高灵敏度的近红外光折变掺杂铌酸锂晶体.pdf

本发明涉及高灵敏度的近红外光折变掺杂铌酸锂晶体，更确切地说涉及780-850nm近红外光折变的掺杂铌酸锂晶体的特征和应用。属于近红外用的光折变晶体领域。
    众所周知，光折变晶体是指在外界光作用下使折射率发生变化的晶体。这类晶体在光学信息获取、存储、传输、处理、光通讯以及光计算中起着十分重要的作用。例如，用光折变晶体制成的空间光调制器或直接用光折变晶体进行光栅编码，可以实时记录非相干光（白光）信号并实时转变成相干光（激光）信号;采用全息法存储数据于光折变晶体，存储密度可达109bits/cm3;采用四波混频相位共轭，可以实时矫正由于相位引起的图象畸变;使用两波混频的能量单向转换可以使图像放大，其增益超过40dB。在图像识别中，可以实现卷积和相关的实时运算;可以实时地使黑白图像假彩色化。可以实现图像相减、XOR逻辑运算、空间和时间微分运算等。此外，光折变晶体还可以广泛应用于光控开关、光学双稳器、光互连、关联存储、光学神经网络等各个方面。

    然而，至今为止所有的光折变晶体包括铌酸锂、硅酸铋晶体在内，只能在可见光波段内使用，大大限制了它们的使用。随着光学信息处理和光计算日益朝小型化、实用化方向发展。记录、存储、处理趋向采用半导体激光为光源，而半导体激光器的波长大多在0.75μ～0.90μ近红外区（即750nm～900nm）之间。为了能与半导体激光器配套使用，人们正在不断寻找能在750～900nm波段范围内具有高灵敏度的光折变晶体材料，以满足用半导体激光为光源的实时记录、存储处理、互连等方面的应用要求。本发明就是在这样背景下研究并提供一类新的近红外区域（780-850nm）高灵敏的光折变晶体，经文献检索仅测定了Nd：YLF激光晶体在λ＝1047nm和λ＝1152nm二个波长电光参数与本发明的发明内涵有本质不同。

    本发明的目地是提供一类在近红外区域范围（780-850nm）内具有高灵敏度的光折变晶体材料，具体地说这类光折变晶体材料是经特殊处理掺杂的铌酸锂晶体。

    本发明所述的铌酸锂单晶是采用熔体提拉法生长的，在熔体中掺杂Fe2O3或Fe2O3+CeO2，Fe2O3的掺杂量（ml%）为0.05-0.3，，Fe2O3+CeO2的总掺杂量（mol%）是0.1-0.6。用提拉法生长好的掺杂铌酸锂晶体不仅需要在居里温度附近施加2-5伏/厘米直流电进行单畴化处理而且更重要的是在高温下进行还原处理。

    经上述工艺生长和处理后的掺杂铌酸锂晶体，在近红外波段（780-850nm）具有较高的灵敏度和折射率可调性。如图1所示在λ＝780-850nm范围内具有高的灵敏度，而且其灵敏度随波长增加而迅速降低。图中横座标为波长（单位为nm），起始波长为780nm，每间隔为10nm，纵座标为灵敏度，单位10-7cm3/J，起始为0，每间隔为0.5，图2为本发明提供的经特殊处理的掺Fe铌酸锂晶体（曲线2）与一般在可见光下具有光折变效应的铌酸锂晶体（LN）（曲线1）的写入时间与衍射效率间关系，横座标为写出时间，单位为秒，起始为零，每间隔为100秒;纵座标为衍射效率（%），起始为零，每间隔为0.05%，经特殊处理的近红外光折变用的灵敏度明显地高于可见范围的LN晶体灵敏度。

    图3为在790nm处不同掺杂铌酸锂晶体（LN）的动态读写比较。横座标为时间，单位为秒，每格为1000秒，纵座标为折射率调制度，曲线1为本发明提供的掺Fe的LN晶体，曲线2为掺Nb的LN晶体，曲线3为普通掺Fe的LN晶体。由图3可见本发明提供的经特殊处理掺Fe的LN晶体在790nm处，折射率可调性明显高于其它掺杂LN晶体，是一个良好的光折变晶体。

    作为本发明的实施例之一掺杂0.1mol%的LN晶体，高温还原处理，与可见光折变，掺Nd的LN的吸收光谱比较，列表图3。

    实施例2为掺Ce+4和Fe+3的LiNbO3（记作Ce，Fe：LiNbO3）掺杂量为CeO2+Fe2O3为0.1mol%，用提拉法生长后在高温下经还原处理，处理前后的透过率如图4-1和图4-2所示，图中横座标为波长，纵座标为透过率，图4-1为还原前，图4-2为还原后二者透过率是不同的。