...化学所利用光子晶体实现高性能光信息存储
陈浩
【摘 要】本文从衍射效率和响应时间两个方面对比研究了纯LiNbO3晶体和铈铁掺杂LiNbO3晶体做全息存储介质性能的优劣。结果发现铈铁掺杂LiNbO3晶体响应时间更短，纯LiNbO3晶体在物光与参考光夹角为17°～27°时衍射效率更高。
【关键词】衍射效率；响应时间；纯LiNbO3晶体；掺杂LiNbO3晶体
0 引言
目前在光折变晶体研究领域中，对掺杂LiNbO3晶体的研究是一个重要方向。掺入不同类型、不同浓度的杂质粒子对LiNbO3晶体的光折变性能影响也不尽相同[2]。针对铈铁掺杂LiNbO3晶体的研究文献目前还很少，因此本文基于耦合波理论对其全息存储性能与纯LiNbO3晶体进行了对比研究。
1 实验过程
试验装置如图1，从532nm绿光激光器发射出的激光束通过半波片变为e光，经分束镜分为相干的两束光，一束光做参考光R，另一束光做物光S。参考光R与物光S共同照射到晶体表面建立体相位光栅。功率计用来测量衍射光束的功率。实验晶体选用一35mm×15mm×15mm的纯LiNbO3晶体和一8mm×8mm×8mm的铈铁掺杂LiNbO3晶体。实验主要研究晶体体光栅形成过程中的响应时间、擦除时间特性以及物光束与参考光束以不同夹角入射时，晶体内体光栅存储性能的变化情况。
定义衍射效率η=Id / IR，IR为读出光光强，Id为衍射光光强，表示读出光向衍射光转移能量的强弱[3]。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。根据衍射效率研究得到的曲线，便可得到晶体的响应时间τsc。实验每间隔5s测一次衍射光功率，因读取时为瞬时读取，对晶体内体相位光栅擦除较少，因此造成的误差可忽略不计。擦除实验中，先让晶体衍射效率达到饱和，再关闭物光S。以5s的时间间隔用均匀光照射晶体，使晶体内体相位光栅被擦除。擦除所用激光器为功率100mw波长473nm的藍光激光器。在晶体响应时间及擦除时间研究的基础上，改变物光束S与参考光束R的夹角2θ，探究衍射效率与入射光束夹角间的关系。
2 实验结果及分析
图2为纯LiNbO3晶体衍射效率随光照时间变化图线，在0～500s内晶体内体相位光栅建立速度相对缓慢，从500s开始到2000s晶体内体相位光栅建立速度由慢到快再变慢。2000s之后虽然衍射效率依然有小部分增加，但总体趋于平缓，最终饱和衍射效率达到最大值11.69%。据响应时间的定义可知纯LiNbO3晶体的响应时间τsc=1060s。
图3为铈铁掺杂LiNbO3晶体的响应时间与擦除时间特性曲线，与LiNbO3晶体响应时间1060s相比，铈铁掺杂LiNbO3晶体响应时间τsc=22s，响应更快。在进行体全息存储时，更有利于光信息的快速写入读取。理论认为写入时间特性与擦除时间特性具有对称性，但本次实验测的的结果并非对称，并且擦除时间要长于响应时间。原因之一在于擦除实验中使用均匀光照射晶体，因此单位面积上晶体接收的能量较少，擦除速度更慢。其次，写入和擦除灵敏度表现出不对称的特点[4]。
探究衍射效率与入射光束夹角间的关系时，将实验数据整理得到图4，其中虚线表示铈铁掺杂LiNbO3晶体衍射效率与入射光束夹角之间的关系。实线为LiNbO3晶体衍射效率与入射光束夹角之间的关系。两种晶体角度响应在15°～30°之间变化，说明衍射效率具有角度选择性。铈铁掺杂LiNbO3晶体夹角在20.626°时衍射效率取得最大值为7.06%，在极值两侧衍射效率变化相对平缓。对于LiNbO3晶体，当夹角为18.414°时衍射效率取得最大值11.6%。整体而言，角度在17°～27°时LiNbO3晶体衍射效率比铈铁掺杂LiNbO3晶体衍射效率要高，因此单从存储图像质量上来说，LiNbO3晶体的全息存储性能要更优。
3 结论
本实验主要选取衍射效率与响应时间两个参量对比分析纯LiNbO3晶体与铈铁掺杂LiNbO3晶体进行全息存储时性能的优劣。实验结果表明铈铁掺杂LiNbO3晶体的响应时间为22s远低于纯LiNbO3晶体的1060s。其次，当物光与参考光夹角在17°～27°时LiNbO3晶体衍射效率比铈铁掺杂LiNbO3晶体衍射效率要高。
【参考文献】
[1]江竹青.光折变晶体中高密度全息存储热固定技术的研究[D].北京工业大学，2003.
[2]徐朝鹏，孙燕，王利栓，等.铟铈铜铌酸锂晶体光谱特性及抗光损伤能力[J].红外与激光工程，2010，39（4）：698-701.
[3]马德才.锌掺杂铌酸锂和钽酸锂晶体的生长和结构及性能的研究[D].哈尔滨工业大学，2007.
[4]郭云波.铌酸锂晶体体全息存储性能的优化和应用研究[D].清华大学，2005.
[责任编辑：田吉捷]
