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1、10申请公布号CN104076533A43申请公布日20141001CN104076533A21申请号201410355643822申请日20140724G02F1/0320060171申请人哈尔滨工业大学地址150001黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街92号72发明人田浩周忠祥王磊孟祥达胡程鹏74专利代理机构哈尔滨市文洋专利代理事务所普通合伙23210代理人王艳萍54发明名称一种提高电控衍射器件性能的方法57摘要一种提高电控衍射器件性能的方法，本发明涉及提高电控衍射器件性能的方法。本发明是要解决现有的电控衍射方法的记录时间长、驱动电压高、空间电荷场小及空间电荷场受记录角度影响的技术问题。本发明。
2、的提高电控衍射器件性能的方法是在记录光栅时对电控衍射器件中的电控全息晶体两端施加直流外电场。本方法可用于小型化和集成化光学系统中。51INTCL权利要求书1页说明书4页附图3页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书4页附图3页10申请公布号CN104076533ACN104076533A1/1页21一种提高电控衍射器件性能的方法，其特征在于该方法是在记录光栅的同时对电控衍射器件中的电控全息晶体两端施加直流外电场。2根据权利要求1所述的一种提高电控衍射器件性能的方法，其特征在于直流外电场的大小为每毫米厚度的晶体的电压为300800V。3根据权利要求1所述的一种提高电。
3、控衍射器件性能的方法，其特征在于直流外电场的大小为每毫米厚度的晶体的电压为400V。4根据权利要求1所述的一种提高电控衍射器件性能的方法，其特征在于直流外电场的大小为每毫米厚度的晶体的电压为500V。5根据权利要求1、2、3或4所述的一种提高电控衍射器件性能的方法，其特征在于所述的电控全息晶体是能够产生电控光折变效应的顺电相电光材料。6根据权利要求5所述的一种提高电控衍射器件性能的方法，其特征在于所述的产生电控光折变效应的顺电相电光材料为钽铌酸钾晶体或者钽铌酸钾钠晶体。7根据权利要求6所述的一种提高电控衍射器件性能的方法，其特征在于所述的钽铌酸钾晶体或者钽铌酸钾钠晶体为掺杂锰和铁的钽铌酸钾晶体。
4、或者掺铁的钽铌酸钾钠晶体。8根据权利要求7所述的一种提高电控衍射器件性能的方法，其特征在于掺杂锰和铁的顺电相钽铌酸钾晶体按以下步骤制备一、按摩尔比KTANB为2625的比例，MN摩尔浓度为00101，铁的摩尔浓度为0203称取K2CO3粉末、TA2O5粉末、NB2O5粉末、MNO2粉末和FE3O4粉末混合，得混合粉末，研磨混合均匀，放入坩埚内；二、将坩埚置于加热炉，在室温条件下升温至9001100，并保温911H，得掺铁、锰的钽铌酸钾多晶体；三、将多晶体置于生长炉中，升温至12001230，并保温510H，而后降温至1180；四、采用顶端籽晶助溶剂法，在籽晶杆转速为515R/MIN的条件下旋转。
5、到晶体放肩至815MM后，然后在提拉速度为0406MM/H将晶体提拉至2030MM，再将晶体提出，而后降至室温，即得立方相掺杂锰和铁的顺电相钽铌酸钾晶体，化学式为FE0203MN00101KTA060NB040O3；其中步骤一中TANB的摩尔比为178，步骤四助溶剂为K2CO3粉末。权利要求书CN104076533A1/4页3一种提高电控衍射器件性能的方法技术领域0001本发明涉及提高电控衍射器件性能的方法。背景技术0002随着当代信息技术的飞速发展，对于信息的存储与处理技术一直是研究的热点，而电控衍射恰恰具有这方面的强大的应用潜力。目前，基于材料的电控衍射性能已经开发出多种高速光学器件，比如。
6、全息光开关、光学分束器、光学全息存储设备等。其原理是利用全息的方法在顺电相电控全息材料中写入全息光栅，从而达到控制出射光束的目的。但是现有的电控衍射器件的电控衍射性能都是完全利用晶体材料的电控衍射性能来实现的，存在以下不足，第一，由于光栅记录期间内仅依靠光激载流子的扩散效应而形成光栅，记录时间长达几分钟；第二，在较低驱动电场下的衍射效率不高，一般需要在较大的电场驱动下才能获得大的衍射效率如700V/MM；第三，记录光栅时由于扩散效应产生的空间电荷场小，且不同记录角度下空间电荷场有很大差异。这些缺点都将导致电控衍射器件的应用受限，是阻碍其发展的重要因素。在光通信以及光信息处理系统的飞速发展的时代。
7、，可以实现记录时间短、驱动电压低、空间电荷场大的一种电控衍射的方法成为了必然的需求。发明内容0003本发明是要解决现有的电控衍射的方法的记录时间长、驱动电压高、空间电荷场小、空间电荷场受记录角度影响的技术问题，而提供一种提高电控衍射器件性能的方法。0004本发明的提高电控衍射器件性能的方法是在记录光栅的同时对电控衍射器件中的电控全息晶体两端施加直流外电场。0005本发明提出的使电控衍射性能得到增强的方法，是利用在记录光栅时，对晶体材料两端加以一定大小的直流外电场来实现的，通过外加增强电场的作用，使得在材料内部不仅依靠扩散场作用来形成空间电荷场，还存在比它更强的漂移场的贡献。0006本发明中通过。
8、在记录光栅全息图时对晶体两端加以外电场，可以实现在保证仍然具有较大衍射效率的同时，将达到最大的衍射效率的记录时间从几分钟缩短为几秒钟，大大的缩短了记录时间，远优于传统的电控衍射性能，可满足光网络对高速记录光器件的要求；驱动电压相对较低就可以实现大的衍射效率。在不加外增强电场时，需要较大的读出电压才能达到最大的衍射效率，而通过电场增强效应可以一定程度上减小驱动电压；在不同记录角度下均可以实现空间电荷场的增强，且不同角度增强的结果相同，即提高光激载流子形成的空间电荷场的大小，且使其不受记录角度的影响，这使得电控衍射性能可以应用于多角度选择的光学器件中，有利于器件设计开发的小型化、集成化。本发明的高。
9、速、实时的电控衍射器件能够满足未来新型光学器件的要求。附图说明0007图1是试验一中测量掺杂锰和铁的顺电相钽铌酸钾晶体材料衍射效率的光路示说明书CN104076533A2/4页4意图；其中1为激光器，2为分束镜，3为第一衰减片，4为第二衰减片，5为第一反射镜，6为第二反射镜，7为第一光快门，8为第二光快门，9为顺电相电控全息晶体，10为光电探测器，11为直流电压源。0008图2是光栅记录、读出全过程中光强随时间的变化。0009图3是记录角度为220时，记录过程中加以电场E0W300V/MM,400V/MM,500V/MM增强和无电场增强条件下的衍射效率随记录时间变化测量结果图。0010图4是记。
10、录角度为220时，增强电场为300V/MM和无增强电场条件下，衍射效率随读出电场变化的测量结果图。0011图5是无增强电场下，不同角度的衍射效率随读出电场变化结果图。0012图6是不同角度下，加以相同的300V/MM的增强电场时，衍射效率随读出电场变化结果图。具体实施方式0013具体实施方式一本实施方式的提高电控衍射器件性能的方法是在记录光栅的同时对电控衍射器件中的电控全息晶体两端施加直流外电场。0014具体实施方式二本实施方式与具体实施方式一不同的是直流外电场的大小为每毫米厚度的晶体的电压为300800V；其它与具体实施方式一相同。0015具体实施方式三本实施方式与具体实施方式一不同的是直流。
11、外电场的大小为每毫米厚度的晶体的电压为400V；其它与具体实施方式一相同。0016具体实施方式四本实施方式与具体实施方式一不同的是直流外电场的大小为每毫米厚度的晶体的电压为500V；其它与具体实施方式一相同。0017具体实施方式五本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是所述的电控全息晶体是能够产生电控光折变效应的顺电相电光材料；其它与具体实施方式一至四之一相同。0018具体实施方式六本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是所述的顺电相电光材料为钽铌酸钾晶体或者钽铌酸钾钠晶体；其它与具体实施方式一至五之一相同。0019具体实施方式七本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是所述的钽铌酸钾晶体。
12、或者钽铌酸钾钠晶体为掺杂锰和铁的顺电相钽铌酸钾晶体或者掺铁的钽铌酸钾钠晶体。其它与具体实施方式一至六之一相同。0020具体实施方式八本实施方式与具体实施方式七不同的是掺杂锰和铁的顺电相钽铌酸钾晶体按以下步骤制备0021一、按摩尔比KTANB为2625的比例，MN摩尔浓度为00101，铁的摩尔浓度为0203称取K2CO3粉末、TA2O5粉末、NB2O5粉末、MNO2粉末和FE3O4粉末混合，得混合粉末，研磨混合均匀，放入坩埚内；0022二、将坩埚置于加热炉，在室温条件下升温至9001100，并保温911H，得掺铁、锰的钽铌酸钾多晶体；0023三、将多晶体置于生长炉中，升温至12001230，并保。
13、温510H，而后降温至1180；0024四、采用顶端籽晶助溶剂法，在籽晶杆转速为515R/MIN的条件下旋转到晶体说明书CN104076533A3/4页5放肩至815MM后，然后在提拉速度为0406MM/H将晶体提拉至2030MM，再将晶体提出，而后降至室温，即得立方相掺杂锰和铁的顺电相钽铌酸钾晶体，化学式为FE0203MN00101KTA060NB040O3；其中步骤一中TANB的摩尔比为178，步骤四助溶剂为K2CO3粉末。其它与具体实施方式七相同。0025用以下实施例验证本发明的有益效果0026实施例一0027本实施例的提高电控衍射器件性能的方法是在记录光栅的同时对电控衍射器件中的晶体材。
14、料两端施加直流外电场。其中晶体材料为掺杂锰和铁的顺电相钽铌酸钾晶体，其中锰的摩尔浓度为005，铁的摩尔浓度为025，晶体尺寸为368202113MM3。掺杂锰和铁的顺电相钽铌酸钾晶体制备方法如下一、按摩尔比KTANB为2625的比例，MN摩尔浓度为005，铁的摩尔浓度为025称取K2CO3粉末、TA2O5粉末、NB2O5粉末、MNO2粉末和FE3O4粉末混合，得混合粉末，研磨混合均匀，放入坩埚内；二、将坩埚置于加热炉，在室温条件下升温至1000，并保温10H，得掺铁、锰的钽铌酸钾多晶体；三、将多晶体置于生长炉中，升温至1210，并保温10H，而后降温至1180；四、采用顶部籽晶助溶剂法，在籽晶。
15、杆转速为515R/MIN的条件下旋转到晶体放肩至13MM后，然后在提拉速度为06MM/H将晶体提拉至30MM，再将晶体提出，而后降至室温，即得立方相掺杂锰和铁的顺电相钽铌酸钾晶体，化学式为FE025MN005KTA060NB040O3；其中步骤一中TANB的摩尔比为178，步骤四助溶剂为K2CO3粉末。0028测量掺杂锰和铁的顺电相钽铌酸钾晶体材料衍射增强效应的光路示意图如图1所示，该光路为二波耦合光路,步骤如下0029一、全息光栅的记录激光器1输出的波长为4910纳米的激光，经分束镜2分为反射光束和透射光束两束相干光，反射光束经第一衰减片3衰减、第一反射镜5反射、透射光束第经二衰减片4衰减、。
16、第二反射镜6反射后，在掺杂锰和铁的顺电相钽铌酸钾晶体9内相交干涉，所选择的记录角度为2，光栅记录时，电压源11的正负极分别用导线连接在掺杂锰和铁的顺电相钽铌酸钾晶体9的两端，在晶体上施加直流电压，使晶体两端产生一定大小的电场E0W，通过第一光快门7和第二光快门8控制记录时间T，在晶体内记录布拉格衍射光栅，相干光的偏振方向垂直于掺杂钽铌酸钾晶体的001轴方向在入射平面内。0030二、全息光栅的读出过程通过电压源11对掺杂锰和铁的顺电相钽铌酸钾晶体9两端加以外电场E0进行全息光栅的读出，读出电场从0V/MM增加到500V/MM，通过光电控测器10测量读出时的衍射光强，实现衍射效率的测量。0031改。
17、变试验条件来测试不同条件下掺杂锰和铁的顺电相钽铌酸钾晶体9的电控性能。0032试验1步骤一中的220、E0W0，即光栅记录时电压源11没有在掺杂锰和铁的顺电相钽铌酸钾晶体9上施加直流电压，这是现有技术中的测量方法，做为比较的基准。0033通过全息光栅的记录和读出两个步骤，对不同记录时间下的掺杂锰和铁的顺电相钽铌酸钾晶体9的衍射效率进行了测量，同时得到了最佳的记录时间为240S，最大衍射效率是在读出电场为350V/MM时得到的，最大衍射效率为783，此时光电探测器中响应的光强随时间的变化如图2所示。说明书CN104076533A4/4页60034试验2将步骤一中的设定220，E0W分设设置为30。
18、0V/MM、400V/MM、500V/MM，测量不同增强电场下的衍射效率随记录时间变化曲线如图3所示，读出电场曲线如图4所示。图3中为E0W0V/MM时衍射效率随记录时间变化情况，为E0W300V/MM时衍射效率随记录时间变化情况，为E0W400V/MM时衍射效率随记录时间变化情况，为E0W500V/MM时衍射效率随记录时间变化情况，从图3可以看出，随着外加增强电场的增大，最大衍射效率并没有太大变化，但是达到最大衍射效率的记录时间却在不断缩短，由不加电场时候的240S减小到14S,6S,4S，可以看出外加增强电场可以大大的减小记录时间而仍然保持着相对较大的衍射效率。图4中，为E0W0V/MM时。
19、的读出电场曲线，为E0W300V/MM时的读出电场曲线，从图4可以看出通过电场增强效应，可以实现在较小的读出电场下就获得较大的衍射效率，这一点对于器件的开发和改善也是很重要的。0035试验3将步骤一中的2分别设定为5和40，E0W分别设定为0V/MM、300V/MM，测出无增强电场、不同记录角度情况下的读出电场曲线结果如图5所示，300V/MM增强电场、不同记录角度情况下的读出电场曲线结果如图6所示。其中数据点为实验测量结果，曲线为拟合结果。不同情况下的最佳记录时间和通过拟合曲线得到的空间电荷场结果如表1所示。0036表1不同情况下的最佳记录时间和通过拟合曲线得到的空间电荷场结果0037003。
20、8通过对比表1中的加增强电场前后的空间电荷场可知，空间电荷场在不加增强电场情况下是与角度有关的，且数值较小，通过电场增强效应，可以达到相同的数值且切实的得到了增强。0039图6和表1结果表明，电场增强后的衍射效率与角度无关，记录时间也相同，而且都可以达到一个较大的且近似相同的衍射效率，这对于多角度器件的开发和器件的小型化集成化有很大意义。0040实施例二本实施例的提高掺铁FE钽铌酸钾钠KNTN晶体性能的方法是在记录光栅的同时对电控衍射器件中的掺铁钽铌酸钾钠晶体两端施加直流外电场。其中掺铁的钽铌酸钾钠晶体中铁的摩尔浓度为030。测试的光路图与实施例一中的测试光路图相同。0041测试结果表明，在记录角度为220，电压源11在掺铁的钽铌酸钾钠晶体9上未施加直流电压E0W时，晶体的记录时间为240S，最大的衍射效率为79。而利用电压源11在掺铁的钽铌酸钾钠晶体9上施加直流电压E0W300V/MM时，记录时间减小到16S，最大的衍射效率为718,而且电场增强后的衍射效率与角度2的大小无关。说明书CN104076533A1/3页7图1图2说明书附图CN104076533A2/3页8图3图4说明书附图CN104076533A3/3页9图5图6说明书附图CN104076533A。