为了研究近化学计量比Ce:Fe:LiNbO3晶体的非挥发全息存储固定,测试了晶体的光谱特性,发现近化学计量比Ce:Fe:LiNbO3晶体较同成分Ce:Fe:LiNbO3晶体的红外透射谱变窄,峰值位于3466cm-1处;而紫外光谱发生紫移。并采用单、双光子存储方法进行了理论分析和实验验证。结果表明,单光子照射实验中,用汞灯预照晶体比不用汞灯预照的衍射效率要高;而双光子存储的性能参量明显优于单光子存储的性能参量。

2 Nonvolatile two-color holographic recording gated by incoherent ultraviolet (UV) light centered at 365 nm is investigated in near-stoichiometric lithium niobate crystals. The influence of thermal treatment on the two-color recording is studied. The results show that thermal reduction tends to improve the two-color recording performance, whereas thermal oxidation degrades the two-color recording. With an incoherent 0.2-W/cm2 UV gating light and a 0.25-W/cm2 semiconductor recording laser at 780 nm, a two-color recording sensitivity of 4\times10^{-3} cm/J and a recording dynamic range characterized by M/# of 0.12 are achieved in a 2.2-mm thermally reduced near-stoichiometric lithium niobate crystal. We attribute the improvement to the prolonged lifetime of small polarons and the increased absorption at the gating wavelength due to thermal reduction.

为了对在LiNbO3:Ce:Cu晶体中绿光作为记录光的非挥发全息记录进行优化, 联立求解了双中心物质方程和双光束耦合波方程, 数值分析了平均空间电荷场(SCF)和衍射效率随晶体的氧化还原态、记录光与敏化光的光强比以及深浅中心的掺杂浓度的变化。结果表明, 采用绿光作为记录光在LiNbO3:Ce:Cu晶体中进行非挥发全息记录, 可以记录得到强光折变光栅, 其空间电荷场高达107 V/m;获得高达80%以上的固定衍射效率, 各相关参量都有较大的优化空间。

根据双中心带输运模型,对(Ce,Cu)∶LiNbO3晶体双中心非挥发全息记录进行了理论研究与优化。推导了(Ce,Cu)∶LiNbO3晶体的微观参量,采用数值方法通过严格求解模拟双中心带输运方程来模拟全息记录过程。分析了记录过程中,记录与敏化光强、Ce和Cu掺杂浓度以及晶体微观参量对(Ce,Cu)∶LiNbO3晶体双中心全息记录的影响。发现(Ce,Cu)∶LiNbO3晶体非挥发全息记录中实现高衍射效率与固定效率的主导因素是深中心Cu,在记录过程中,深中心Cu建立起了很强的空间电荷场。数值模拟的结果经过实验验证,最高饱和与固定衍射效率别为60.5%和53.8%。

采用双中心记录方案在双掺杂LiNbO3∶Fe∶Rh晶体中实现了近红外非挥发全息记录,研究了LiNbO3∶Fe∶Rh晶体在633 nm,752 nm,799 nm波长下的全息记录性能。结果表明,在使用近红外记录光时,其记录灵敏度随敏化光强的变化趋势与双中心短波长记录时的不同。通过和LiNbO3∶Fe∶Mn等传统双掺杂铌酸锂晶体的近红外波段记录效果对比,发现同时掺杂Fe和Rh可增强晶体对近红外光的吸收,获得更高的浅中心Fe光生伏特系数,从而能够在LiNbO3∶Fe∶Rh晶体中实现近红外波段的光折变全息记录。

研究了LiNbO₃∶Cr∶Cu晶体的吸收特性，发现LiNbO₃∶Cr∶Cu(含0．14wt．%Cr₂O₃和0．011wt．%CuO)晶体存在两个明显的吸收峰，中心波长分别位于480nm和660nm；随着Cr的含量逐渐减小，Cu的含量逐渐增大，短波段不存在明显吸收峰，掺Cr的含量越大，中心波长在660nm处的吸收越大；633nm红光虽然位于中心波长为660nm的吸收峰内，但它无助于光折变过程．分别采用390nm紫外光和488nm蓝光作为敏化光，514nm绿光作为记录光的记录方案，实现了非挥发全息记录，掺入适量的Cr(比如N_Cr=2．795×10²⁵m^－3，N_Cr／N_Cu=1)有助于全息记录性能的提高．

分别采用514 nm绿光、488 nm蓝光和390 nm紫外光作为敏化光,633 nm红光作为记录光,详细研究了敏化光波长对氧化(Fe,Ni):LiNbO3晶体全息记录性能的影响。结果表明:随着敏化光波长的逐渐减小,氧化(Fe,Ni):LiNbO3晶体的非挥发全息记录性能逐渐优化,390 nm紫外光是这三种敏化光中最优的敏化光。考虑敏化光的吸收,为了在双中心全息记录中获得最优的性能,应当选择合适波长的敏化光:一方面短波长敏化光能有效地敏化深中心;另一方面短波长敏化光的吸收太强(如对光折变效应无用的基质吸收),不能沿厚度方向有效地敏化晶体,所以实际上需折衷考虑,并从理论上给予了解释。

为了解决读出过程中全息数据的擦除问题,研究了新型双掺杂LiNbO3:Fe:Ru晶体的全息读出特性。分析了双中心和单中心记录方案光栅的读出特性,并联立双中心物质方程和耦合波方程进行了模拟计算。结果表明,双中心记录所得到的饱和全息的读出时间常数远低于LiNbO3:Fe:Mn晶体的读出时间常数; 单色光记录可以实现有效的全息,且其读出时间常数远大于记录时间常数,表现为准态非挥发读出。分析表明,这可能由于Ru的能级比Mn更靠近Fe,更易被红光激发,从而使得双中心记录所得饱和光栅的存贮持久性降低; 单色光记录中红光能够同时充当记录光和抽运光,记录过程中红光能够在Fe上记录光栅并将其转移到Ru上,而在读出过程中则由于Ru能级较深,擦除缓慢。

采用三种不同的双光记录方案进行了LiNbO3∶Fe∶Ni晶体全息存储实验,详细研究了饱和衍射效率、固定衍射效率、动态范围和记录灵敏度,以及退火条件对记录的影响。结果表明,氧化LiNbO3∶Fe∶Ni 晶体的饱和衍射效率、固定衍射效率和记录灵敏度比其他报道的双掺杂LiNbO3晶体高。结合掺杂能级图,理论分析了LiNbO3双掺杂晶体深陷阱中心能级的相对位置及其微观光学参量对全息记录性能的影响。LiNbO3∶Fe∶Ni晶体有望成为一种新的高效率非挥发全息存储材料。

采用紫外光作记录光在Ce∶Mn∶LiNbO3晶体中实现非挥发全息记录,灵敏度可达0.0803 cm/J,衍射效率(固定)为5.07%,比采用红光为记录光,紫外光为敏化光的非挥发双中心记录方案均提高了50多倍。分析表明,采用紫外光作为记录光,深能级电子被激发比例极大提高,参与光折变过程的电子平均运动周期变短,提高了衍射效率和灵敏度;深浅能级电子光栅的同相位,使得固定空间电荷场变强。文中还研究了退火对记录性能的影响。