（光学工程专业论文）mg系列铌酸锂晶体光折变性能研究.pdf

哈尔滨理工大学了学硕士学位论文 m g 系列l i n b 0 3 晶体光折变性能研究 摘要 本论文中采用提拉法生长了一系列m g ：f e ：l i n b 0 3 晶体，研究了晶体的 生长工艺、结构及光学性能。探索出生长同成分铌酸锂晶体合适的工艺参数 ( 温度梯度、晶体生长速度、晶体旋转速度) ，保持了平坦的固液界面。 晶体的红外吸收光谱表明，当镁的掺量达至u 6 m 0 1 时，m g ：f e ：l i n b 0 3 晶 体吸收峰由低掺镁量的3 4 8 2 e m 以附近移到了3 5 3 5 e m 以附近，说明n m 9 2 + 的掺 杂浓度为6 m 0 1 时已经达到了阈值浓度。晶体的紫外可见吸收光谱表明， 晶体随掺镁量的增大吸收边发生紫移。提出t m g 在晶体中的占位模型：在 掺m g 量低子阈值浓度时，m g 离子取代反位铌n b l i ；高于阈值浓度时，m g 离 子同时进入正常的n b 位和l i 位。 测试t m g ：f e ：l i n b 0 3 晶体的体全息存储性能，包括衍射效率、响应时 间、擦除时间以及抗光致散射能力等，发现晶体中的l i n b 比, 的变化以及晶 体的氧化还原状态都影响m g ：f e ：l i n b 0 3 晶体的体全息存储性能：l i 饿b 比增 大，衍射效率下降，响应时间缩短，抗光致散射能力增强。 对m g ：f e ：l i n b 0 3 晶体进行正交试验分析：讨论l i n b 比和m g 的含量 对晶体的抗光损伤阈值、衍射效率、建立时间和擦除时间影响大小主次关 系。 晶体的抗光损伤阈值影响大小主次关系为l i n b 比，m g 的含量及 l i n b 比与m g 的含量交互作用。晶体的衍射效率影响大小主次关系为， l i n b 比，m g 的含量，l i n b 比与m g 的含量交互作用。晶体的写入时间影 响大小主次关系为，m g 的含量，l i n b 比，l i n b 比与m g 的含量交互作 用。晶体的擦除时间影响大小主次关系为，l i n b 比，l i n b 比与m g 的含 量交互作用，m g 的含量。 综上所述，通过选择适当的掺杂离子、掺杂浓度以及晶体中的l i n b 比，可以调节晶体的体全息存储性能，进而获得性能优良的体全息存储晶体 材料。 关键词镁铁铌酸锂晶体；晶体生长；体全息存储 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 s t u d yo ng r o w t ha n dp h o t o r e f r a c t i v ep r o p e r t i e so f l i t h i u mn i o b a t ed o p e dw i t hm a g n e s i u ma n di r o n a b s t r a c t s e r i e so fm g ：f e ：l i n b 0 3c r y s t a l sw e r eg r o w nb yt h ec z o c h r a l s k im e t h o d t h eg r o w t ha n ds t r u c t u r ea n dt h eo p t i c a lp r o p e r t i e so ft h ec r y s t a l sw e r es t u d i e d 。 a p p r o p r i a t ep a r a m e t e r s ( t e m p e r a t u r eg r a d i e n t ，p u l l i n gs p e e da n dr o t a t i n gs p e e d ) a r ec h o s e nd u r i n gt h ec r y s t a l g r o w t hp r o c e s st om a i n t a i nt h ef l a ts o l i d 1 i q u i d i n t e r f a c e o ha b s o r p t i o np e a ko fm g ( 6 m 0 1 ) ：f e ：l i n b 0 3c r y s t a ls h i f t st o3 5 3 5 c m 。1 c o m p a r e dw i t ht h a to fo t h e rc r y s t a l sd o p e dw i t hl o w e rm gc o n c e n t r a t i o n3 4 8 2 c m 1 ，w h i c hi n d i c a t e st h a tm gd o p i n gc o n c e n t r a t i o no f6 m 0 1 i so v e rt h et h r e s h o l d w i t ht h ei n c r e a s eo fm gd o p i n ga m o u n t ，t h ea b s o r p t i o ne d g ei nu l t r a v i o l e t v i s i b l ea b s o r p t i o ns p e c t r ao fm g ：f e ：l i n b 0 3c r y s t a ls h i f t st ot h ev i o l e t u s i n g i n f r a r e ds p e c t r aa n da b s o r p t i o ns p e c t r a ，t h el o c a t i o no fm gi nd o p e dl i n b 0 3 c r y s t a l sw e r ec o n f i r m e d ，a n dt h el o c a t i o nm o d e lw a sg i v e n b e f o r et h ed o p e d c o n c e n t r a t i o no fm ga c h i e v e si t st h r e s h o l dm gt a k e sa n t i - s i t en b ( n b “) ，a n dw h e n t h ed o p e dc o n c e n t r a t i o no fm go v e ri t st h r e s h o l d ，m ge n t e r sn b s ba n dl i l is i t e s a tt h es a m et i m e t h eh o l o g r a p h i cs t o r a g ep r o p e r t i e si n c l u d i n gd i f f r a c t i o ne f f i c i e n c y ，r e s p o n s e t i m e ，e r a s et i m ea n dp h o t od a m a g er e s i s t a n c ea b i l i t yw e r em e a s u r e d w ef o u n d t h a tt h e h o l o g r a p h i cs t o r a g ep r o p e r t i e s o ft h e m g ：f e ：l i n b 0 3c r y s t a l sw e r e a f f e c t e db yt h el i n br a t i oa n dt h et r e a t i n gs t a t eo f c r y s t a l s t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ed i f f r a c t i o ne f f i c i e n c ya n dr e s p o n s et i m ed e c r e a s e da n dt h ep h o t od a m a g e r e s i s t a n c ea b i l i t yi se n h a n c e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fl i n br a t i o t h eh o l o g r a p h i cs t o r a g ep r o p e r t i e so fl i n b 0 3c r y s t a lc o u l db ea d j u s tb y d o p i n gi m p u r i t i e sa n dc h a n g i n gl i n br a t i o t h el i n b 0 3c r y s t a lw i t he x c e l l e n t h o l o g r a p h i cs t o r a g ep r o p e r t i e sw o u l db eg a i n e db yt h e s em e t h o d s k e y w o r d sl i t h i u mn i o b a t ec r y s t a lc o - d o p e dw i t hm a g n e s i u ma n di r o n ，c r y s t a l g r o w t h ，h o l o g r a p h i cs t o r a g n 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文( m g 系列l i n b 0 3 晶体光折变 性能研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独 立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含 他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 、l 艾 作者签名： 纱f 乃汝日期：勿习年乡月纠日 o 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 m g 系列l i n b 0 3 晶体光折变性能研究系本人在哈尔滨理工大学攻 读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈 尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完 全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理 工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部 或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密韧。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：易l 斌日期：加夕年乡月叫日 导师签名： 突垄日期：2 巧年；月z 1 日 l 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 l 。1 课题研究目的及意义 在信息存储方面，光学体全息存储相对于一维线存储和二维面存储来说具 有独特的优点，从而应用前景广阔。光学体全息存储是用三维存储器实现的， 三维存储器与一维和二维存储器比较有以下优点： 第一，三维存储器具有极高的存储密度。光存储器的最大存储密度可以达 n ( 1 ；o 疗的数量级，此处兄是记录光的波长，提记录介质的空间维数【1 1 。也就是 说，在记录光波长相同情况下，存储介质的维数会使存储密度发生几个数量级 的变化。 第二，高冗余度1 2 1 。全息图形式存储的信息是分布式的，每一信息单元都 存储在全息图的整个表面上，故记录介质的局部损坏不会使记录信息丢失，这 是磁性存储或光盘存储所没有的优势。 第三，可进行并行内容寻址。全息存储器可以直接输出数据页或图像的光 学再现，这使信息检索以后处理更为灵活。在再现出的光学像被探测到并被转 换成电子数据图样之前，就可以对它们用光学方法进行并行处理，以提高存储 系统进行高级处理的功能【3 1 。采用适当的光学系统，有可能一次读出存储在整 个全息存储器中的全部信息，或在读出过程中同时与给定的输入图像进行相 关，完全并行地进行面向图像( 页面) 的检索和识别操作。这种独特的性能可、 以实现用内容寻址的存储器，成为全光计算或光电混合计算的关键器件之一， 在光学神经网络、光学互连，及模式识别和自动控制等应用领域中有广阔的应 用前景4 1 。 第四，高的数据传输速率和快的存取时间。全息图采用面向页面的数据存 储方式，即数据是以页面的形式存储和恢复的。一页中的所有位都并行地记录 和读出，而不是像磁盘和光盘那样，数据位以串行方式逐点存取。全息页面的 读出与探测器的响应时间有关，与高帧速、高分辨率的c c d ( c h a r g ec o u p l i n g d e t e c t o r ) 探测器阵列相结合，在1 0 0 9 s 的时间内并行恢复一页数据，得到总的数据 传输速率为1 0 g b i t s t 5 i 。另外，全息存储器用无惯性的光束偏转、参考光束的空 问位相调制或波长调谐等手段，在数据检索过程中有可能进行非机械的寻址， 这使得寻址一个数据页面的时间小于1 0 0 t s 。 哈尔滨理工大学工学硕+ 学位论文 第五，由于光全息存储器受外界磁场影响小，抗干扰能力强，可在强磁场 环境下使用。 第六，存储寿命长。磁存储的信息一般只能保存2 - 3 年，而只要光存储介质 稳定，存储寿命一般都在1 0 年以上f 6 1 。 光学体全息存储材料要求具有高容量、保存时间长、高信噪比和可重复写 入等特点。从2 0 世纪6 0 年代的铌酸锂和钛酸钡晶体具有光折变效应的发现至 今，用于光学体全息存储的光折变无机晶体材料随着信息产业的发展取得了长 足的进步。原则上所有的光折变材料都可以写入折射率体光栅，都可以用来制 作光折变三维存储器。但是从商业应用的角度考虑，目前最适合于制作成大容 量的三维体全息存储器的光折变材料是铌酸锂( l i n b 0 3 ，l n ) 晶体，它具有 些其他光折变材料不具备的优点，使它成为光折变三维存储器的首选材料。 例如： 1 铌酸锂晶体的造价低廉，它不需要苛刻的生长和处理条件，容易拉制成 大尺寸单晶，晶体的成品率高； 2 铌酸锂晶体的光折变敏感波段在可见波段，利于仪器设备的调节； 3 铌酸锂晶体适用温度范围广，居里温度在1 2 0 0 左右，不存在像 b a t i 0 3 晶体那样的低温相变的问题 7 1 ； 4 铌酸锂晶体不易退极化。很多光折变晶体的退极化时间很短，只有几天 到几个月。晶体退极化后，其内存储的信息自然就会丢失。铌酸锂晶体在极化 处理后，很难观察到它的退极化现象： 5 铌酸锂晶体的衍射效率较高，可达8 0 以上，衍射效率在不同的耦合角 度下比较均匀，几乎不变。这就为角度编码提供了有利条件； 6 铌酸锂晶体全息图固定技术方法多，有电固定法、热固定法和双光子固 定法，其中双光子固定法读写和擦除速度快，数据转换效率高，具有极好的实 际应用前景【引。 近年来，人们对l i n b 0 3 晶体进行了大量的深入的研究，主要的研究领域 有： 1 晶体生长的工艺条件、晶体结构及缺陷、掺杂离子在晶体中占位的研 究； 2 掺杂杂质元素对l i n b 0 3 晶体性能的影响； 3 掺杂稀土元素的l i n b 0 3 晶体的发光及相关器件的研究： 4 l 甜b 0 3 晶体的光折变性能的研究1 9 ； 5 化学计量比l i n b 0 3 晶体的生长及性能研究； 哈尔滨理工大学t 学硕上学位论文 6 l i n b 比变化对l i n b 0 3 晶体性能影响的研究； 7 l i n b 0 3 晶体作为基片的光波导器件的研究。这些研究使得人们对 l i n b 0 3 晶体有了较全面的了解，使得这种晶体在生产中得以较为广泛的应 用。 1 2 铌酸锂晶体简介 铌酸锂( l i n b 0 3 ，简称l n ) 晶体是具有氧八面体结构的人工合成多功能 铁电体。它集压电、电光、声光、光学非线性和光折变等效应于r 身，在光调 制、光放大、光开关和光波导等众多方面有着广泛的应用，特别吸引人的是它 在光全息存储领域的应用前景，是迄今人们所发现的光学性能最多、综合指标 最好的人工晶体【1 0 1 。自从1 9 6 5 年用提拉法成功地生长出高质量、大尺寸的单 晶以来，对其研究有了迅速的发展，现已广泛地用于制作各种光学及压电器 件，如声表面波器件、高频高温换能器、红外探测器、激光调制器、激光倍频 器、矿开关、光参量振荡器、无线电高频带通滤波器、延迟线、光波导器件 等。l i n b 0 3 晶体的物理和化学性能稳定、半波电压不太高、易于获得较大尺 寸、均匀性好的块状材料，被视为集成光学中许多光学元件重要的衬底材料。 但这种晶体的抗光损伤能力较弱，从而限制了这种晶体在实际中的某些应用。 l i n b 0 3 晶体是具有氧八面体结构的铁电体，其结构的特殊性使得这种晶体可 以掺入几乎所有的金属离子，从而使l i n b 0 3 晶体的性能发生改变。而且掺杂 具有一定的规律性，这种具有一定规律性的掺杂可以使我们在得到晶体材料前 对晶体进行一些性质上的预告，从掺杂剂的种类和掺杂浓度上进行选择，从而 得到我们所希望的l i n b 0 3 晶体材料。 1 3 铌酸锂晶体结构及其缺陷模型 1 3 1 铌酸锂晶体结构 铌酸锂( l i n b 0 3 ) 晶体属三方晶系，其结构可视为由氧原子的畸变六角密 堆积形成三种氧八面体，最小的八面体由n b 离子占据，体积居间的八面体为l i 离子占据，而最大的八面体为空( 用“口 表示) 。在高温状态的顺电相为j 朋 点群，在低温的铁电相，其结构发生畸变，成为3 m 点群。在l i n b 0 3 的晶体结 构中，负离子0 2 堆积成晶格骨架，0 2 形成平面层，沿c 轴方向堆积，正离子 啥尔滨理工大学t 学硕士学位论文 l i + 和n b 5 + 填充在骨架中。顺电相中，l i + 离子位于氧三角形平面层内，是三配 位的，n b ”离子位于两层氧平面层之间，六个o 离子在其周围呈八面体配位。 当晶体从高温越过居里点变成铁电相后，晶格发生畸变，使得l i + 和n b 5 + 的位置 发生了一点微小的移动：l i 十离子不再位于氧平面层上，而是沿+ c 轴有一个位 移( o 7 l a ) ，进入两层氧平面层之间；n b 5 + 离子也有一个位移( o 2 6 a ) ，不 再位于氧八面体配位场的中心【1 1 i 。 量 l l n b oo、 o x y g e n p l a n e a )” a ) 顺电相； b ) 铁电相 图1 1 铌酸锂晶体结构示意图 f i g 1 ls k e t c hm a po f l i n b 0 3c r y s t a ls t r u c t u r e 最终结果是l i + 和n b 5 + 都位于畸变的氧八面体配位场中，沿+ c 轴方向阳离子的排 布次序依次为l i 、n b 、口、l i 、n b 、口、( 口表示空位) 。图1 1 是l i n b 0 3 晶 体的结构示意图。 1 3 2 铌酸锂晶体的本征缺陷 在固液同成分组成的l i n b 0 3 晶体中，l i n b o 9 4 6 1 0 0 65 51 3 51 2 70 4 9 74 39 78 02 3 84 05 54 42 9 93 74 01 58 9 1 02 61 6 7 4 6 8 4 3 晶体的抗光致散射能力 本实验中利用直接观测光斑畸变法测试了晶体的抗光致散射能力，实验装 置如图4 3 所示。测试条件为：光源5 3 2 n m 的半导体激光器，激光的光束经过光 阑、透镜后，聚焦于晶体上。透镜焦距1 0 e m ，光斑直径2 。5 m m ，所有样品均为 y 面通光，2 光入射。通过透镜后光束的束腰直径为 d = 4 f 2 ( n d )( 4 8 ) 其中厂为透镜焦距，a 为波长，d 为进入透镜前光束直径对于连续光，激光在束 腰直径处的功率密度肭 k = 矽s = 4 w o r d 2 ) = r r w d 2 ( 4 f 2 2 2 ) ( 4 9 ) 暗尔滨理工大学工学硕士学位论文 哟晶体出现光损伤时的激光输出功率，勋光斑照到晶体上的面积。 用激光照射晶体1 0 分钟后观察光斑是否变形。当光束通过晶体时，若激光 功率密度较低，在光屏仍为一圆斑，如图4 4 a 所示。不断地加大激光的功率密 度，并观察光屏上光斑的变化，当激光功率密度增加到某一值对，晶体内部产 生光损伤，透射光斑沿晶体c 轴方向拉长，如图4 - 4 b n 示。 c o m p u t e r 图4 3 抗光散射能力测试实验装置 f i g 4 - 3e x p e r i m e n t a ls e t u p f o r p h o t os c a t t e r i n gr e s i s t a n c ea b i l i t y ( a ) 光损伤前的光斑图形( b ) 光损伤后的光斑图形 图4 - 4 晶体透射光斑的变形情况 f i g4 - 4 t r a n s m i t t e db e a md i s t o r t i o n so f t h ec r y s t a l 我们把透射光斑开始变形时的激光功率密度定义为晶体的抗光损伤阈值 胄。测试结果如表4 - 1 所示。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 4 4 全息存储原理图及存储图像 图4 - 5 双光子全息存储光路图 f i g 4 - 5l i g h tp a t hs c h e m eo ft w o p h o t o nh o l o g r a p h i cs t o r a g e 1 0 在传统存储技术中数据通道是一维的，而体全息存储系统中的数据通道是 二维的，除了受到传统通道中噪声的干扰外，体全息存储通道还受到二维混合 光电噪声的影响，形成特殊的二维错误模式，因而，研究适用于体全息存储系 统的纠错码与数据交错技术是一个巨大的挑战；另一方面，因为体全息存储系 统中数据的数字特征，允许采用灵活的信号记录和探测方法，使我们在纠错码 与数据交错的选择与设计上有很大的自由度。 图4 5 为全息存储原理图。上图中1 为固体激光器，2 为分束镜，3 为反射 镜，4 为扩束镜，5 为准直透镜，6 是空间光调制器，7 是傅立叶透镜，9 时存储 晶体，1 0 是c c d 探测器。 4 6 中的照片为晶体存储图像。其中掺入m g 以后图像明显减少了噪声光 斑。 哈尔滨理工大学工学碗士学位论文 囤4 - 6 晶体存储图像 f i 9 4 - 6 p i c t u r eo f h o l o g r a p h i cs t o r a g e 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 4 5 抗光损伤机理研究 按照当前占主导地位并被人们广为接受的铌酸锂晶体的锂空位缺陷结构模 型：同成分铌酸锂晶体中因锂的缺少导致锂空位，为了电荷平衡，一部分铌也 进入锂位，形成反位铌。对于高掺镁l i n b 0 3 晶体，我们认为，m 9 2 + 首先取代 占据锂的反位铌，当所有的反位铌均被取代后，m 矿十将取代正常晶格中的 n b 5 + 。 在双掺m g ：f e ：l i n b 0 3 晶体中主要存在两种电子受主，分别为( f e l i ) 2 + 和 ( n b l i ) 4 + ，其中前者占主导地位。它们共同对光电导产生影响。 在m g ：f e ：l i n b 0 3 晶体中m g 离子并没有直接参与光栅的形成过程，因此， 光激载流子输运过程主要由光折变敏感中心( f e l i ) + ( f e l i ) 2 十来完成。在m g 的掺 入量达到阈值浓度以前，m 9 2 + 主要以取代反位铌( n b l i