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Ru:Fe:LiNbO_3晶体缺陷结构及光折变性能的研究

刘成龙  
【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,改善和优化铌酸锂晶体,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。本文采用提拉法生长出无宏观缺陷、光学均匀性较好的双掺杂新型Ru:Fe:LiNbO_3晶体。研究了Ru:Fe:LiNbO_3晶体的本征缺陷结构、掺杂离子在晶体中的占位及对晶体光折变性能的影响。 通过X-射线、红外OH~-吸收谱以及紫外-可见光吸收光谱等实验手段,详细研究了Ru:Fe:LiNbO_3晶体的缺陷结构以及离子的占位情况。X-射线衍射结果表明,钌铁铌酸锂晶体仍然保持LiNbO_3晶体原有的晶格结构,说明掺杂离子以取代Li或Nb的方式进入晶体。晶格常数比同成分的纯铌酸锂晶体稍大,但由于掺杂离子与被取代离子的半径不同,衍射峰的强度发生了改变。通过红外光谱和紫外可见吸收光谱的分析,确定了杂质离子Fe和Ru在晶体中的占位情况,晶体中掺杂的钌铁离子占据正常的Li位,这样形成了FeLi~(2+)(FeLi~+)和RuLi~(3+)(RuLi~(2+))缺陷,由Li空位进行电荷补偿。由于Fe~(3+)/Fe~(2+)和Ru~(4+)/Ru~(3+)极化能力均大于Li~+,从而使得O~(2-)的极化程度增加,其电子云变形性增大,电子跃迁所需的能量会降低,引起吸收边红移。氧化处理只是改变了OH-吸收峰的吸收程度,并没有改变吸收峰的位置,也没有出现新的吸收峰,同时氧化处理使晶体的基础吸收边紫移。 本文通过实验测试了不同钌含量Ru:Fe:LiNbO_3晶体的光折变性能,包括衍射效率、响应时间、擦除时间、动态范围、灵敏度等。发现晶体中钌的掺杂浓度和氧化处理都能影响晶体的光折变性能:随着晶体中钌的浓度的增加,晶体的衍射效率上升,响应时间缩短,动态范围、灵敏度增加;相对于生长态的晶体,氧化处理使得晶体的衍射效率增强,响应时间增长,动态范围、灵敏度减小。同时还发现Ru:Fe:LiNbO_3记录和读出的严重不对称性,体现了Ru:Fe:LiNbO_3晶体的准态非挥发特性。 本文还首次利用双波长非挥发存储技术研究了Ru:Fe:LiNbO_3晶体的非挥发光折变性能。相比于传统的双色非挥发全息存储,Ru:Fe:LiNbO_3晶体的双波长非挥发光折变存储性能有了较大的提高。


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