铌酸锂晶体：从全息存储到三维显示

铌酸锂晶体是一种多功能、多用途的人工晶体材料,具有温度稳定性好、易于光学冷加工、性能易调控等优势。作为典型的光折变晶体,铌酸锂被广泛应用于高密度光存储、激光物理、信息处理和计算等研究与应用领域。伴随海量存储及动态全息三维显示的巨大需求与快速发展,基于铌酸锂晶体的三维光存储及动态显示再次成为研究热点。针对上述研究与应用,综述了铌酸锂晶体光折变全息存储及显示的原理、研究历史和最新进展,并对未来可能的发展方向进行了展望。     

Zr：Fe：LiNbO3晶体全息存储性能的研究

生长并测试了Zr∶Fe∶LiNbO3晶体的红外光谱、抗光折变损伤阈值及全息存储性能。研究发现,6%r(Zr)∶Fe∶LiNbO3晶体抗光折变损伤阈值比Fe∶LiNbO3晶体高1个数量级,红外光谱中OH-吸收峰也从Fe∶LiNbO3晶体的3 483 cm-1移到3 488 cm-1。其全息存储性能除衍射效率比Fe∶LiNbO3晶体轻微下降外,写入时间、擦除时间和光折变灵敏度皆优于Fe∶LiNbO3晶体,尤其是其中2%r(Zr)∶Fe∶LiNbO3晶体的动态范围比Fe∶LiNbO3晶体高2.5倍,用2%r(Zr)∶Fe∶LiNbO3晶体作为全息存储介质,实现了晶体中一个公共体积中1 000幅数字图像体全息图的存储与恢复。     

同成份掺杂铌酸锂晶体中紫外-红光非挥发全息存储的研究

我们研究了单掺镁、锌、铟的同成份铌酸锂晶体的紫外-红光双色非挥发全息存储性质。通过对不同掺杂浓度铌酸锂晶体的紫外-红光双色全息存储衍射效率、灵敏度、响应时间、动态范围等参数的测量，我们发现掺杂浓度超过抗光损伤阈值的同成份铌酸锂晶体在引入紫外光辐照后，响应时间明显缩短，双色记录灵敏度显著增加，而且存储机制不同于低于阈值浓度的晶体，均可以实现非挥发全息存储；并且，对于不同的掺杂离子，光折变光栅的形成机制也有所不同。     

铌酸锂晶体的等温退火

铌酸锂(LiNbO_3)晶体有良好的光学性质和较大的非线性系数,可以通过改变温度达到90°相位匹配等,是一种多用途的材料,受到普遍重视和广泛的研究。1968年Lerner等人发表了LiNbO_3固溶体的最高熔点和它的化学式不一致的相图。此后,     

基于化学计量比Mg:Fe:LiNbO_3的全息存储系统

以K_2O为助熔剂,采用顶部籽晶熔融法成功地生长出近化学计量比Mg:Fe:LiNbO_3(Mg:Fe:SLN)晶体.测量了晶体的紫外吸收光谱及响应时间,且和同成分Fe:LiNbO_3(Fe:CLN)晶体作了比较.结果表明,Mg:Fe:SLN晶体更适于作为全息存储器来应用.针对全息存储中固有的高原生误码率问题,采用快速响应矩阵码(QR)编码技术对原始数据进行编码,缓解了对系统设计和部件质量等方面的压力.以Mg:Fe:SLN晶体作为存储介质,构建了体全息存储系统,将QR码编、译码技术用于包含音频和视频的多媒体数据的全息存储,重构数据能成功回放.     

近化学计量比掺镁铌酸锂晶体周期极化特性研究

采用汽相输运平衡技术制备出了高质量近化学计量比掺镁铌酸锂晶体 ,系统研究了晶体中的 [Li]/ [Nb]比含量对其畴极化电场的影响 .实验结果表明 :随着晶体中 [Li]/ [Nb]比的提高 ,畴极化反转电场呈明显下降趋势 ,使用近化学计量比掺镁铌酸锂晶体 ,我们在 3.5± 0 .1kV/mm大小的外加极化电场条件下 ,成功地实现了 1.0mm厚度的周期极化畴反转 .我们用铌酸锂晶体的缺陷模型对实验结果给出了合理的解释 .     

Mg:Fe:LiNbO_3晶体光学性能的研究

在LiNbO3中掺杂光折变敏感杂质离子Fe2+/Fe3+和抗光致散射杂质离子Mg2+,以提拉法生长Mg∶Fe∶LiNbO3晶体。测试晶体吸收光谱、红外光谱。Mg∶Fe∶LiNbO3晶体的吸收边相对Fe∶LiNbO3晶体发生紫移。当Mg2+浓度达到阈值浓度,Mg(6%)∶Fe∶LiNbO3晶体OH-吸收峰由3482cm-1移到3529cm-1。测试晶体的位相共轭反射率和响应时间,计算光电导。Mg(6%)∶Fe∶LiNbO3晶体的响应速度和光电导比Fe∶LiNbO3晶体有较大提高。     

LiNbO3∶Fe∶Cu晶体中的双色全息存储及复用技术

采用365 nm的门光束和633 nm的记录光在LiNbO3:Fe:Cu晶体(Fe:0.15%,Cu:0.01%)中实现了双色记录和无损读出.依据双色复用记录中的擦除特性,采用合适的曝光时序,在LiNbO3:Fe:Cu晶体中实现了50幅全息光栅的双色复用记录和固定,衍射效率基本相等,平均固定效率达到61%,在3.0 mm的晶体中固定后的动态范围M/#为2.2.     

LiNbO_3:Fe:Cu晶体中的双色全息存储及复用技术

采用365 nm的门光束和633 nm的记录光在LiNbO3∶Fe∶Cu晶体(Fe:0.15%,Cu:0.01%)中实现了双色记录和无损读出。依据双色复用记录中的擦除特性,采用合适的曝光时序,在LiNbO3∶Fe∶Cu晶体中实现了50幅全息光栅的双色复用记录和固定,衍射效率基本相等,平均固定效率达到61%,在3.0 mm的晶体中固定后的动态范围M/#为2.2。     

In：Fe：Cu：LiNbO_3晶体光全息存储性能的研究

采用提拉法生长了In：Fe：Cu：LiNbO3晶体,测试了晶体的紫外可见光谱、红外吸收光谱。利用二波耦合方法测试了晶体的响应时间、最大衍射效率、计算晶体的光折变灵敏度。结果表明,随In3＋离子浓度的增加,在In3＋浓度较低时,In：Fe：Cu：LiNbO3晶体紫外可见光吸收边发生紫移,而红外吸收峰3 482cm-1位置基本不变,但浓度达到阈值时,紫外可见光吸收边相对于低浓度发生红移,而红外吸收峰向高波数方向移动;In3＋浓度增加时,响应时间变短,最大衍射效率下降,晶体存储灵敏度提高。     

掺镁铌酸钾锂晶体的介电性和热释电性

在 10～ 70 0 K温度范围内 ,研究了掺 Mg的铌酸钾锂 (L i3K2 Nb5 O1 5 )单晶的 c、a片的介电温度特性和低温热释电性质 ,测量了在 5× 10 2 ～ 5× 10 8Hz频率范围内介电常数和频率的依赖关系。结果表明 ,除了在 6 2 3 K附近有一铁电 -顺电相变以外 ,在 80 K左右还存在铁电 -铁电相变 ,其介电弛豫频率在 2 5 0 MHz左右。     

LiNbO_3∶Fe∶Cu晶体中双色全息存储技术的研究

采用365nm的门光束和633nm的记录光,在LiNbO3∶Fe∶Cu晶体中实现了双色记录和无损读出。通过适当的预敏化,在门光束光强与记录光强分别为20mW/cm2和390mW/cm2时,得到的灵敏度和饱和衍射效率分别为0.004cm/J和37%。同时还研究了LiNbO3∶Fe∶Cu晶体中的暗保存时间、光擦除时间常数以及用脉冲光作门光束时的双色存储性质。     

对不同组份LiNbO_3∶Fe非挥发全息存储的研究

以双中心模型为基础,研究了同成份和近化学比掺铁铌酸锂晶体在稳态情况下的非挥发双色二步全息存储性能.通过比较在相同记录条件下同成份(锂的摩尔浓度为48.5%)与近化学比(锂的摩尔浓度为49.5%)掺铁铌酸锂的总空间电荷场的大小可以看到,在连续光所能达到的光强范围内,近化学比LiNbO3:Fe的总空间电荷场明显大于同成份LiNbO3:Fe的总空间电荷场.但是在高光强下,同成份与近化学比LiNbO3:Fe都可以达到106V/m量级的光致空间电荷场.     

铌酸锂晶体铁电畴电极化反转结构的ESEM观察

用高压电场实现铁电晶体电畴的极化反转，制备极化方向周期性反转的非线性晶体人工微结构是实现准相位匹配的有效方法。扫描电镜常用于观察刻蚀处理后的铁电畴和畴反转光栅的结构，而环境扫描电镜ESEM可对绝缘样品进行直接观察，因而是本研究的更为有效手段。     

掺镁、铁铌酸锂晶体的光吸收和ESR光谱研究

取过渡金属铁作为“标记杂质”,以相近浓度分別加入未掺镁和高浓度掺镁(6.0mol%MgO)的一致熔化组分LiNbO_3晶体中,测量了它们的紫外吸收边、OH~-红外吸收光谱和Fe~(3+)的ESR光谱,并加以比较,其显著差异表明两种晶体中Fe~(3+)的离子环境发生了突变,据此定性地解释了光吸收和ESR的实验结果.     

基于铌酸锂光子线波长分裂器的研究

在集成光学领域,光波长分裂器对于光信号重新分配具有重要作用。设计了一种光波长分离器,这种器件可以把波长为1.31m和1.55m光的TE模式分裂开。该器件基于两个平行铌酸锂光子线的定向耦合器的工作原理,并且可以用有限元法设计和仿真。计算稳态场分布表明,波长为1.31m与1.55m的光波在空间上可以分离开。并且,1.31m波的透射率可以达到91%,1.55m波的透射率可以达到86%。该器件的尺寸只有26.2m10.1m。     

掺铁铌酸锂晶体中光损伤的暗衰减效应

为了研究铌酸锂晶体中的光损伤,着重对掺铁铌酸锂晶体中光损伤的暗衰减效应进行研究,发现在薄样品中光损伤的暗衰减时间远大于在厚样品中的暗衰减时间,利用红外吸收光谱和喇曼光谱对这个现象的潜在机理进行了初步分析,综合几个实验结果发现,晶体厚度对光损伤的暗衰减是一个重要的影响因素.     

掺镁铌酸锂晶体的ICP刻蚀性能

掺镁铌酸锂晶体(Mg:LiNbO3)是一种相对难刻蚀的晶体,Mg:LiNbO3的干法刻蚀速率和刻蚀形貌控制是铌酸锂光电子器件加工中的关键技术之一。采用牛津仪器公司的Plasmalab System 100以SF6/Ar为刻蚀气体,具体研究Mg:LiNbO3的刻蚀速率随着感应耦合等离子体(ICP)功率、反应离子刻蚀(RIE)功率、气室压强和气体流量配比等刻蚀参数的变化,同时研究发现SF6/(Ar+SF6)气体流量配比还会影响刻蚀表面的粗糙度。实验结果表明:在ICP功率为1000W,RIE功率为150W,标准状态(0℃,1个标准大气压)下气体总流量为52mL/min,压强为0.532Pa,SF6/(Ar+SF6)气体体积分数为0.077的条件下,刻蚀速率可达到152nm/min,刻蚀表面粗糙度为1.37nm,可获得刻蚀深度为2.5μm,侧壁角度为74.8°的表面平整脊形Mg:LiNbO3结构。     

In:Fe:Cu:LiNbO_3晶体光全息存储性能的研究

采用提拉法生长了In:Fe:Cu:LiNbO3晶体,测试了晶体的紫外可见光谱、红外吸收光谱。利用二波耦合方法测试了晶体的响应时间、最大衍射效率、计算晶体的光折变灵敏度。结果表明,随In3+离子浓度的增加,在In3+浓度较低时,In:Fe:Cu:LiNbO3晶体紫外可见光吸收边发生紫移,而红外吸收峰3 482cm-1位置基本不变,但浓度达到阈值时,紫外可见光吸收边相对于低浓度发生红移,而红外吸收峰向高波数方向移动;In3+浓度增加时,响应时间变短,最大衍射效率下降,晶体存储灵敏度提高。