（凝聚态物理专业论文）掺杂铌酸锂晶体的紫外光子学非线性及其应用.pdf

肠布吧-一 一 ab s tra c t l ithi u mn i o b ate i s 即exc e l l ent o pti司 m at 币al ， andhas w i de app l i c at i o n s in 访 t e g r at e do p t i cs ， n o n l in ear o p t i c s and帅oton i c s . h o w ever， m o sto f th e p r e v io us 传 se ar c h es fc u s ed o nits p r o pertie sinv i s i b 1 eandin fi . r e d，andre l 而v e ly l e s s 吕 比 即t i o n werep a i d toth o seinu l 七 . v l o l et，whi chl 汕ited i ts即p l i c at i o n s inthe w h o l e o pt i c alwav eband . i n由 i s di s se r t a t i 叽 we in v e st ig ate the u 】tr a v i o letl i ght一 in d u c ed abs o rpti o ne 娜 比 仁th eu l tr a v i o 以 p b o t o r e 丘 ac t i v ee ffectandtwo 卜 c o l or h o l o gr a p h i c 就 。 讯 g e i nl i t h i um n i o b ate sy引 比 m at i cal l yand th o ro u ghl y.w七 h ope th i s w o 吹 cou l d p ro v i d e允 rther in s i g h t si ni oth el ithi um n i o b at ec ry 引 习 landfu rther m o re th e phot o re fi 习 c t i v e e ffect inch apter l ， th eb 朗 k gr o u n do f th edi s se rt at ion i spres e n te d . thed e tail ed m e c h ani smo fth e p h o t o 传 五 习 c t i v e e 价氏 山 ete c hno l o gy and m a t e 行 al so f photor e 台 别 =t 1v e v o l u m e h o l o gr a p h i c stora g e are al s o revi ewed in c h a p ter z ，we i n tr o d 呱eth ev ario us c h a r g e七 ， n s p o rtm o del so fth e 户otor e 介 ac t i v ee 价试 e sp配认 l lyth etwo 心 e n te r m o d e l ind e ta i l ， which iso f great i m po州 习 n ceto幻 四 0 旧 i orh o l o gia p h i c stora g e inchap谕3 ， we stud y th e d epe n d enceo f th 已 u l 。 刁 v i o l et-l i ghl . in d uce d absoipti on 住 】v l 认)coe 蛋c i e ni chang e so nth ed opi n gcon c entr at i on o fmg ，z nand功 ， re sp e ct i v e l y，i nl i th i u mn i o b ate. i ti sfo 助dth att he l 丫 l ia chang e si nl i th i u m n i o b ate h as at hr e sho l de ffec t w ith re spe cttoth ed opi n g咖 cen t ia t i on. w 七al so ana 1 y zeth e in c 0 rp o rati o n m ech ani sm o f th e d o p a n ts ， andattd b u tethe app e a r a n c e of th e u v-l iachang e s tothe d e c r e 哪 o f th e anti s ited e fe ctn b l i and th e fo rmati叻o f th e h o l e trap p edc enl e rso-. f u rt h erm o re ， th i s 公 ir e sh o l d e ffectisp r o v e d b y th e re s u l ts o f th e two 一 col o r r ec o r d i n g sen s it i v i ty thetwo 一i or h o l o gr aph i cs t o r a g ep e ri b 而anc e so fmg ， zn andl n 一 d o p ed l ithi um n i o b ate are 访 v e st i g at ed sy就 。 的 a t i cal l yin 比a p t e r4 ，andn o n v o l atil e h o lo g ra p h i c stora g e i s ac h ievedinth e 恻stal s 初thd o p in g c o n ce n tr a t l o n s 的o v e th e d am昭e 一 r e s i s ta n t t h r e sh o l d v a l u e . i t i s a l sofo u n d th atgr at i n g s onth e d e epc enters and ab g 比 a c t th e s h a li ow c e ntersare o u t ofp h as e inmg or助 d o p edl ith i um n i o b ate， whi l e th o s e inln 书 o p e d l ith i um n io b 出 毗 inp h 出 姆 . we con s id e r d e fe c ts in d u ced 勿th e d i 月 七 r ent d o p antsm u stb e代 即 。 n s i b l etoth eo b s 留ed 传 s u lts. 七s u lts 云 o m a ft er 户 歹 。 叭h th e rma l ly 能a t e d l ith i um n i o b ate crys ta l s sh ow th at阁u 山on i s h e l p fu l toi m pr ove th e 幻 汾 0 心 o l orh o l o g ra p hic stora g e p e rforman“o f l ithi u mn i o b ate cry stal s . inchapters ， wc stud y th e t 日 m p e r 创 泊 r e d c p e n d enceo f th e d a r k d e c aybe h avioro f th eu lt r a v io let p h o to r e fr ac t i vc g 旧 t i n 罗 andth el j、 凡 l 认 coe ffic i ent c h ang e s ， 肥 s p e c t i v e l 又即do b ta inth e th e rma l a c t i v at i o nene r gy o f th e re1 a t e dd e fe c t cen t ers. b 议do nth e 传 sults 的o ve， we m a ke ad e ta i l ed d i seu s s i on on th e d y n azn i c s o f th e u ltrav io letp h ot ore 云 习 c t i v e e ffectinl ith i u mn i o b 魄 c ry stal s inc h ap te r 6 ， we s u m m ar i zeth is d i s s e 州 泊 t io n ， an d th eng i v e so m e s u g g e st i ons fo r th e fu rthcrre s e arch on th e e x p o rati on o f d e 阮t s tr u c tu r e s inl i th i u mn i o b 也， and th e 。 p t i m 1 z a t i o n o f 栩。 一 l orh o l o g ra p h i c sto. 唱 e p er fo rm即cc. k 即w o r d : i ithium n i o b ate， u l ti a v l o l 氏 p h otore 五 飞 c ti v e ， l i g h 卜 in d u c e dabs o rp t i 叽 two-co lorh o l o gr a p h i c stora g e ， d e fe c ts ， th e rma l activ at i o n ene r gy m 南 开 大 学 学 位 论 文 电子 版 授 权 使 用 协 议 ( 请将此协议书装订于论文首页) 论 文 呼 抚磁 姗排汽 也 以 脚系 本 人 “ 南开大学工作和学习期间创作完并己通过论文答辩. 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:己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 匹 直 丑 达 崖 圈书 馆关于 保 在 使 用学 位论 文 的 管 理 办法 . 同 意 南开大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16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 许读者浏览并下载全文。 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: 阅 拘 橙 拿 陇 学号: 日期: 0 耘于 7 ” 产少 ” 动日 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本;学校有权保存学位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论文: 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: 学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: 在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动. 学 位 论 文 作 者 签 名 : 付呼 呵年少 月 泌日 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: 讨冷产 众 学位论文作者签名: 付香 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) 断 秘密 10年 ( 最长10年， 可少于10年) 机 密 * 20年( 最 长20年 ， 可 少 于20年) 弧 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 研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 己 公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及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。 本学位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 :付 玲 ” 2 年 上 ” 劝日 第一章 紫外光折变效应及体全息存储技术与材料概述 第一章 紫外光折变效应及体全息存储技术与材料概述 激光自2 0世纪 6 0 年代问 世以 来，一直是全世界光学领域的 研究热点，导 致了 一系列新兴学科和应用技术的出 现，深刻地影响了当代社会科学、技术、 经济、军事等诸多方面的发展.光与物质的相互作用是光学研究的主要问题之 一， 但是， 传统弱光条件下，线性光学是主要的研究内 容，激光则以 其完全迥 异于普通光源的超高功率密度、方向性、单色性、相干性等特点，将人们带入 了非线性光学研究的时代。传统非线性光学起因于介质中的价键电子云在强光 场下 发生 畸 变11 ， 进而引起 激发 态的 能 级或跃迁矩阵的 微 扰变化， 造成极 化强 度 p 随光场e 的非线性变化。由于它要求入射光场具有与原子的束缚内电场 (3 、 10 sv /c m ) 可 相比 拟 的 数 量 级 ， 所以 也 称为 强 光 非 线 性 光 学 。 1 9 66年， 贝尔实验室的 ash ki n 等人在用泥酸锉件 协 几 0 3 ) 和担酸铿伍11 a 0 3 ) 晶 体进行光倍频实验时，发现聚焦的强激光会引起辐照区内 折射率的变化，从而 破 坏了 相 位匹 配 条 件。 他 们把 这 种 不 被期 望 的 效 应 称 为“ 光 损 伤” 12 ， 同 时 他 们 也发现这种“ 光损伤” 相当 顽固， 在暗环境下仍可保持很长时间。 两年后， c hen 等意 识到“ 光损伤” 材料是 一种 优 秀的光 学数据存 储材料 13 ， 从 而引 起了 人 们对 它的研究兴趣.为了和永久性的光损伤相区别，人们把它更名为“ 光折变效应” 口 h otore fr a c t i vee ffect)。 它 起因 于 入射光强的空间 调制， 而不是 绝对光强，即 使 使用的是毫瓦级的弱光，只要辐照时间足够长，同 样可以得到可观的折射率变 化，因此，它从物理机制上完全不同于强光非线性光学。这些在弱光条件下的 非线性光学效应，我们将它们归属于弱光非线性光学的范畴。近年来，国内外 在该领域的研究进展十分迅速，它己经成为非线性光学的一个重要分支。 第一节 光折变效应的物理机制 光折变效应是光致折射率变化效应的简称，它是电光材料在光辐照下由光 第一章 紫外光折变效应及体全息存储技术与材料概述 强的空间分布引起材料折射率相应变化的一种非线性光学现象。一般地，它只 和光强的空间调制有关，辐照光的强弱将会影响光折变过程的快慢。 多 年来， 人们对光 折变效应的 物 理机制 进行了 深入的 研究 叫1 ， 一 般来说， 光折变过程主要包括以下4 个主要步骤: l 光折变材料中 的 杂 质、 缺陷 和空 位可以 作为电 荷的 施 主或 受 主， 当材料 被空间调制的入射光场辐照时，亮区内的施主杂质上的电子或空穴被光激发， 产生光激发载流子。 12 光激发载流子( 在导带中的电 子或者价带中的空穴 ) 由 于浓 度梯度而扩 散、或由于外加电场作用而漂移、或由于光生伏打效应而运动. 3 迁移的 载流子 又被陷 阱重 新 俘获， 经过 激发、 迁移、 俘获、 再 激发、 ， 最终在暗区被陷阱俘获，造成正、负电荷的空间分离，形成与光强分布相对应 的空间电荷场。 4 空间电 荷场又 通过电 光 效 应使材 料的 折射率发生 调 制 变化， 形 成光折变 体相位栅，使入射光发生衍射。 其中，光激发载流子的迁移是一个较为复杂的物理过程，c h en等人首先提 出了 在外场或者晶 体内 极 化电 场作用 下的 漂移 机制 11 2 。 随 后， amod ei 等人又 提 出 了 光激发载流子由 于 光强梯度分布引 起的 扩散迁移机制 【 ， 3 ， 并 指出 在低电 导 材料、光栅间距较小的情况下，载流子的扩散是最主要的迁移过程。他们还指 出，如果相位栅的记录是通过自由载流子的漂移机制实现的，则两写入光束之 间没有能量转移，至少在写入光栅的稳态阶段是这样的;但是对于扩散机制， 两束写入光束之间会出现稳态的能量转移，能量转移的方向由自由载流子的符 号和有效电光系数的符号共同决定。后来， glas s 等还发现了一种新的载流子迁 移 机制 光生 伏打效应【 ， 叼 ，即铁电 体材料在光照下产生一 种反 平行于自 发极 化方向的光生伏打电流，这一效应对l in b 0 3 和li 丁 妞 0 3 晶体中光激发载流子的迁 移做出了主要贡献。 2 第一章 紫外光折变效应及体全息存储技术与材料概述 第二节 紫外光折变效应 对光折变效应的研究已开展了数十年，在理论框架的完善、光折变材料的 制备、实验技术水平的提高、可应用器件的开发等方面都取得了丰硕的成果， 但是我们也注意到，以往的研究工作主要集中在可见和近红外波段，这在很大 程度上限制了光折变效应的应用范围。近年来，人们对紫外波段的光存储、光 祸合材料的需求日益强烈，同时也对传统的光折变材料在紫外波段是否会产生 新效应充满了好奇，于是许多研究组都相继开始了 对紫外光折变效应的研究。 国 际上，早在1 9 ”年， 德国 科学 家orfo w sk i 和 k d tz i g 就曾 研究过 掺铁妮酸 锉和 担酸 锉晶体的紫外 光折变效应115 .i 刀 ， 并且指出 在紫外光下， 晶体中的电 子 和空 穴 会同 时参与 光折 变过 程。 人们还 对磷酸二 氢钾 ， 习 、 澳 化锌 枷【 1 刃 、 碘酸铿120、 硫酸 三甘 肤121 、 锗酸锡 【22 等 材料的 紫外 光折变效应 进行了 探索 性的 研究。19 92 年， ju ngen 报 道了 纯 妮 酸 锉 晶 体的 紫 外 光 折 变效 应 23l。 他 利 用 双 光 祸 合的方 法， 在3 5inm紫外光得到了 高达14cm一 1 的 双光祸合 增益系 数， 并 发现光 放大是单方 向的。 他们测定了 紫外光辐照 下的 光伏电 场大约为5 50v/cm 左右， 比 可见光下 小 很多。 通过对光放大的 方向 研究， j ung en 等人发 现， 在3 51nm 波长下空穴成 为主要的光激发载流子， 而扩散是光激发载流子的主导迁移过程; 而454 nln 波 长下，扩散仍然是光激发载流子的主导迁移过程，但是主要载流子己 经成为电 子;到了5 14 帅，光生伏打效应的贡献已 经超过了 扩散，晶体不再表现出光放 大 性 质。 最后， 他们得出 支持 k ra e 枕 19 等人的结论， 即 光伏电 场是电 子迁移参与 的过程，而与空穴无关，但他们并未给出这些光生载流子的来源。1993 年， m on te m e zzan i 等人通过对 k n b 仇晶 体紫外光折变性质的 理 论研究124， 建立了 一 种全新的光折变模型带际跃迁模型，指出在晶体内靠近表面的部分，由导 带内电子的空间分布而形成的光栅占主导地位，这拓展了带输运模型的物理涵 义， 即载流子不被陷阱俘获也能形成空间电荷场. 1 9 9 5 年， l a e r i 等人对妮酸铿、 担 酸 铿 、 碘酸 铿、 幼p 等晶 体 的 紫 外 光 折 变 性 质 作了 系 统 的 研 究 25 ! ， 肯 定 了 j un g en 等人的结果，认为紫外条件下空穴仍然是主要的载流子，扩散仍然是主要的电 第一章 紫外光折变效应及体全息存储技术与材料概述 荷迁移方式，并利用泥酸锉晶体紫外光折变效应实现了四波混频，自泵浦相位 共辘，同时提出了一种热固定光折变光栅的方法. 门 洲 r we， - ， ， ， ， es ， ， . 甲 ， we. ， ， ee一， ， 一， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 一 ， 城 一一一 、 一/ “ 、 可一污喊砚-p .加门的的 . . .闯 图l l掺镁妮酸锉中由 紫外光折变增强效应导致的信号光放大，曲 线自 上而下对应的掺镁 浓 度 分 别 为g m o l% ， s m of % ， 3 m o 10/.和。 四. 国内对紫外光折变效应的研究工作主要是从上个世纪九十年代开始的. 19 %年， 许京军等报道了 l ii 伪在低温条件下的紫外光 折变性质，并首次提出了 超离子相变光折变机制，认为lilo3 中形成补偿光栅的原因是铿离子的运动而不 是 质子 26 ， 271。 2 0 00 年， 许京军 等 研究了 掺 镁妮酸 铿晶 体的 紫外 光折变效 应， 发 现随着掺镁量的增加，晶体的光折变效应得到了极大的增强，衍射效率、双光 藕合系数、光电导、灵敏度都大幅提高，响应时间明显缩短，主要的载流子迁 移机制仍然是扩散，他们将这一现象称为高掺镁妮酸铿晶体的紫外光折变增强 效应 128 。 这个结果 突破了 人们对光折变效应的 传统认 识， 因为在可见光波段， 掺镁妮 酸铿晶体是一 种 优秀的 抗光损 伤材料， 当 掺 镁 量 超过闽 值浓度(46 m ol % ) 以后，晶体的抗光损伤能力会提高两个数量级，相同条件下写入光折变光栅的 幅度则降低两个数量级;而在紫外光波段，恰好是超过阐 值的掺镁妮酸铿晶体 具有最强的紫外光折变效应。同时，他们还预测掺锌、锢、杭等的呢酸铿晶体， 其所谓的抗光损伤性能仅在可见光波段有效，而在紫外波段它们都会表现出光 第 一章 紫外光 折变效 应及体全息存储技术 与 材 料概述 折变增强效应. 2004年，乔海军等对3 5llun下掺锌、掺锢、掺钠妮酸铿晶体的 光折变性质进行了 系 统的 研究 129， 他们发现这些晶 体 和 掺 镁妮酸 锉相类似， 在 紫外波段表现出 光折变效应增强的现象，从而证实许京军等的预测。他们还指 出，虽然主要的载流子迁移机制仍然是扩散， 但光放大的结果却显示出主导 光 激发载流子为电 子， 这与 前面的 报 道刚 好相反. 张国 权等 在高 掺镁(5 .o m of % ) 妮 酸锉晶 体中 发 现一个从近 紫外延伸到近红外的 宽紫 外 光致 吸收带13 0 。 他们认为 这一吸收带的出 现， 可能是由于阳离子空位附近的 护俘获了一个被紫外光激发 的空穴， 形成浅能级中心0 一 所致。 基于这一紫外光致浅能级中心， 他们在掺镁妮 酸 锉晶 体中 成 功实 现了 紫 外一 近 红 外 双 色 全息 存 储 131. 对紫外光折变效应的研究，让我们见到了许多不同于可见光波段的物理现 象，了解到了更多新的效应和物理机制，这样不仅拓展了弱光非线性光学的研 究领域，丰富了学科的内容，也使我们对各种材料的光学性质、缺陷结构有了 更为全面的认识，为材料的新应用奠定了坚实的基础。 第三节 光折变体全息存储技术 光折变效应从被发现之初，就被预言可以 用来进行光全息存储。多年来， 人们一直致力于各种存储机制、存储材料、存储技术的发展，时至今日，光折 变体全息存储仍然是一个充满活力的研究领域。究其主要原因，一方面是随着 信息时代的来临，互联网和多媒体技术飞速发展，人们可以利用和需要保存的 信息空前增长; 另 一方面， 磁存 储和传统的 光盘 存 储技术， 由 于1 位( bit) 数据只 能记录为存储介质表面高局域化的单一物理性质变化，己经越来越接近其工艺 极限，不能满足人们的需求.体全息存储技术，以其大存储容量、高存储密度、 快存取速度的特点为人们所青睐，成为最被看好的下一代存储解决方案. 如3 . 1光折变体全息存储的基本原理 在光折变介质中记录全息图， 通常使用的是二波祸合的几何配置，即让两 第一章 紫外光折变效应及体全息存储技术与材料概述 束 相 千 光 在 介 质 中 相 交 ， 其 中 一 束 称 为 信 号 光 ( 几= 人exp(- ik . 。 ， + tw t) ) ， 加 载 有 待 存 储 的 信 息 ; 另 一 束 称 为 参 考 光 ( 凡= 凡e x 祷火。 ， + ha) 通 常 选 用易 于 再现的准直平面波。在两束光的交叠区域内，会发生千涉，从而引起介质折射 率的调制变化，形成折射率光栅: 劫oc 人 成exp(- ik o r) + 。 .(l.1) 其中 ， k = 气 一 k z 为 光 栅 波 矢 ， 气 和k z 分 别 为 信 号 光 和 参 考 光 的 波 矢. 当 用参 考 光沿原方向照射晶体时，衍射光束为: 凡 ex 咋ik : 。 r 十 t). 人 成exp(- ik.r) = 囚， exp(- ik : 。 ， 十 t) 可以看出，衍射光完全是信号光的再现， 从而实现了信息的读出;同理 信号光进行读出时，也可以再现参考光。 盯.3 .2光折变体全息存储的 特点 ( 1 ) 高存储容量13 2 ， 3 3 ) 利用体全息存储严格的布拉格选择性，通过改变记录光的波长、入射角或 相位，可以在同一体积内存储多幅全息图。由于衍射结构的空间分辨率极限可 以达到辐照波长的数量级，这就决定了一个三维空间的存储容量极限在理论上 可以 达到1 厉， 若 卜s oolun， 则 极限 容量为8 、 1 01 2 b 讨 cm3 。 如果 将一本 上万页 的 书 存 储 在 一 块i cm3 的 l inb伪:f e 晶 体中 ， 每 页 的 信 息 量 按2 2 o x 2 20来 计 算， 则 一万个全 息图 的 存 储量才达到 4 、 10 12bi 吮m 3 ， 远未 达到 存储的 极限 值， 这么巨 大的存储量是一维和二维存储器所不能比拟的。 (2 ) 传输速度快 在体全息存储技术中，数据以“ 页面”的形式并行读写，这与传统存储技 术中按 “ 位” 操作的串行方式显著不同。此外，体全息存储使用无惯性、非机 械式的光束偏转或波长选择等寻址方式，而不像磁存储和传统的光盘存储所使 用的 机电 式动 臂 结构， 因 而寻 址时间 主要 受到 阳设备 (s l m 、 c c d 光电 探 测 器阵 第 一章 紫外 光 折变效 应及体全息 存储技 术与 材料概述 列 ) 和电 子 通 道的限 制。 目 前， 多 通道 c c d探 测阵 列的 运 行速 度己 可 达12 8 m h 比 ， 按每页 全息图中 包含1 0 3 bit信 息， 则读取 速率 可 高 达16g b /s 。 虽然光 折变存 储 材料的写入与擦洗时间相对较长 ( 秒数量级) ，但并行传输的高存取速度也在一 定程度上弥补了光折变材料响应时间慢的不足. (3 ) 实时性 与传统的全息记录手段 ( 全息干板)相比较，光折变全息存储不需要进行 化学的显影等手段而可以 实时写 入和读出， 这就大大 地方便了使用. (4 ) 可循环使用 如果需要更换光折变材料中 存储的 信息， 可采用均匀光辐照或升温的方法 压 in b o ， :f e 晶 体可 升至20少 c ) 全 部擦洗掉原 有的 全息图; 也 可通过相减 光学运 算 方法修改部分全息图。 (5 ) 信息 特征寻址功能 如果在读出时不使用原来的参考光，而改用携带数据图像的物光辐照公共 体积内由角度复用方法记录的多重全息图，将会得到一系列不同方向的“ 参考 光” ，它们各自 的强度大小代表对应存储图像与输入图像之间的相似程度，利用 这一关联特性，可以实现信息特征寻址操作.该功能在基于图像相关运算的快 速目 标识别、车辆自 动导航、卫星星图匹配定位、大型数据库的检索与管理等 方面具有十分重要的应用价值。 (6) 存储冗余度高 在磁存储和传统的光盘存储中，每 l bi t 数据占 据一定的空间位置，当存储 密度过大， 存储介质的缺陷尺寸与数据单元大小相当时，必将引起对应数据的 丢失。而体全息存储记录的是波动干涉图，每l bit的 信息都分布在介质的整个 体积中，即使记录介质局部出现缺陷或损伤，仍能读出全部数据，而不会造成 信息的缺失。 (7 ) 可 接受的 暗 存储时间 室温下，在无光照的情况下光折变晶体的介电弛豫时间短则几个小时 第一章 紫外光折变效应及体全息存储技术与材料概述 伍i n ， 长的 可以 达 到几个月甚至于 几 年 件 1跳。 ) 。 对于 信息要求不断 更新的 情 况，这一数量级的暗存储时间足可以满足要求.对于需要长期或永久保存的信 息还可以采用固定光折变光栅的方法进一步延长存储时间。 光折变体全息存储技术的这些优点是现今其他存储技术所难以完全达到 的。这项技术无论在军用的地形匹配、目 标识别和精确制导方面，还是在民用 的大型数据库建立、超高密度存储等方面，都有着很好的应用前景，因而，发 展光折变体全息存储技术，对我国的经济、科技、国防现代化的发展具有重要 惫义。 妇.3 .3光 折变 体全 息存储的固定技术 对存储在介质中的全息图进行读出时，由于光激发载流子的产生，读出光 总会对光折变光栅进行擦除，从而造成信息的丢失。于是，人们设计发明了多 种光栅固定方法来克服这个缺点。 1 、 热固定 法阳刀 热固定是在全息图记录过程之中或之后，给晶体升温，使原本在室温下迁 移率很低的离子变得活跃起来，在晶体中空间电荷场的作用下，这些离子开始 运动并补偿掉原来的空间电荷场。然后降温，此时晶体中就有互补的电子栅和 离子栅同时存在， 用均匀光辐照后，电子被重新光激发并趋于均匀分布，这样 由离子形成的全息图就被保留下来。 2 、 电 固 定 法 1 3 目 1 1 电固定先要在单畴晶体中沿自 发极化方向记录一个光折变光栅，然后施加 一个反平行于自 发极化方向、略低于晶体矫顽场的电场，由于晶体中 存在周期 性变化的空间电荷场，二者相至加， 使得所有与外电场同向的半个周期内的总 场超过了晶体的矫顽场，从而在这些区域内实现了铁电畴的极化反转。用均匀 光辐照后，原来的光折变光栅被擦除， 但是反转的畴光栅被保留下来， 从而实 现了全息图的固定。 第一章 紫外光折变效应 及体全息 存储技术与材料概述 3 、 光固定法 热固定 和电固 定最大的缺点是操作复杂， 不能进行实时固定，实用性较差. 相比 之下，光固定法要简单得多，它具有实时写入和读出，全光学方法固定， 敏化光可以擦除噪声栅，提高衍射效率等优点， 近年来成为研究热点。 (l ) 双 色 非 挥 发 全息 存 储4 侧 刀 这是目 前被研究得最广泛的一种全光操作的实现非挥发存储的技术，最早 是由v o n der l in de等在1 9 7 4 年提出的. 不过当时主要是在高光强激光脉冲条件 下进行的。 1 9 9 7 年， b ai等人在低光强连续光条件下实现了双色全息存储， 从而 大大推动了该技术的发展。其具体原理将在第二章中详细介绍。 (2 ) 双 波 长 存 储 侈 咧 这种方法先是用短波长的记录光在晶体中写入全息图，然后用长波长的光 沿布拉格适配角入射，进行读出，由于读出光的光子能量不足以再激发出被俘 获的电子， 也就不会对全息图造成擦除， 从而实现了无损读出。 但是如果晶体 中存有多幅全息图，这种方法在读出时会引起信息串扰和图像失真。 第四节 光折变体全息存储材料 再先进的全息存储技术最终也要受到存储材料性能的限制，因此，开发出 光学质量好、灵敏度高，折射率变化大、 性能稳定的存储材料是全息存储领域 最基本、也是最核心的问题. 夸 1 .4 . 1 光折变体全息存储材料的 种类及 特点 到目 前为止，人们常用的全息存储材料主要有:银盐材料、光致抗蚀剂、 光导 热塑 材 料、 重铬酸盐明 胶口c g)、 光 致 聚 合 物、 光致 变色材料、 和光 折 变 材 料。其中，光折变材料以其动态范围大、存储时间长、生长工艺成熟等优点， 受到广泛关注。各种光折变材料之间的光学、电学和结构特性差别也很大， 但 它们也有一些共同点，比如可在光致内电场的作用下发生晶格畸变，进而导致 第一章 紫外光折变效应及体全息存储技术与材料概述 本论文主要在以下几个方面开展工作: 【 1掺 镁、 锌和 锢 妮酸 铿晶 体的 紫外 光致吸收 效 应 光致吸收与晶体中的能级结构以及载流子的激发、弛豫有着密切的联系. 我们对妮酸铿晶体中紫外光致吸收现象随镁、锌、 锢等离子掺杂浓度的变化关 系进行了详细的研究，从而得到了晶体中准稳态能级的信息，同时对掺杂离子 在晶体中的占 位机制有了更为深入的理解. 2 妮酸 铿晶 体的 双色全息 存储性能 双色全息存储技术能够有效解决读出过程中信息的 “ 挥发性”问题，因此 一直是近年来全息存储领域的研究热点。我们在不同掺杂种类、掺杂浓度和晶 体组分的 妮酸铿晶体中，系统地进行了紫外一红光双色全息存储的实验研究， 并与红光单色全息存储的相应结果做了详细对比， 基本掌握了紫外光对晶体存 储性能的影响.通过分析掺杂浓度变化造成实验现象不同的原因，使我们对晶 体内部与双色光折变过程有关的能级结构有了更清晰的认识。另外，我们还仔 细研究了氧化、还原处理后妮酸锉晶体双色全息存储各个参数的变化，这对进 一步优化晶体在紫外波段的存储性能具有一定的指导意义. 3 】 妮酸 铿晶 体 紫外 光折 变中 心的 热激活能 热激活能反映了晶体中能级中心的热稳定程度，便于直观地比较各个能级 在晶体禁带中间的相对位置，这对晶体能级模型的构建至关重要.我们分别测 量了 掺镁、锌和锢妮酸铿晶体中紫外光折变光栅缺陷能级中心、紫外光致吸收 中心的热激活能，并结合紫外光致吸收、双色全息存储的实验结果，提出了一 个缺陷模型，定性解释了紫外光折变相关的动力学过程。 第二章 光折变效应的电荷输运模型 第二章 光折变效应的电 荷输运模型 研究任何抽象的物理问题，人们都会先建立起对应的模型，以便直观地描 述其中的物理过程，光折变效应也不例外。随着对其微观物理机制的深入了解， 1 97 9 年， k u kh ta re v 等提出了 一个描 述 光折 变效 应的理 论模型1，6 门. 该 模型同 时 考虑了材料中光激发载流子的三种迁移机制，定量地说明了光折变效应的微观 过程，并成功地解释了掺铁与掺铜妮酸铿晶体中的稳态光折变现象，因此被人 们普 遍 接受， 并 称之为带 输运模型(b an d tian s po rtm o de d 。 之后， 各种电 荷输 运模型被相继提出以描述不同条件下的光折变过程。 第一节 单中心模型 单中心模型是最早被提出来的 阴， 其他模型基本上都是在它的基础上发展 起来的。单中心模型的出发点是假设晶体中含有杂质或缺陷，它们形成一个能 级， 主导载流子为电子或者空穴，能级图如图2. 1 所示 ( 下面我们假设主导载流 子为电子) 。电子可以从填充的陷阱c 一 被光或热激发至导带，导带中的自由电子 图2 . 1单中心模型能级示意图。 第二章 光折变效应的电荷输运模型 可以 和空的 陷 阱 co复合， 通常c 一 / co能 级的 位 置 对应 于从c 一 激发电 子到导 带所需 的 热 激 发能， 而光 激发能 量则更大 一些。 令 施 主杂 质c 一 数密度为凡， 被电 离的 施 主 co 数 密 度 为 心， 其 速 率 方 程 为 : 臀二 (s，+廊 一 司 一 别 溯 ( 2 . 1 ) 其中 ， 5 是 光 激发截面， 1 是入射光强， 刀 是 热 激发 速率，八是光电 子 与陷阱的 复 合 常 数 ， n (r ) 为 导 带 中 电 子 的 数 密 度 . 导 带 中 电 子 的 产 生 率为 : 刃匀 (2(2 色 次 = 丝 位十 与。 j ate 其中，j 是电 流密度，e 是电子电荷.电流密度j由3 部分组成: j = e 娜e 十 朽 知v n + j 户 式中第一项是电 场作用下的漂移电 流密度，e 包括外加电 场凡和空间电 荷场 e 二 ; 第 二 项 是 扩散电 流， 凡是 玻 尔 兹 曼 常 数 ， t 是 绝 对温 度， 产 是 迁 移 率; 第 三项是光生伏打电流。导带中的光电子经过各种迁移过程，最终在暗区被陷阱 俘获，造成了电荷的空间分离，这些电荷又在晶体中建立了空间电 荷场， 足泊松方程: ; . : 一 二(n 石 一 。 一 二 ， ) 石 . 并满 (2一 4 ) 其中 ， 和e 。 分 别是 介 质的 相 对 介电 常 数 和 真 空 介电 常数;n ， 为 受 主 数 密 度， 它 是 取 决 于 材 料 性 质 的 常 量， 无 光 照 时 ， n 石 (i = 0) = n ， ， 从 而 保 证 了 暗 状 态 下 介质的电中性。最后，空间电荷场通过电光效应使介质的折射率发生改变: ， = 一 圣 摊 “ r o e 二 (2.5 ) 方 程 (2 . 1) 一 ( 2. 5) 描述了 单中 心条件 下 光 折 变效应的 整个动力学 过 程。 早 期的 .1 9 第二章 光折变效应的电荷输运模型 全息存储技术的机制基本上都可以用单中 心模型来解释，很明显，如果读出光 和记录光的波长相同，读出光就会再次激发杂质或缺陷中心 c上的电子，对光 栅进行擦除，从而造成了已存储信息的丢失，而这是我们所不希望出现的，所 以，人们采用了多种方法来进行光栅的固定，其中也包括后面将要提到的双色 全息存储技术。 第二节 电子一空穴竞争模型 1 978 年， orlows ki 和k ra 忱 1 9 在光祸合 实验中 发现， 电 子和空穴会同 时参与电 荷输运，它们对电导率的相对贡献取决于激发光的波长和晶体的氧化一还原状 态 11 6 。 1 9 86年 ， valley 同 时 考 虑了 电 子 和 空 穴电 流 ， 提出 了 能 够 详 细 描 述 这 一 电 荷输 运 过 程的 模型 【，9. 事实 上， 它是 对单中 心 模型的 直接扩展， 如图2 2所示， 热或 光 将价带中 的电子 激发到co， 同 时， c 一 上的电 子也可以 和价带中 的 空穴 复 合，把这两种情况对应添加到速率方程中，最终得到的结论是在调制光辐照条 件下，二者之间的竞争降低了空间电荷场。 图2 2 电子空穴竞争模型能级示惫图. 第二 章 光 折变 效 应的电 荷输运模型 第三节 双中心模型 为了 解释包含两个不同时间常 数的 光栅擦除过程， vall ey于 1 9 53年提出 一 个 双中 心 模型 80， 不过 他当 时 并 没 有 把合 适的 热激发速率 考虑进去。 1 9 86年， les aux ， r oos en和b run 通过对瞬态光电 流的测量推断出浅能级中心对电荷输运是 有 贡 献 的 151 】 。 1 9 8 8 年， br o st ， m otes 和 r ot g 用 双 中 心 模 型 解 释了 光 致 吸 收 变 化 【52 ， 他们认为浅能级上的杂质或者缺陷中 心具有较大的热激发速率，这对于理解光 折 变 性质的 时间 演化随光强和 温 度的 依 赖关 系是至关重 要的。 19 89年， h ol tman n 把这 个模型 应用到 对光电 导的 研 究 上 15 2. 62.3 . 1 双中 心 模型的 基本 原 理 双中心模型的能级结构如图2. 3 所示， 晶体禁带中存在两个不同的光折变中 心，其中 c l 为深能级中心，c z 为浅能 级中心，它们分别有 2个价态， 都可以被 光或热激发电子到导带，也可以 和导带中的自由电子复合。 图2 3双中 心模型能级示意图. 在不考虑两个中心间直接电子交换的情况下，可以分别得出 其被离化的施 主速率方程为: 第二章 光折变效应的电荷输运模型 一 令 1 ， + 八 玩一 ， 子 ) 一 产 1 二 ，n 介 ) (2.6 ) 二 (sz ， + 几 如2 一 叫) 一 、 从 n(r ) ( 2 . 乃 丝、丝、 导带中电子的产生率、总的电流密度和泊松方程分别为: 全 次 = 里 笠 十 里 笠 + 纷。 j 贪e j= 次 己 脚透+无 ， 乃 ， n + j ， ， + 临: v . : 一 二阮十 、 ; 一 n 一 凡 ) 忍 万 . 利用双中心模型可以处理许多单中心模型所无法解释的问题 中心系统中，总的空间电荷场取决于两个能级上光栅的幅度以及它们之间的相 对 位 相， 这样就很容易理 解暗衰 减 初期 全息 光栅衍射效率的 增加 【84)， 是由 于 深、 浅能级中心上光栅相位相反，浅能级光栅的快速热擦除使总的空间电荷场增大 而造成的。 矜3 2双色非挥发全息存储 前面我们曾经提到， 基于单中心模型的全息存储方法，在读出时会造成信 息的挥发。为了解决这一问题，人们提出了多种光栅的固定技术，如热固定、 电固 定、双色全息存储、双波长存储等. 其中，双色全息存储技术以其简单方 便的全光操作特性而受到广泛关注。 双色全息存储技术的原理如图2 .4 所示。 样品本身对长波长的记录光入 1 并不 敏感， 但是当短波长的敏化光抽 存在时， 它较高的光子能量可以把样品中较深能 级中心上的电子经由导带激发、俘获到浅能级中心上，从而敏化了浅能级中心， 增加了 入 1 可激发电子的数量，宏观上表现为增大了对入 ， 的吸收。 记录过程中，当 导带中的电子运动到暗区时，将分别回落到深、浅能级中心上，形成光折变光 第二章 光 折变效应的电 荷输运模型 栅; 读出 时，由于 入 . 不能激发出 深能 级上的电 子， 所以只会将浅能 级上的 光栅擦 除掉，而深能级上的光栅被保留下来，从而实现了非挥发存储。 这种方法的优 点是样品对入 1 的吸收较小， 在折射率调制相同的情况下就可以产生较强的读出信 号，并可以避免读出过程中产生光损伤;另外，对敏化光的相干性没有严格的 要求，甚至可以使用非相千光源。 图2 4双色全息存储的 能级 结 构示意图 ( a) 和基本实 验光路 配置 助。 可以看出，双色非挥发全息存储技术其实就是利用了双中心模型的机制， 它要求样品中存在至