不同光源下鈰鐵摻雜LiNbO3晶體及LiNbO3晶體響應(yīng)情況研究

陳 浩，王曉穎，韓建武

（西安工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安 710021）

晶體進(jìn)行全息記錄過程涉及記錄光對記錄介質(zhì)的作用。每一種記錄介質(zhì)都有它特定的吸收光譜帶，只有波長處于介質(zhì)吸收光譜區(qū)內(nèi)的光子才能對記錄介質(zhì)產(chǎn)生作用。全息記錄主要采用可見光譜的連續(xù)激光器，如氬離子激光器、半導(dǎo)體泵浦激光器、氦氖激光器等，不同摻雜的鈮酸鋰晶體材料對上述不同波長敏感。在晶體光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，選用合適波長的激光做光源，找到該晶體的吸收光譜帶對透徹研究晶體光學(xué)性能起著基礎(chǔ)作用，對實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性有著重要意義［1］。

1 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖1所示，從532nm激光器L發(fā)出的激光束通過半波片HFW成為異常光，經(jīng)分束鏡BS分為兩束相干光，一束光IR為參考光，另一束光IS為物光。參考光與物光共同照射到晶體所處位置，形成穩(wěn)定的相干條紋，在實(shí)驗(yàn)晶體C中建立相應(yīng)的體相位光柵，采用功率計(jì)D測量衍射光束的功率。實(shí)驗(yàn)晶體選用一塊35mm×15mm×15mm的純LiNbO3晶體以及一塊8mm×8mm×8mm的鈰鐵摻雜LiNbO3晶體，鐵、鈰摻雜比例為0.05%:0.05%。

圖1 晶體響應(yīng)實(shí)驗(yàn)圖

引入一個(gè)定義衍射效率η為η=Id/IR，IR表示讀出光光強(qiáng)，Id表示衍射光光強(qiáng)，根據(jù)定義可知η表示讀出光向衍射光轉(zhuǎn)移能量的多少［2］，η值越大，讀出光通過體相位光柵向衍射光轉(zhuǎn)移的能量越多。實(shí)驗(yàn)中響應(yīng)時(shí)間τsc為衍射效率達(dá)到飽和穩(wěn)定值的1/e所需的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)中選定5s為記錄時(shí)間間隔，每間隔5s測一次衍射光功率，因?yàn)樗矔r(shí)讀取，對晶體內(nèi)體相位光柵擦除較少，因此瞬時(shí)讀取造成的誤差可忽略不計(jì)。根據(jù)衍射效率隨光信息寫入時(shí)間變化研究得到的曲線，便可得到晶體的響應(yīng)時(shí)間τsc。分別選用波長為473nm、532nm、671nm的激光器為光源重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

光束照射LiNbO3晶體，晶體基質(zhì)、缺陷中心和雜質(zhì)離子會進(jìn)行光吸收。圖2表示光折變晶體中可能的電子躍遷引起的缺陷吸收。

圖2 光折變晶體中可能的電子躍遷引起的缺陷吸收

圖2 （a）表示缺陷能級間躍遷局限在缺陷內(nèi)部，并不改變?nèi)毕莸碾姾蓛r(jià)態(tài)，這種躍遷通常發(fā)生在自由離子由于晶體場的作用而分離產(chǎn)生的能級之間，躍遷強(qiáng)度弱，且能量跨度?。?］。圖2（b）表示電荷轉(zhuǎn)移躍遷涉及電子在缺陷能級與晶體導(dǎo)帶或晶體價(jià)帶之間的躍遷，在此過程中有自由載流子的產(chǎn)生，因此只有這種光吸收對光折變有貢獻(xiàn)。一般情況下，這種躍遷為電偶極矩所容許，其能量跨度大、躍遷強(qiáng)。極化子的光吸收可認(rèn)為是特殊的電荷躍遷過程，極化子是由于一個(gè)電荷被一對等價(jià)離子俘獲而形成的，它可造成晶格周圍的畸變。而被俘獲的電荷可以在等價(jià)離子間運(yùn)動，并在光激發(fā)下躍遷到導(dǎo)帶圖2（c）［4］。

在晶體內(nèi)部，當(dāng)能量低于吸收邊的光照下，F(xiàn)e2+電離產(chǎn)生光電子：

這些光電子導(dǎo)致光電導(dǎo)效應(yīng)，直到他們被Fe3+再俘獲：

自由電子產(chǎn)生的速率和復(fù)合速率分別為

其中I是光強(qiáng)，hυ為單光子能量，N2、N3分別為Fe2+和Fe3+離子的濃度，S2和S3則代表Fe2+和Fe3+分別俘獲光子和電子的截面積，φ是吸收單位光子產(chǎn)生光電子的量子效率，n是自由電子密度，υ是電子的熱運(yùn)動速度。穩(wěn)態(tài)條件下，自由電子的產(chǎn)生和復(fù)合速率相等，此時(shí)自由電子密度為［5］：

因此光電導(dǎo)可表示為：

式（4）中，μn表示自由電子的遷移率。由此可見，LiNbO3晶體的光電導(dǎo)與光強(qiáng)和波長等實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)。

本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)采用波長為473nm、532nm、671nm的激光器做光源時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示。

表1 不同波長下Ce:Fe:LiNbO3晶體的體光柵衍射效率η與響應(yīng)時(shí)間τsc

表2 不同波長下LiNbO3晶體的體光柵衍射效率η與響應(yīng)時(shí)間τsc

由表1數(shù)據(jù)不難看出，對于Ce:Fe:LiNbO3晶體而言，波長為532nm綠光照射下得到的衍射效率最高，響應(yīng)時(shí)間也最短，為22s；473nm藍(lán)光次之，響應(yīng)時(shí)間較長；671nm紅光衍射效率最差。LiNbO3晶體的體光柵衍射效率η同樣在532nm綠光照射下衍射效率最高，用671nm紅光照射晶體，晶體衍射現(xiàn)象極為微弱，可忽略不計(jì)。因此在進(jìn)行體全息存儲實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用532nm綠光做光源。

3 結(jié)論

文章對不同光源照射下Ce:Fe:LiNbO3晶體及LiNbO3晶體的響應(yīng)情況進(jìn)行了理論實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對于Ce:Fe:LiNbO3晶體，采用532nm波長的光做光源衍射效率最高，響應(yīng)時(shí)間最短。LiNbO3晶體采用532nm波長光做光源時(shí)衍射效率最高，473nm波長光做光源時(shí)響應(yīng)時(shí)間最短。