 。 为 了提高晶体的响应速度，所有晶体经过了统一的还原处理，处理的条件为:氢 气中7 0 0 0 c 处理5 h . 我们使用全息法测量了室温下晶体的光折变性能， 实验装置如图3 . 3 所示。 全固态半导体绿光激光器发出 5 3 2 n m的绿光，通过分束镜分成两束 e光，一束 为 参 考 光八， 另 一 束 为 信 号 光 人， 几 = 八 = 1 .0 x 1 0 0 w / 材。 两 束 光 在 晶 体 内 部 相交，光栅矢量平行于晶体的 c轴。进行写光栅实验时，我们使用快门短暂挡 住 信 号 光 ， 同 时 测 量 此 时 的 衍 射 光几 和 透 射 光 i , ， 利 用 公 式 求出 实 时 的 衍 射效 率: 冲二 i , 石+ i 第三章 掺铁妮酸铿晶体光折变中心 然后打开快门继续写光栅，这样反复循环直至衍射效率达到饱和值。之后，我 们 开 始 擦 光 栅， 具 体 操 作为 : 挡 住 信 号 光 i s ， 只 保 持 单 光 束 i r 入 射， 同 时 记 录 衍 射光和透 射光光强并 算出 衍射效 率， 直至 衍射效率降为 零。 图3 .4 是 衍射效率 随时间 变化的典 型曲线 ( i ) 写 光栅， ( n ) 擦光栅。 图3 .3 全息实验装置图 04 ，口2 8，1 月.月. 惑片 1 5 0 30 0 45 0 t i m e ( s e c o n d ) 6 00 图3 .4 掺铁泥酸铿晶体的衍射效率随时间变化曲线 3 .2 . 1 吸收谱测定晶体的氧化还原状态 d i s c h l e r 2 2 1 等人发 现了 掺铁妮酸 铿晶 体的四个吸收带， 之后 c l a r k l 2 3 等人 标 第三章 掺铁妮酸铿晶体光折变中心 定了不同位置的吸收带所对应的不同能级之间的跃迁: a - b a n d : 吸收中 心 在 1 . 1 e v( 一 偏振 光入射) ， 对应的 是f e 2 + 的 a - + s e的 跃迁; d - b a n d : 吸收中心在2 . 6 e v( 上 、“ 偏振光 入射) ， 对应的是f e z + - n b s + 的 跃迁，这一吸收带是光折变敏感区; f - b a n d : 在2 . 5 5 e v , 2 .9 5 e v的微小的 吸收线 ( 上 偏振光入 射) ， 对应的是 f e + 的 d -+d 的自 旋 禁 戒 跃 迁。 1 9 7 7 年，k u r z 1 5 1等人报道了 掺铁 妮酸铿晶体中 f e 的价 态与晶 体的光折变 灵 敏度和折 射率改变的 饱和值的关系。 实验结果表明了f e e + 的浓 度与2 . 6 e v ( d b a n d )附 近的吸收有着紧密的 联系。 通过m 6 s s b a u e r 谱确定了扮 + 的 浓度之后， 发 现a o = s c fe z. ， 其中 ， = 4 .6 x 1 0 -2 2 m 2 。 通 过 吸 收 谱 来 确 定 掺 铁 妮 酸 铿 晶 体中 f e e十 浓 度 作 为 一 种 简便 、 无 损 伤 的 方 法 ， 被 人 们 普 遍 利 用 【2 0 , 2 4 1 。 本 文中 的f e e+ 的 浓 度就是使 用这种方 法来确定的。 掺铁妮酸铿晶体的 分凝系 数约为1 2 0 1 ， 因此f e 3 + 的 浓度值 等于总的 掺铁浓度减去f e 2 1 的浓 度。 通过s h i m a d z u u v - 3 6 5 光谱仪测量了 还原之后的晶体的 紫外一 可 见的吸收 光 谱， 吸 收谱图 如图3 . 5 所示。 我们从图中可以 看到随着铿妮比 的 增加， 晶体的 吸 收边 位置 发生 紫移。晶 体中f e 2 + . f e 3 1 浓 度的计 算结 果见 表3 . 1 。从 计算结果 可以 看到随 着铿泥比的 增加， f e 2 十 的 浓度逐 渐减少。 fe:ln48.4fe:ln48.9fe:ln49.3- fe:ln49.8 讯以门up .lres卜.l. 24 ，曰， 二 :-:-.二二胜汾 认认户 、 .、. 1 6 8 0 3 2 0 40 0 480 wa v e l e n g t h ( n m) 5 6 0 ，三。材ua，.-。.-七ao。uo.-村0的。v 图3 . 5 不同锉妮比掺铁妮酸铿晶体的紫外一可见吸收光谱 第三章 掺铁妮酸铿晶体光折变中心 表 3 . 1 实验所用掺铁妮酸铿晶体的相关参数 s a m p l e c o m p o s i t i o n c p e 2 * ( 1 0 2 4 m 3 ) c f e 2 . / c f e 9 + f i tt i n g p a r a m e t e r ( m o l %)a l t 1 a 2 t 2 f e : l n4 8 4 4 8 .4 1 . 3 0 0 . 1 7 5 f e : l n4 8 .9 4 8 .9 0 . 8 6 0 . 1 1 0 0 . 8 3 9 7 4 8 3 . 4 2 0 4 8 0 . 1 9 0 8 9 1 4 .3 9 0 4 8 f e :l n4s 4 9 .3 0 . 7 0 0 . 0 8 7 0 . 6 7 5 9 4 8 2 . 6 8 0 8 7 0 . 2 9 3 7 8 1 1 .3 7 3 4 1 f e :l n4 9 .8 4 9 . 8 0 . 3 3 0 . 0 3 9 0 . 6 7 0 2 2 4 7 .0 0 0 0 .3 4 4 5 5 1 8 .3 9 0 2 3 3 .2 . 2 不同锉妮比掺铁妮酸锉晶体光折光栅的写入过程 我们在相同实验条件下对所有 样品 的光折变光 栅写入过程进行了 研究，实 验结果如图 3 . 6所示。响应时间的定义是光栅衍射效率达到饱和值 1 / e时所需 的时间。 1 . 0 ou 0. 口卜。 4 8 .4 4 8 . 9 4 9 . 3 49 . 8 64，1 000 uo一倒en一-eeon 0. 0 0 2 0 40 6 0 t i m e ( s e c o n d ) 8 0 1 0 0 图3 .6 掺铁锯酸铿晶体光折变光栅的写入过程 光折变响应时间随着晶体中 铿含量的增加而减少，从图 3 .7中可以看到 第三章 掺铁妮酸铿晶体光折变中心 f e : l n 4 9 . 8 晶体的光 折变响 应时间 是f e :l n 4 8 ; 晶 体的1 / 3 。 提高晶 体中的 铿妮比能 够进一步的改善晶体的光折变性能。 35一 48. 448. 84 9 . 2 4 9 . 6 5 0. 0 l i2 0 ( m o n 图3 . 7 光折变响应时间与晶体中的 l i2 0含量的关系 353025201510 puo。5e三一1.suods。比 sli 一一 一一 一j se曰 一 ，一曰一-山 0 . 3 0 . 6 0 . 9 1 . 2 1 . 5 1 . 8 2 . 1 2 . 4 c f e 2 + ( 1 0 2 4 m -3 ) 图3 .8 掺铁妮 酸钮晶体的响 应时间与f e 的 关系 根据单中心模型我们可以知道，掺铁妮酸铿晶体的光折变光栅响应时间随 着f e z 十 浓度的 增加而缩短。 图3 . 8 是响应时间与f e z 浓 度的 关系。 如图所示， 虽 然同 成分掺 铁妮酸 铿晶 体中的f e z 浓度大于近化学计量比晶 体中的 f e z 十 浓度， 但是随着铿妮比的提高，响应时间得到了大幅度的缩短。这就表明随着铿妮比 第三章 掺铁泥酸铿晶体光折变中心 的 提高单中心模型的理 论结果已 经不能与实验 相吻合，同时 也说明， 近化学计 量比 妮酸铿晶体的 光折变中 心不 仅仅是f e e + / f e 3 + o 3 . 2 . 3 不同锉妮比 掺铁妮酸锉晶体光折光栅的擦除过程 在相同的实验条件下，我们对所有晶体的光折变光栅的擦除过程进行了研 究 ， 实 验 结 果 如 图3 .9 所 示。 妮 酸 锉晶 体的 光电 导 可 以 通 过6 p h 二 “ 。 ， 得 到， 其中 : 。 是光栅的擦除时间 ，即光 栅的衍射效率衰 减到饱和 值i / e 时 所需的时间; e 0 .。 分别是真空 介电 常数 和相对介电 常数。通 过实验得到了 不同 铿妮比 掺铁泥 酸铿晶体的光电导值。 on064内nu j.nu0n0丹u 二卜ouo一妇ez一lee任on 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 t i m e ( s e c o n d ) 图3 . 9 不同锉泥比 掺铁泥 酸铿晶体的 光折变光栅的 擦除过程 根 据 单 中 心 模型 ， 我 们 知 道。 p h- i (c f e2+ / c f e3 + ) 。 不同 铿 泥 比 的 掺 铁 妮 酸 锉 晶体的光电导值与c f e 2 十 / c f e 3 * 的关 系如图 3 . 1 0 所示。 从图 中可以 看到，随 着铿 妮比的增加，单中心模型的理论结果与实验结果不再相符了。 通过对不同铿妮比掺铁妮酸铿晶体光折变写入与擦除过程的研究，发现随 着铿妮比的 增加，晶 体的 光折变中 心发生了很大的 改变，单中心 模型已 经不再 适用了。 随着晶 体中 本征 缺陷 的减少， 光折变中 心己 经不只是f e e + / f e 3 + o 由于光折变全息光栅建立过程中的不稳定性对于光栅的擦除没有影响，而 且在擦除过程中没有记录光的动态相互作用，因此可以通过光栅的擦除过程来 第三章 掺铁妮酸铿晶体光折变中心 判断晶体中光折变中心的种类。根据单中心模型，掺铁妮酸铿晶体光折变光栅 的 擦除过程是单指数衰减 过程。 我们对所有实 验用晶体的 擦除 过程都用单指数 函 数 进 行了 拟 合 ， 拟 合函 数 是 y r a ,e x p -x /t , 。 但 拟 合 结 果 显 示， 只 有 掺 铁 同 成 分妮酸铿晶体的擦除 过程符 合单指数函数 ( 如图3 . 1 1 所示) 。 犷胃.飞，弓乎 0 . 0 0 0 . 0 5 0 . 1 0 0 . 1 5 0 . 2 0 c f e 2 + /c f e 3 + 图 3 .1 。不 同 铿 妮 比 掺 铁 w 酸 铿 晶 体 的 光 电 导 与 / 1 与 c fe2+ /c 。 十 的 关 系 0. 0 ou确七4内 000舀u 口卜ouol归胃工le任，02 0 8 0 1 6 0 2 4 0 3 2 0 4 0 0 t i me ( s e c o n d ) 图3 . 1 1 同成分掺铁妮酸铿晶体擦除过程的单指数拟合结果 而掺铁近化学计量比晶体的擦除过程用单指数函数拟合的误差很大，我们 第三章 掺铁妮酸铿晶体光折变中心 用 双 指 数 函 数y= a ,e x p -x /t, 十 a ,e x p - x /t 2 对 近 化 学 计 量比 晶 体的 擦 除 过程 进 行 拟合。为了 便于比 较， 我们把这些晶 体的单 指数与 双指数拟合结果同时给出， 如图 3 . 1 2 - 3 . 1 4 .从图中可以发现随着铿妮比的增加掺铁近化学计量比妮酸铿晶 体光折变光栅的 擦除过程更加 符合双指数衰 减。 这就 说明， 掺铁近化学计量比 妮酸铿晶 体应当 具有 两个光折变中 心。 晶体的 拟 合参数见表3 . 1 。 从中可以 看到 对于同成分掺铁晶体，擦除时间为9 0 s ;对于近化学计量比晶体， 擦除有长、 短 两个时间组成， 较长的 时间与同成分晶体的 擦除 时间 近似，因 此可以 认为较长 的时间常 数 t i 反 映的是记 录在铁能级上的光折 变光 栅的 擦除过程;而较小的时 间 常数 t 2 则与晶 体的 本征 缺陷 相关。随着晶体中 铿 含量的 增加， 晶体中的 本征 缺陷 逐渐减少，电 子的迁移 速率增加，在擦除过 程中 从 f e e 十 上激发的电 子经导 带被 f e 3 1 重新俘获所需的 时间就 会缩短，因 此t . 逐渐 减少; 如果按照阎 文博等 人提出的晶体光 折变中心由q极化子一双极化 子一 小极 化子的 渐变模型， 那么 随 着晶体中铿妮比的提高晶 体中 的本征缺陷 更容易 形成双极化子， 那么擦除 记 录在双极化子/ 小极化子上的光栅所需的时间就会增加，因此 t 2 逐渐变大。而整 个光栅的擦除过 程由 这两个时间 共同 决定。 a , ， a 2 分别表 示记录 在不同中 心上 的光折变光栅占 整个光栅的比 例。 拟合结果 表明， 随着铿妮比的 增加记录 在铁 中心上的光栅所占 的比 例逐渐 减少， 然而记 录在另 一中 心上的 光栅的比 重逐 渐 增加。从拟合结果可以发现，掺铁同成分锯酸铿晶体的光折变中心只有 f e 2 + / f e 3 + 。 然而随着 铿妮比 的增加， 掺铁妮酸 铿晶 体的 光折变中心由 单中 心变为 双中心。 ( a ) 1 .0 080.6州0.2 片扣ouo与.恩-.任on 人 朴七4，n臼 . 0000 厂卜ouo一妇ezll.任on ，1 0 1 0 0护一一一 一 1 才一一一渭右 0 t i me ( s e c o n d ) t i m e ( s e c o n d 卜 3 . 1 2 f e : l n 4 。擦出 过程的拟合结果 ( a ) 单 指数拟合: ( b ) 双指数拟合 第三章 掺铁妮酸锉晶体光折变中心 n仲09斑04，nl jl扭u000工u 片-0二0节en=e巴ujon |妇匆 .曰6420 on甘un口0 r卜ou。号哥一1.三jon 1 0 1 0 0 t i me ( s e c on d ) 1 0 1 0 0 t ime ( s e c o n d ) 图3 . 1 3 f e :l n 4 3 擦出 过程的单指数拟合 结果 ( a ) 单 指数拟合;( b ) 双指数拟合 n.r一朴oj，u .-. 月.n内u00nl 口如。二0拐召一工eujon n臼品0自b4，n .u内u卜un即n臼 口如。0一归留二e工jon 1 0 1 0 0 t i me ( s e c o n d ) 1 0 1 0 0 t i me ( s e c o n d ) 图3 . 1 4 f e :l n 4 9 _ 8 擦出过程的指数 拟合结果 ( a ) 单指 数拟合;( b ) j x 指 数拟合 第三节近化学计量比掺铁镜酸锉晶体中的双极化子户 小极化子光 折变中心 名 义 纯 近 化学 计 量 比 妮 酸 铿晶 体 的 光 折 变中 心是 小 极 化子n b 忿( 反 位 泥 n b 忿 俘获 一 个 电 子) 和 双 极 化子n b 忿 : n b 抚( 两 个电 子同 时 被 反 位 妮 n b 岔 和 正 常 格 位 上 的 妮 n b 魏 俘 获 形 成) 。n b 忿:n b 抚 可以 被 光 或 者 热 分 解 ， 形 成 亚稳 态 的 小 极 化 子n b 忿 。 实 验 所 用晶 体 中 l 2 0 1 含 量 最 高 的 为4 9 .8 m o 1% ， 晶 体 中 的 本征缺陷可形成双极化子。 为了检验双极化子/ 小极化子是否参与了光折变过程，研究了晶体的光致吸 收。 由于双极化子/ 小极化子分别位于距导带 2 .5 e v和 1 . 6 e v处， 因此选取5 1 4 n m 第三章 掺铁泥酸锉晶体光折变中心 绿光作为 泵浦光，同时 探测5 3 2 n m和7 8 0 n m激 光的光致吸收a a。 实验装置如 图3 . 1 5 所示， 5 1 4 n m泵 浦光强为 1 w / c m 2 , 5 3 2 m n和 7 8 0 n m探测光光强均为 1 m w / c m 2 o 其 中 ， t ,l ,. 几 、 ， 分 别 是 开 泵 浦 光 和 关 泵 浦 光 时 探 测 光 的 透 射 光 强 。 图3 .1 6 是 f e : l n 4 9 .3 晶 体的 光致吸收 实验结果可