In:Fe:Cu:LiNbO3晶体的蓝光光折变与双波长非挥发全息存储

摘要

光学体全息存储器以其存储容量大、数据传输速率高、信息寻址速度快等优点，在现代存储技术竞争中显示出巨大的优势和良好的发展前景。铌酸锂晶体因其良好的光折变性能成为非常重要的体全息存储材料，但铌酸锂晶体存在的响应速度慢、散射噪声强、读出过程的挥发性等缺点制约了体全息存储器的发展。因此，改良和优化铌酸锂晶体，进而提高体全息存储器的整体性能已成为当前体全息存储领域的首要研究课题。本文以新型 In:Fe:Cu:LiNbO3晶体为研究对象，从其缺陷结构出发，研究了双中心双波长光折变光栅的形成机理，进而研究了影响体全息存储性能的因素以及优化条件，并以此为基础搭建了双波长体全息存储系统，进行多重复用体全息存储的研究。
　　通过红外OH-吸收谱、紫外-可见光吸收光谱、ICP-AES以及差热分析等实验手段，详细研究了In:Fe:Cu:LiNbO3晶体的缺陷结构以及离子的占位情况。由分析结果可知，In3+离子掺杂浓度低于阈值浓度时，首先占据NbLi4+的锂位，当In3+离子的浓度达到阈值后，将进入正常的铌位。在我们的样品中，Fe和 Cu一直占据正常的锂位。
　　基于Kukhtarev双中心带输运模型，建立In:Fe:Cu:LiNbO3晶体的蓝光双波长非挥发存储理论模型，推导出空间电荷场的稳态解、非挥发记录灵敏度以及动态范围的解析解，利用数值方法模拟该晶体中的双波长非挥发体全息存储动力学行为。模拟结果表明，记录光在深浅能级直接记录的特点、两能级中光栅同相位的特点以及强的吸收使 In:Fe:Cu:LiNbO3晶体中双波长非挥发光折变性能相比于双色非挥发光折变性能有很大的提高。
　　针对记录材料光致光散射特性的定量描述问题，提出光致光散射曝光能量流阈值效应，即光致光散射是入射光光强对时间的累积效应。通过相应的实验研究进行验证，并将其应用于 In:Fe:Cu:LiNbO3晶体的光致光散射研究，研究In3+离子掺杂浓度、氧化还原处理、[Li]/[Nb]比以及入射光波长对晶体光致光散射曝光能量流阈值的影响机理。同时基于晶体的光致光散射曝光能量流阈值效应，进行了多重复用体全息存储的实验研究，获得了理想的再现效果。
　　利用二波耦合实验装置，对 In:Fe:Cu:LiNbO3晶体的488nm蓝光光折变特性进行研究，发现In:Fe:Cu:LiNbO3晶体的蓝光光折变增强特性。随着In3+离子的掺杂以及浓度的增加，晶体的光折变效应增强：折射率调制增大，响应时间缩短，二波耦合增益增大，灵敏度提高，动态范围增大。这种增强特性是由于其内部缺陷结构的变化以及蓝光的高能量所引发的。另外，通过对氧化还原处理、[Li]/[Nb]比变化以及记录角度进行优化，得到了更强的蓝光光折变性能。
　　首次利用双波长非挥发存储技术研究了 In:Fe:Cu:LiNbO3晶体的非挥发光折变性能。相比于传统的双色非挥发存储，In:Fe:Cu:LiNbO3晶体的双波长非挥发光折变存储性能有了较大的提高。在此基础上，搭建了基于双波长非挥发存储技术的体全息存储系统，实现了高密度体全息数据存储，得到了较好的再现图像。