不同光源下铈铁掺杂LiNbO3晶体及LiNbO3晶体响应情况研究

陈 浩，王晓颖，韩建武

（西安工业大学 理学院，陕西 西安 710021）

晶体进行全息记录过程涉及记录光对记录介质的作用。每一种记录介质都有它特定的吸收光谱带，只有波长处于介质吸收光谱区内的光子才能对记录介质产生作用。全息记录主要采用可见光谱的连续激光器，如氩离子激光器、半导体泵浦激光器、氦氖激光器等，不同掺杂的铌酸锂晶体材料对上述不同波长敏感。在晶体光学实验中，选用合适波长的激光做光源，找到该晶体的吸收光谱带对透彻研究晶体光学性能起着基础作用，对实验的准确性有着重要意义［1］。

1 实验过程

实验设计如图1所示，从532nm激光器L发出的激光束通过半波片HFW成为异常光，经分束镜BS分为两束相干光，一束光IR为参考光，另一束光IS为物光。参考光与物光共同照射到晶体所处位置，形成稳定的相干条纹，在实验晶体C中建立相应的体相位光栅，采用功率计D测量衍射光束的功率。实验晶体选用一块35mm×15mm×15mm的纯LiNbO3晶体以及一块8mm×8mm×8mm的铈铁掺杂LiNbO3晶体，铁、铈掺杂比例为0.05%:0.05%。

图1 晶体响应实验图

引入一个定义衍射效率η为η=Id/IR，IR表示读出光光强，Id表示衍射光光强，根据定义可知η表示读出光向衍射光转移能量的多少［2］，η值越大，读出光通过体相位光栅向衍射光转移的能量越多。实验中响应时间τsc为衍射效率达到饱和稳定值的1/e所需的时间。实验中选定5s为记录时间间隔，每间隔5s测一次衍射光功率，因为瞬时读取，对晶体内体相位光栅擦除较少，因此瞬时读取造成的误差可忽略不计。根据衍射效率随光信息写入时间变化研究得到的曲线，便可得到晶体的响应时间τsc。分别选用波长为473nm、532nm、671nm的激光器为光源重复上述实验。

2 实验结果及分析

光束照射LiNbO3晶体，晶体基质、缺陷中心和杂质离子会进行光吸收。图2表示光折变晶体中可能的电子跃迁引起的缺陷吸收。

图2 光折变晶体中可能的电子跃迁引起的缺陷吸收

图2 （a）表示缺陷能级间跃迁局限在缺陷内部，并不改变缺陷的电荷价态，这种跃迁通常发生在自由离子由于晶体场的作用而分离产生的能级之间，跃迁强度弱，且能量跨度小［3］。图2（b）表示电荷转移跃迁涉及电子在缺陷能级与晶体导带或晶体价带之间的跃迁，在此过程中有自由载流子的产生，因此只有这种光吸收对光折变有贡献。一般情况下，这种跃迁为电偶极矩所容许，其能量跨度大、跃迁强。极化子的光吸收可认为是特殊的电荷跃迁过程，极化子是由于一个电荷被一对等价离子俘获而形成的，它可造成晶格周围的畸变。而被俘获的电荷可以在等价离子间运动，并在光激发下跃迁到导带图2（c）［4］。

在晶体内部，当能量低于吸收边的光照下，Fe2+电离产生光电子：

这些光电子导致光电导效应，直到他们被Fe3+再俘获：

自由电子产生的速率和复合速率分别为

其中I是光强，hυ为单光子能量，N2、N3分别为Fe2+和Fe3+离子的浓度，S2和S3则代表Fe2+和Fe3+分别俘获光子和电子的截面积，φ是吸收单位光子产生光电子的量子效率，n是自由电子密度，υ是电子的热运动速度。稳态条件下，自由电子的产生和复合速率相等，此时自由电子密度为［5］：

因此光电导可表示为：

式（4）中，μn表示自由电子的迁移率。由此可见，LiNbO3晶体的光电导与光强和波长等实验条件有关。

本实验中，当采用波长为473nm、532nm、671nm的激光器做光源时，实验结果如表1、表2所示。

表1 不同波长下Ce:Fe:LiNbO3晶体的体光栅衍射效率η与响应时间τsc

表2 不同波长下LiNbO3晶体的体光栅衍射效率η与响应时间τsc

由表1数据不难看出，对于Ce:Fe:LiNbO3晶体而言，波长为532nm绿光照射下得到的衍射效率最高，响应时间也最短，为22s；473nm蓝光次之，响应时间较长；671nm红光衍射效率最差。LiNbO3晶体的体光栅衍射效率η同样在532nm绿光照射下衍射效率最高，用671nm红光照射晶体，晶体衍射现象极为微弱，可忽略不计。因此在进行体全息存储实验时应优先采用532nm绿光做光源。

3 结论

文章对不同光源照射下Ce:Fe:LiNbO3晶体及LiNbO3晶体的响应情况进行了理论实验研究，结果发现对于Ce:Fe:LiNbO3晶体，采用532nm波长的光做光源衍射效率最高，响应时间最短。LiNbO3晶体采用532nm波长光做光源时衍射效率最高，473nm波长光做光源时响应时间最短。