钌铁系列铌酸锂晶体光折变及非挥发存储性能研究

摘要

体全息存储由于具有高的存储密度、快速并行访问和快速传输速度等特点而被认为是新一代的存储技术。铌酸锂(LiNbO3,缩写LN)晶体是最重要的全息存储介质材料之一,它具有良好的光折变性能,如长的存储寿命和高的衍射效率等。但是,纯铌酸锂晶体存在响应速度慢、抗光致散射能力弱和读出过程的挥发性等问题,这些缺点限制了铌酸锂晶体的实际应用。近年来改进和优化铌酸锂晶体的全息存储性能具有越来越重要的意义。本论文中生长钌铁系列掺杂铌酸锂晶体并研究了晶体的结构和光学性能;根据光谱特性研究了钌铁系列铌酸锂晶体的缺陷结构;基于钌铁双光折变中心结构提出了光折变动力学方程,并详细分析了影响光折变效应的因素;最后采用双波长技术测试了晶体的非挥发全息存储性能。
　　采用提拉法生长出了无宏观缺陷、光学均匀性良好的钌铁系列铌酸锂晶体。在晶体生长过程中,确定了最佳工艺参数(温度梯度、旋转速度和提拉速度),保证了固液界面的平坦,减小了分凝造成的晶体成分的不均匀。通过X射线衍射谱、红外吸收光谱和紫外可见吸收光谱研究了钌铁系列铌酸锂晶体的缺陷结构和离子占位。ICP-AES测试结果表明锆离子的分凝系数在1附近变化。钌铁铌酸锂晶体和锆钌铁铌酸锂晶体的光学均匀性采用双折射梯度表征,结果显示随着锆掺杂晶体的光学均匀性下降。测试了晶体的OH-红外吸收光谱并采用洛伦兹方程拟合分析了锆离子的占位信息。和钌铁铌酸锂晶体相比,掺锆后吸收边向短波长方向移动,表明锆离子以取代反位铌的方式进入晶格。当晶体中锂数量增加,吸收边先蓝移后红移。当锆的掺杂浓度超过阈值时,锆离子同时占据锂位和铌位,形成3+-LiNbZr-Zr缺陷保持电荷平衡,由此提出了离子取代模型。
　　通过传统二波耦合实验研究了钌铁系列铌酸锂晶体的光折变性能。讨论了影响晶体光折变性能的因素如入射光波长、锆离子掺杂浓度、氧化还原处理和锂铌比等。结果显示钌铁铌酸锂晶体在蓝光下的衍射效率、响应时间、记录灵敏度和动态范围等均优于在红光下的数值。另外,在钌铁铌酸锂晶体中掺杂锆离子可以提高晶体的蓝光光折变性能。当晶体中锂铌比接近化学计量比时响应时间进一步缩短。由于锆离子掺杂和锂铌比提高使晶体中本征缺陷(反位铌和锂空位)数量减少使得性能参数的提高。
　　采用透射光束光斑畸变和曝光能量流两种方法研究了钌铁系列铌酸锂晶体的抗光致散射性能。实验中系统研究了锆掺杂、氧化处理和锂铌比改变对晶体光致光散射的影响。结果显示生长态的钌铁铌酸锂晶体的光散射强于氧化态的晶体。锆掺杂和提高锂铌比可以有效抑制晶体中的光散射现象。
　　分别使用双波长和双色技术研究了钌铁系列铌酸锂晶体的非挥发存储性能。载流子实验结果显示生长态钌铁铌酸锂和氧化态锆钌铁铌酸锂晶体在使用蓝光激光记录时的优势载流子是空穴,而用红光激光记录时优势载流子为电子。非挥发存储实验结果显示双波长存储技术能获得更强的存储性能,这是由于光栅直接记录、同相位特点以及晶体对蓝光更合适的光吸收。掺锆的钌铁铌酸锂晶体会获得更好的非挥发存储性能,表明锆钌铁铌酸锂晶体是优良的蓝光全息存储介质材料。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究目的

1.2光折变效应

1.3光学体全息存储

1.4铌酸锂晶体研究进展

1.5本论文主要研究内容

第2章 实验材料及实验方法

2.1掺杂元素的选择

2.2晶体生长

2.3晶体组分及结构测试

2.4光学性能测试

第3章 钌铁系列铌酸锂晶体成分及微观结构

3.1引言

3.2晶体的成分

3.3晶体的光学均匀性

3.4晶体的红外光谱及其分析

3.5晶体的紫外可见吸收光谱及其分析

3.6晶体的X-射线衍射及其分析

3.7本章小结

第4章 钌铁系列铌酸锂晶体光折变性能研究

4.1引言

4.2光折变性能参数

4.3实验结果与分析

4.4本章小结

第5章 钌铁系列铌酸锂晶体抗光致散射性能研究

5.1引言

5.2透射光斑畸变测试晶体的抗光致光散射性能

5.3曝光能量流测试晶体的抗光致光散射性能

5.4本章小结

第6章 钌铁系列铌酸锂晶体非挥发存储性能研究

6.1 引言

6.2 非挥发全息存储的主要参数

6.3 实验结果与分析

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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