石宏新,　任常愚,　李　社,　張　琳,　尹向?qū)?　周　波

(黑龍江科技大學(xué) 理學(xué)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?qū)?周波

(黑龍江科技大學(xué) 理學(xué)院, 哈爾濱 150022)

為了提高晶體的響應(yīng)速度和抗光散射能力,利用光致雙折射和二波耦合實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)地研究了488 nm波長下Hf4+摻雜濃度為閾值摩爾分?jǐn)?shù)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(jié)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(yīng)時(shí)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(zhì)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(diǎn),被認(rèn)為是體全息存儲的優(yōu)質(zhì)記錄材料。但Fe∶LiNbO3晶體的響應(yīng)時(shí)間長、散射噪聲強(qiáng)等缺點(diǎn)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(yīng)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?jǐn)?shù)為4%。由于Hf4+是一個(gè)4價(jià)離子,這個(gè)價(jià)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(xué)計(jì)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(xué)性能都與晶體內(nèi)的[Li]/[Nb]有關(guān),隨著[Li]/[Nb]的增加晶體的結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn),系統(tǒng)地研究了488 nm波長下Hf4+摻雜濃度為閾值摩爾分?jǐn)?shù)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(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。

1　實(shí)驗(yàn)樣品與光路

實(shí)驗(yàn)中所用的3塊雙摻Hf∶Fe∶LiNbO3晶體都是采用Czochralsk技術(shù)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(jīng)過任何后處理過程。樣品中Fe2O3的摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.03%,HfO2的摻雜摩爾分?jǐn)?shù)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(shí)驗(yàn)中所用晶體的HfO2摩爾分?jǐn)?shù)fHfO2和Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)wFe2O3及[Li]/[Nb]見表1。

表1　熔融態(tài)下樣品中原材料成分

實(shí)驗(yàn)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(bǔ)償法[15],圖1為其改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)光路。由Ar+激光器發(fā)出的488 nm波長的激光束經(jīng)一個(gè)聚焦透鏡垂直照射在后焦面處的晶體上產(chǎn)生光損傷,光強(qiáng)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(qiáng)度由探測器來探測。

圖1　測量光致雙折射變化的實(shí)驗(yàn)光路

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

實(shí)驗(yàn)中,利用二波耦合測量晶體的光折變性能,實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2　二波耦合實(shí)驗(yàn)光路

由Ar+激光器發(fā)出的488 nm波長的激光光束經(jīng)分束鏡分為兩束光強(qiáng)相等的記錄光,光強(qiáng)為125 mW/cm2,兩束記錄光對稱入射到晶體表面,在晶體內(nèi)部相交產(chǎn)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(shí)間關(guān)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(qiáng);

It——讀出光的透射光強(qiáng)。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)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?jǐn)?shù)4.0%的[Li]/[Nb]比變化的Hf∶Fe∶LiNbO3晶體光致雙折射變化的時(shí)間演變過程曲線。鈮酸鋰晶體的光致雙折射隨時(shí)間的演化過程可寫成單e指數(shù)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(yīng)時(shí)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(yīng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果。從表2可以看出,對于Hf4+離子摻雜濃度為閾值摩爾分?jǐn)?shù)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(yīng)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(dǎo);

σph——晶體的光電導(dǎo)。

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?jǐn)?shù)4.0%的[Li]/[Nb]比變化的Hf∶Fe∶LiNbO3晶體內(nèi)全息光柵建立過程中衍射效率平方根隨時(shí)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(shí)間常數(shù)。

根據(jù)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(nèi)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(shí)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(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的一個(gè)重要性能參數(shù)。靈敏度越高,響應(yīng)速度越快。記錄靈敏度可以通過測試單個(gè)全息圖的衍射效率隨時(shí)間的變化曲線計(jì)算得到[17],可表示為

(6)

式中:I——記錄光的總光強(qiáng);

表3中列出了在488 nm波長下測量的晶體光折變性能的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,對于Hf4+離子摻雜濃度為閾值摩爾分?jǐn)?shù)4.0%的Hf∶Fe∶LiNbO3晶體,隨著晶體內(nèi)[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(yīng)時(shí)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(xué)計(jì)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(yīng)時(shí)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(jié)束語

筆者采用光致雙折射和二波耦合實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)地研究了488 nm波長下Hf4+摻雜濃度為閾值摩爾分?jǐn)?shù)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(xué)計(jì)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(yīng)時(shí)間縮短了2.7倍,記錄靈敏度提高了3.8倍。

[1]LRUMINS A, CHEN Z, SHIOSAKI T. Photorefractive reflection gratings and coupling gain in LiNbO3∶Fe [J]. Optics Communications, 1995, 117(2): 147-150.

[2]PEITHMANN K, HUKRIEDE J, BUSE K, et al. Photorefractive properties of LiNbO3crystals doped by copper diffusion [J]. Physical Review B, 2000, 61(6): 4615-4620.

[3]YANG Y, BUSE K, PSALTIS D. Photorefractive recording in LiNbO3∶Mn [J]. Optics Letter, 2002, 27(3): 158-160.

[4]PHILLIPS W, AMODEI J J, STAEBLER D L. Optical and holographic storage properties of transition metal doped lithium niobate [J]. RCA Review, 1972, 33(1): 94-109.

[5]ZHANG G Y, XU J J, LIU S M, et al. Study of resistance against photorefractive light-induced scattering in LiNbO3∶Fe, Mg crystals [J]. SPIE, 1995, 25(9): 14-17.

[6]VOLK T R, RAZUMOVSKI N V, MAMAEV A V, et al. Hologram recording in Zn-doped LiNbO3crystals [J]. Journal of the Optical Society of America B, 1996, 13(7): 1457-1460.

[7]GUO Y B, LIAO Y, GAO L C, et al. Improvement of photorefractive properties and holographic applications of lithium niobate crystal [J]. Optics Express, 2004, 12(22): 5556-5561.

[8]ZHENG W, LIU B, BI J C, et al. Holographic associative memory by phase conjugate of four-wave-mixing in Sc∶Fe∶LiNbO3crystal [J]. Optics Communications, 2005, 246(4): 297-301.

[9]KOKANYAN E P, RAZZARI L, CRISTIANI I, et al. Reduced photorefraction in hafnium-doped single-domain and periodically poled lithium niobate crystals [J]. Applied Physics Letters, 2004, 84(11): 1880-1882.

[10]RAZZARI L, MINZIONI P, CRISTIANI I, et al. Photorefractivity of Hafnium-doped congruent lithium—niobate crystals [J]. Applied Physics Letters, 2005, 86(13): 131914.

[11]LI S Q, LIU S G, KONG Y F, et al. The optical damage resistance and absorption spectra of LiNbO3∶Hf crystals [J]. Journal of Physics: Condensed Matter, 2006, 18(13): 3527-3534.

[12]LI S Q, LIU S G, KONG Y F, et al. Enhanced photorefractive properties of LiNbO3∶Fe crystals by HfO2Codoping [J]. Applied Physics Letters, 2006, 89(10): 101-126.

[13]SHI H X, REN C Y. Investigation on photorefractive properties of Hf∶Fe∶LiNbO3crystals [J]. Optik, 2013, 124(6): 3170-3172.

[14]FURUKAWA Y, SATO M, KITAMURA K, et al. Optical damage resistance and crystal quality of LiNbOs single crystals with various [Li]/[Nb] ratios[J]. Journal of Applied Physics, 1992, 72(8): 3250-3254.

[15]CHEN F S. Optically induced change of refractive indices in LiNbO3and LiTaO3[J]. Journal of Applied Physics, 1969, 40(8): 3389-3396.

[16]KOGELNIK H. Coupled wave theory for thick hologram gratings [J]. Bell System Technical Journal, 1969, 48(7): 2909-2949.

[17]MOK F, BURR G, PSALTIS D. System metric for holographic memory systems [J]. Optics Letter, 1996, 21(12): 896-898.

(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(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12531573)

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

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.05.013

O438.1

2095-7262(2015)05-0526-05

A