光折变非线性光学材料 铌酸锂晶体PDF电子书下载

第一章　铌酸锂晶体 1

1.1　铌酸锂晶体概述 1

1.2　铌酸锂晶体掺杂改性 3

1.3　掺杂铌酸锂晶体的应用 4

1.3.1　光学体全息存储 4

1.3.2　热固定法 6

1.3.3　电固定法 6

1.3.4　双光子固定法 7

1.3.5　单掺杂或非掺杂双光子固定法 7

1.3.6　双掺杂双光子固定法 8

1.4　光折变晶体的位相共轭 9

1.5　全息关联存储 10

1.6　集成光学的应用 11

1.6.1　光波导简述 11

1.6.2　光波导理论 11

1.6.3　平面光波导的传播模式 12

1.6.4　激光光束与波导之间的耦合方式 13

1.6.5　基片的制备 15

1.7　非线性光学的应用 15

参考文献 16

第二章　铌酸锂晶体的生长 19

2.1　提拉法生长铌酸锂晶体 19

2.1.1　原料合成 19

2.1.2　原料的预烧结 20

2.1.3　晶体生长 20

2.1.4　设备安装 21

2.1.5　溶质分疑和组分过冷 22

2.1.6　铌酸锂晶体生长的工艺参数 23

2.1.7　晶体生长过程 25

2.1.8　晶体的极化 26

2.1.9　晶体的加工 27

2.2　单掺杂LiNbO3晶体的生长 28

2.2.1　晶体生长和样品的制备 28

2.2.2　提高铌酸锂晶体光折变效应的掺杂浓度 29

2.2.3　氧化和还原处理 30

2.3　单掺和双掺杂铌酸锂晶体（抗光损伤杂质）的生长 31

2.3.1　掺抗光损伤杂质LiNbO3晶体的生长工艺 32

2.3.2　防止晶体开裂 33

2.3.3　生长条纹及其抑制 34

2.4　不同Li/Nb比LiNbO3晶体的生长 35

2.5　化学计量比铌酸锂晶体的生长 37

2.5.1　双坩埚技术 38

2.5.2　气相交换平衡法 38

2.5.3　顶上籽晶熔液生长（TSSG）法（熔盐提拉法）生长化学计量比铌酸锂晶体 39

2.6　提拉法生长晶体的优缺点 39

2.7　坩埚下降法生长LiNbO3晶体 40

参考文献 41

第三章　铌酸锂晶体的光折变效应 43

3.1　光折变效应简介 43

3.2　光折变效应的特点 43

3.3　光折变效应的发展 44

3.4　光激发电场载流子的产生 44

3.5　电荷载流子的输运 45

3.5.1　扩散 45

3.5.2　漂移 46

3.5.3　光生伏打效应 47

3.5.4　电荷输运方程 48

3.6　光折变效应基本方程 49

3.7　光致空间电荷场 51

3.8　LiNbO3晶体中的光折变中心 56

3.9　光折变效应的物理过程 58

3.9.1　In:Ce:Cu:LiNbO3晶体中载流子输运模型 59

3.9.2　双光子LiNbO3晶体的光伏场与光强的关系 62

参考文献 64

第四章　铌酸锂晶体的结构及缺陷 66

4.1　铌酸锂晶体的基本结构 66

4.2　铌酸锂晶体的本征缺陷结构 70

4.3　铌酸锂晶体的非本征缺陷结构 72

4.3.1　二价掺杂离子的占位 73

4.3.2　高价掺杂离子的占位 75

4.4　铌酸锂晶体中Li/Nb比对结构和性能的影响 77

4.4.1　Li/Nb比对铌酸锂晶体Raman谱线宽的影响 77

4.4.2　Li/Nb比对铌酸锂晶体居里温度的影响 77

4.4.3　Li/Nb比对铌酸锂晶体折射率的影响 78

4.4.4　Li/Nb比对相匹配角和相匹配温度的影响 79

4.4.5　Li/Nb比对铌酸锂晶体密度和晶胞参数的影响 79

4.4.6　Li/Nb比对铌酸锂晶体光折变性能的影响 79

4.5　其他电荷输运模型 80

4.5.1　电子-空穴竞争模型 80

4.5.2　双中心电荷输运模型 81

4.5.3　三价态电荷输运模型 83

参考文献 85

第五章　铌酸锂晶体的生长基元与结晶形貌 88

5.1　化学键 88

5.2　晶体构型与化学键 89

5.3　晶体生长理论模型概述 93

5.4　铌酸锂晶体的形貌 94

5.4.1　晶体的结晶形貌 94

5.4.2　LN晶体结构与形貌 95

5.5　LN熔体结构与生长基元 96

5.5.1　LN熔体结构 96

5.5.2　LN晶体生长基元 96

5.6　铌酸锂晶体的结晶习性 97

5.6.1　铌酸锂晶体结晶学特征 97

5.6.2　铌酸锂结晶习性 98

5.7　影响晶体结晶形态的因素 100

参考文献 102

第六章　掺杂铌酸锂晶体双光束耦合及光折变性能 104

6.1　双光束耦合理论 104

6.2　掺杂铌酸锂薄晶体指数增益系数 106

6.2.1　双光束耦合实验 106

6.2.2　基于大角光致散射的机理分析 108

6.3　Ce:Mn系列LiNbO3晶体的光学性能和光折变性能 112

6.3.1　Ce:Mn系列铌酸锂晶体的原料配比 112

6.3.2　差热分析结果 113

6.3.3　晶体的极化及氧化还原处理 114

6.3.4　氧化还原处理 116

6.3.5　红外光谱测试结果 117

6.3.6　OH－吸收峰移动机理研究 118

6.3.7　紫外-可见吸收光谱分析 120

6.3.8　Li/Nb比对Ce:Mn:LiNbO3的指数增益系数的影响 123

6.3.9　双光束耦合衍射效率测试 124

6.3.10　温度对Ce:Mn:LiNbO3晶体的指数增益系数的影响 124

参考文献 124

第七章　双掺杂铌酸锂晶体光折变效应 126

7.1　双掺杂铌酸锂晶体光折变增强的理论研究 126

7.1.1　双掺杂晶体中载流子输运模型 126

7.1.2　双掺杂晶体的光折变动力学方程 129

7.1.3　速率方程的稳态解 130

7.2　双掺杂铌酸锂晶体光折变增强的实验研究 133

7.3　Ce:Fe:LN晶体的光学性能和光折变性能 136

7.3.1　Ce:Fe:LN晶体的成分配比 137

7.3.2　居里温度 137

7.3.3　Ce:Fe:LN晶体的极化 138

7.3.4　铈铁系铌酸锂晶体晶格常数的计算及其结构分析 138

7.3.5　紫外-可见光吸收光谱 141

7.3.6　基础吸收边移动机理 142

7.3.7　Ce:Fe:LN晶体的光折变性能 145

参考文献 145

第八章 掺杂铌酸锂晶体全息存储性能研究 147

8.1　衍射效率 147

8.1.1　静态型全息光栅的衍射效率 147

8.1.2　动态型全息光栅的衍射效率 148

8.2　光折变响应时间 149

8.2.1　响应时间表达式 150

8.2.2　光电导的测算 150

8.2.3　响应时间的测试 151

8.3　擦除时间 151

8.4　光折变灵敏度 151

8.5　体全息存储系统中光折变晶体的动态范围 153

8.5.1　动态范围的引入及其定义 153

8.5.2　动态范围M／＃的计算与优化 153

8.5.3 LN晶体的M／＃ 154

8.6　掺铁LN晶体的存储性能 157

8.6.1 Fe:LN晶体作为光折变体全息存储的首选材料的优点 157

8.6.2　掺铁铌酸锂晶体全息存储性能的优化 157

8.6.3　Fe:LN晶体全息存储性能研究 159

8.7　Ce系LN晶体的生长的全息存储性能光学性能和全息存储性能 160

8.7.1　Ce系LN晶体X射线衍射分析 160

8.7.2　Ce系LN晶体光折变存储性能的测试 161

8.8　铜铁系LN晶体的光折变存储性能 162

8.8.1　Cu:Fe:LN晶体的光折变存储性能 162

8.8.2　Cu:Fe:LN晶体的光折变存储性能 163

参考文献 166

第九章　掺杂铌酸锂晶体全息存储及其应用 169

9.1　晶体存储技术的基本原理及研究意义 169

9.2　光学体全息存储系统评价 171

9.2.1　存储密度 172

9.2.2　信噪比 172

9.2.3　误码率 172

9.2.4　存储密度和记录介质的动态范围 173

9.2.5　Ce:Fe:LN系列铌酸锂晶体在光学体全息存储及其应用 173

9.3　Zn:Fe:LN晶体在海量光学体全息存储及其应用 175

9.3.1　海量光学体全息存储 176

9.3.2　海量光学体全息存储的基本原理 176

9.3.3　海量光学体全息存储系统的建立 177

9.3.4　二维海量光学存储及识别系统的容量 179

9.3.5　16级灰度图像的相关识别 181

9.3.6　匹配滤波相关器 181

9.3.7　角度复用的体全息相关器 181

9.4　Fe:LN晶体体全息大容量存储实验 182

9.4.1 实验装置 182

9.4.2　读出图像强度分布的不均匀及其克服方法 183

9.4.3　大容量存储实验 186

参考文献 189

第十章　光折变晶体中位相共轭效应及温度效应 190

10.1 四波混频耦合波方程的数值解法 190

10.2　掺杂LN晶体位相共轭性能研究 194

10.2.1　掺杂LN晶体位相共轭性能测试 194

10.2.2　掺杂LN晶体的位相共轭镜消除光波的位相畸变 196

10.3　Ce:Mn:LN晶体的非简并四波混频 196

10.3.1　实验装置和结果 196

10.3.2　对实验现象的定性解释 198

10.4　利用位相共轭镜（PCM）实现关联存储 198

10.4.1　记忆单个物的关联存储 198

10.4.2　记忆N个物的关联存储 199

10.4.3　全息关联存储 200

10.4.4　采用自泵浦位相共轭镜的关联存储器 200

10.4.5　采用四波混频位相共轭镜的关联存储器 201

10.4.6　外泵浦位相共轭激光器 203

10.4.7　稳态输出特性 204

10.5　铌酸锂晶体简并四波混频相位共轭的温度特性 205

10.5.1　实验设备 205

10.5.2　正常温度特性 206

10.5.3　异常温度特性 208

参考文献 210

第十一章　铒系列铌酸锂晶体的光学性能 212

11.1　Er:LiNbO3晶体的研究的意义及进展 212

11.2　掺铒基质材料的选择与放大器基本原理 213

11.3　Er:LiNbO3晶体的生长 214

11.4　铒双掺铌酸锂晶体的吸收特性 215

11.4.1　双掺Mg/Er-LiNbO3晶体的吸收特性 215

11.4.2　双掺In/Er-LiNbO3晶体的吸收特性 217

11.4.3　双掺Sc/Er-LiNbO3晶体的吸收特性 217

11.5　铒双掺铌酸锂晶体的J-O理论分析 219

11.5.1 Judd-Ofelt理论模型 219

11.5.2 双掺Mg/Er-LiNbO3晶体的J-O理论分析 221

11.5.3　双掺In/Er-LiNbO3晶体的J-O理论分析 225

11.5.4 双掺Sc/Er-LiNbO3晶体的J-O理论分析 228

参考文献 231

第十二章　镁系列和锌系列铌酸锂晶体的光折变性能 233

12.1　Mg系列LN晶体的光学性能和光折变性能 233

12.1.1　Mg2＋浓度和Li/Nb摩尔比变化对LiNbO3晶体光学性能的作用和影响 233

12.1.2　晶体生长和样品制备 233

12.1.3　Mg:LN晶体光学性能测试 234

12.1.4　Mg:LN晶体的紫外可见吸收光谱 234

12.1.5　Mg:LN晶体吸收边移动机理 235

12.1.6　Mg:LN晶体红外光谱测试 236

12.1.7　OH-吸收峰移动机理 236

12.1.8　Mg:LiNbO3晶体光损伤阈值增强研究 237

12.2　Mg:Fe:LN晶体的光折变效应 237

12.2.1　m线法测试Mg系列LN晶体波导基片光损伤 238

12.2.2　光波导光损伤的测量结果 239

12.3　Zn系列LN晶体的光学性能和光折变性能 240

12.3.1　Zn:LN晶体的生长 241

12.3.2　Raman光谱法测定晶格结构 242

12.3.3　测试结果与晶体结构分析 242

12.4　Zn:Fe:LN晶体的光学性能和存储性能 246

12.4.1　Zn:Fe:LN晶体红外吸收光谱测试 247

12.4.2　Zn:Fe:LN晶体紫外-可见吸收光谱测试 247

12.4.3　晶体中掺杂离子浓度测定结果 250

12.4.4　Zn:Fe:LN晶体抗光损伤性能 252

12.4.5　全息存储性能测试 253

12.4.6　空间电荷场和扩散场的计算结果 254

参考文献 255

第十三章　铟系列和钪系列铌酸锂晶体的光折变性能 257

13.1　In:LN晶体和Sc:LN晶体光谱性能和抗光损伤 257

13.1.1　Sc:LN晶体红外光谱测试 258

13.1.2　In:LN晶体和Sc:LN晶体抗光损伤能力测试 258

13.2　In:Ce:Cu:LN晶体的光折变体全息存储性能测试 259

13.2.1　衍射效率和擦除时间的测量 260

13.2.2　In:Ce:Cu:LN晶体的光折变体全息图像库的相关识别的应用 261

13.3　不同Li/Nb比铟铁铌酸锂晶体光折变性能的研究 263

13.3.1　晶体生长 263

13.3.2　不同Li/Nb比铟铁铌酸锂晶体的缺陷结构 264

13.4　In:Fe:LN晶体全息存储性能测试 266

13.4.1　衍射效率测试 266

13.4.2　响应时间和擦除时间的测量 267

13.4.3　实验结果讨论 267

13.5　In:Fe:LN晶体光折变性能的提高 268

13.5.1　In掺杂的效果实验 269

13.5.2　光折变性能的提高 270

13.6　不同Li/Nb比Mg:Sc:Fe:LN晶体生长及光折变性能 271

13.6.1　晶体生长及加工 272

13.6.2　抗光致散射能力的测试 272

13.6.3　二波耦合测试 272

13.6.4　紫外可见吸收光谱 273

13.6.5　红外光谱 274

13.6.6　二波耦合及抗光损伤能力 275

13.7　近化学计量比Zn:Sc:Fe:LN晶体位相共轭 276

13.7.1　Zn:Sc:Fe:SLN晶体红外光谱 276

13.7.2　Zn:Sc:Fe:SLN晶体位相共轭效应测试 277

参考文献 279

第十四章　锆系列铌酸锂晶体光折变性能 280

14.1　Zr:LiNbO3晶体缺陷结构和抗光损伤性能 280

14.1.1　Zr:LiNbO3晶体的生长和缺陷结构研究 280

14.1.2　Zr:LiNbO3晶体抗光损伤研究 281

14.1.3　Zr:LiNbO3晶体的光谱性能 283

14.2　Li/Nb摩尔比变化对Zr:Fe:LiNbO3晶体光折变性能的影响 285

14.2.1　Zr:Fe:LiNbO3晶体的生长 285

14.2.2　Zr:Fe:LiNbO3晶体的抗光损伤 286

14.2.3　Zr:Fe:LiNbO3晶体的红外光谱 287

14.2.4　Zr:Fe:LiNbO3晶体指数增益系数 288

14.2.5　Zr:Fe:LiNbO3晶体全息存储性能 288

14.3　Zr:Fe:LiNbO3晶体四波混频位相共轭镜的关联存储性能 289

14.3.1　Zr:Fe:LiNbO3晶体的生长和样品制备 289

14.3.2　Zr:Fe:LiNbO3晶体的红外光谱 290

14.3.3　m线法研究波导基片光损伤 290

14.3.4　位相共轭性能测试 291

14.3.5　Zr:Fe:LiNbO3晶体全息关联存储 292

14.4　近化学计量比Zr:Fe:LiNbO3晶体的存储性能和缺陷结构 293

14.4.1　Zr:Fe:SLiNbO3晶体的生长 294

14.4.2　晶体性能测试 294

14.4.3　Zr:Fe:SLiNbO3晶体全息存储性能 295

14.4.4　Zr:Fe:SLiNbO3晶体全息存储系统 295

参考文献 297

第十五章　铪系列铌酸锂晶体光折变性能 299

15.1　Hf:LiNbO3晶体的缺陷结构和抗光折变性能 299

15.1.1　晶体样品的制备 299

15.1.2　晶体光学均匀性 299

15.1.3　Hf:LiNbO3晶体红外光谱 300

15.1.4　全息法原理 301

15.1.5　Hf:LiNbO3晶体抗光损伤 302

15.2　不同［Li］／［Nb］比共掺Hf:Fe:LiNbO3晶体光折变指数增益的研究 303

15.2.1　Hf:Fe:LiNbO3晶体红外光谱测试 304

15.2.2　Hf:Fe:LiNbO3晶体抗光折变能力测试 305

15.2.3　Hf:Fe:LiNbO3晶体指数增益系数 305

15.3　Hf:Fe:LiNbO3晶体图像热固定及存储寿命的研究 308

15.3.1　热固定原理 309

15.3.2　Hf:Fe:LiNbO3晶体图像热固定实验 310

15.3.3　Hf:Fe:LiNbO3晶体热固定衰减时间（存储寿命）的测试 311

15.4　Hf:Cu:Fe:LiNbO3晶体非挥发全息存储 313

15.4.1　晶体生长和样品制备 314

15.4.2　Hf:Cu:Fe:LiNbO3晶体抗光致散射能力 314

15.4.3　Hf:Cu:Fe:LiNbO3晶体抗光致散射能力的机理 315

15.4.4　晶体全息存储性能 315

15.5　晶体非挥发性全息存储 316

15.5.1　Hf:Cu:Fe:LiNbO3晶体双光子固定 316

15.5.2　Cu:Fe:LiNbO3晶体的非挥发性全息存储的记录方案研究 317

参考文献 317

第十六章　近化学计量比铌酸锂晶体的光学性能和光折变性能 320

16.1　SLN晶体的生长及性能的研究 320

16.1.1　SLN晶体的生长 320

16.1.2　LN晶体的相位匹配和晶体中Li的浓度 321

16.1.3　强还原SLN产生快的光折变响应 322

16.2　SFe:LN光谱性能和光折变性能 324

16.2.1　Fe:SLN性能的优点与缺点 324

16.2.2　X射线衍射测试 325

16.2.3　Fe:SLN杂质离子占位分析和红外光谱的测试 329

16.2.4　Fe:SLN全息存储性能的要求 331

16.2.5　Fe:SLN光折变性能的测试 332

16.2.6　生长态Fe:SLN光折变性能 333

16.3　TSSG法生长近化学计量比Fe:Mg:LN晶体的生长和存储性能研究 335

16.3.1　实验 335

16.3.2　Fe:Mg:LN晶体性能测试 336

16.3.3　结果和讨论 337

16.3.4　掺杂LN晶体OH-吸收峰移动机理 337

16.3.5　Fe:Mg:LiNbO3晶体抗光损伤阈值 338

16.3.6　大容量全息存储实验 339

16.4　掺Mn近化学计量比铌酸锂晶体光学性能 339

16.4.1　实验和结果 340

16.4.2　铁电畴结构 340

16.4.3　红外光谱 340

参考文献 341

第十七章　掺杂铌酸锂晶体倍频性能研究 343

17.1　干涉照相法测试晶体双折射梯度 343

17.1.1　双折射梯度自动扫描检测原理及装置 344

17.1.2　测量结果及讨论 346

17.1.3 由双折射梯度来估计消光比 347

17.1.4　晶体倍频的基本原理 347

17.1.5　两类相位匹配 349

17.2　Mg:LN晶体与Zn:LN晶体的抗光损伤能力测试 351

17.3　晶体倍频性能测试 351

17.3.1 不同Li/Nb比Zn(6.5mo1%):LN晶体的倍频性能 352

17.3.2 不同Li/Nb比Zn(6.5mo1%):LN晶体的生长工艺条件 353

17.4 不同浓度Mg:LN晶体和不同浓度Zn:LN晶体的倍频性能 354

17.5　角度匹配测试倍频转换效率 355

17.6　暗迹的产生 357

15.6.1　暗迹的吸收光谱 359

17.6.2　氧化还原对Mg:LN晶体倍频转换效率的影响 359

17.6.3　光致暗迹产生机理探讨 360

参考文献 361