钪系掺杂铌酸锂晶体生长及全息存储性能

摘要

采用提拉法生长出无宏观缺陷、光学均匀性好的Sc：Fe：LiNbO3晶体和Mg：Sc：Fe：LiNbO3晶体。摸索出生长高掺杂和不同锂铌比的掺杂铌酸锂晶体的合适工艺条件，以避免晶体开裂，并降低溶质分凝所引起的晶体成分不均匀性。 通过X-射线粉末衍射结果分析，钪系掺杂铌酸锂晶体在改变掺钪量和Li/Nb比的情况下，没有出现新相，但晶格常数有所改变，表明掺杂离子只能取代Li+、Nb4+Li或Nb5+。 根据晶体的红外光谱吸收带和紫外可见吸收光谱的吸收边随掺钪量、掺镁量和Li/Nb比变化而发生移动的规律，分析确定杂质Sc在Sc：Fe：EiNbO3晶体和Mg：Sc：Fe：LiNbO3晶体中的阈值浓度和占位情况。当掺钪量低于阈值浓度时，Sc3+离子优先取代反位铌(Nb4+Li，占据Li+位的Nb5+)，而当掺钪量的达到阈值浓度后，所有的反位铌被取代，Sc3+离子将同时进入正常的Li位和铌位。随着Li/Nb的增加，晶体中Sc的阈值浓度浓度逐渐减小。同成分Sc：Fe：LiNbO3晶体Sc的阈值浓度约为3mol％。在近化学计量比Sc：Fe：LiNbO3晶体中，Sc的阈值浓度仅有0.3mol％。在Sc和Mg共掺晶体中，Sc比Mg优先达到阈值浓度。而且Sc在Mg：Sc：Fe：LiNbO3晶体中的阈值浓度比在未掺镁的Sc：Fe：LiNbO3晶体中的更低。在Sc、Mg的掺入量达到各自阈值浓度后，继续增加镁掺量，Sc、Mg的掺入量将达到一个共同的阈值。 采用二波耦合和光斑畸变法分别测试晶体的光折变性能和抗光损伤性能。结果表明，随着掺钪量增加，Sc：Fe：LiNbO3晶体的衍射效率和动态范围下降，而记录时间和擦除时间缩短，光折变灵敏度增加。对于不同Li/Nb比Sc：Fe：LiNbO3晶体和Mg：Sc：Fe：LiNbO3晶体，其光折边变性能的变化规律与不同钪掺量的Sc：Fe：LiNbO3晶体的光折边变性能变化规律是一致的。 在掺钪量达到阈值之后，Sc：Fe：LiNbO3晶体的抗光损伤能力显著增强，比Fe：LiNbO3晶体高二个数量级。通过增加Li/Nb比也可提高Sc：Fe：LiNbO3晶体的抗光损伤能力。对于近化学计量比Sc：Fe：LiNbO3晶体来说，当钪的掺杂量达到阂值浓度之后，再增加晶体中的掺钪量，反而导致晶体的抗光损伤能力降低。实验发现可通过共掺杂质Mg，使晶体的抗光损伤能力获得进一步提高，对晶体的全息存储实验结果表明，(5mol％)Sc：Fe：LiNbO3晶体的读出图象质量明显高于Fe：LiNbO3晶体和近化学计量比(0.1mol％’)Sc：Fe：LiNbO3晶体，表明晶体的抗光损伤能力的提高可以有效降低全息存储过程中噪音，提高读出图像的质量。掺杂钪和改变晶体中Li/Nb比可有效改善全息存储中缺点，有利于铌酸锂晶体在全息存储方面的实际应用。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1铌酸锂晶体

1.1.1光学全息存储材料

1.2铌酸锂晶体结构及缺陷模型

1.2.1铌酸锂晶体结构

1.2.2铌酸锂晶体本征缺陷

1.3铌酸锂晶体的掺杂改性

1.3.1铌酸锂晶体中的掺杂离子占位

1.3.2铌酸锂晶体中掺杂离子特性

1.4优化掺铁铌酸锂晶体光折变性能

1.4.1共掺抗光折变杂质对Fe：LiNbO3晶体的影响

1.4.2 Li/Nb对Fe：LiNbO3晶体的影响

1.5本课题研究目的与意义

1.6本课题的研究内容

第2章钪系掺杂铌酸锂晶体生长处理

2.1掺杂铌酸锂晶体原料配比

2.2晶体生长设备装置

2.3晶体生长过程

2.3.1原料的预烧结

2.3.2晶体生长

2.4晶体生长工艺

2.4.1温度梯度

2.4.2晶体提拉速度

2.4.3晶体的旋转速度

2.5极化处理

2.6晶体加工

2.7本章小结

第3章钪系掺杂LiNbO3晶体的结构与缺陷

3.1晶体X-射线衍射分析

3.2紫外可见吸收光谱测试分析

3.3红外光谱分析

3.4本章小结

第4章钪系掺杂铌酸锂晶体的全息存储性能

4.1全息存储性能测试分析

4.1.1光折变测试方法

4.1.2全息存储性能结果分析

4.1.3抗光损伤测试方法

4.1.4抗光损伤测试结果分析

4.2钪系掺杂铌酸锂晶体在光全息存储中的应用

4.2.1全息存储实验

4.2.2光全息存储实验结果

4.3本章小结

结论

参考文献

博士后期间发表的学术论文、获得奖励

致谢

个人简历