调制度对铈铁掺杂LiNbO3晶体衍射效率影响研究

陈浩+李惠

摘 要：文章设计出基于二波耦合理论的实验图，研究了调制度对铈铁掺杂LiNbO3晶体衍射效率影響。理论分析得到光束调制度通过影响光栅分布进而影响衍射效率，实验发现随着调制度接近于1，晶体饱和衍射效率快速增加。

关键词：衍射效率；调制度；掺杂LiNbO3晶体

中图分类号：O734 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）30-0022-02

引言

晶体光学材料领域，对掺杂LiNbO3晶体的研究由来已久。掺入不同类型、不同浓度的杂质粒子对LiNbO3晶体的光折变性能影响也不尽相同[1]。一般掺杂粒子的选取分两种，一种是掺杂有利于提高晶体光折变性能的粒子，如Fe、Ce、Mn等[2]，另一种是为了增强晶体的抗光致散射的粒子，如Mg、Zn等粒子。本实验将对铈铁两种元素掺杂的LiNbO3晶体进行研究，探究其在光折变效应过程中双光束的调制度对晶体衍射效率的影响。

1 实验过程

实验装置如图1，从532nm绿光激光器发射出的激光束通过半波片变为e光，经分束镜分为相干的两束光，一束光做参考光R，另一束光做物光S。参考光R与物光S共同照射到晶体表面建立体相位光栅。功率计用来测量衍射光束的功率。实验晶体选用一块8mm×8mm×8mm的铈铁掺杂LiNbO3晶体。

定义衍射效率η=Id/IR，IR为读出光光强，Id为衍射光光强，η表示读出光向衍射光转移能量的强弱[3]。实验中先用功率计测量物光和参考光的功率，待光信息充分存储后。关闭物光束，以参考光充作读出光对晶体内体相位光栅信息进行读取测出衍射光功率。测量结束后，用功率100mw波长473nm的蓝光激光器充分照射晶体，对晶体内体相位光栅进行擦除。改变物光与参考光功率之比，重复上述实验。

2 实验结果及分析

根据Kogelnik的理论[5]，如果考虑光对光折变晶体反射和吸收的因素，可以根据以下公式计算衍射效率：

式（6）中R为晶体表面的反射率，α为晶体的吸收系数，θ为激光束入射时与晶体光轴的夹角，d为晶体内的有效作用长度，一般近似取晶体的厚度，λ为入射光在真空中的波长。忽略吸收和反射，上式可变为：

本次实验中通过记录物光光束功率I1、参考光光束功率I2，及对应的饱和衍射效率η，整理数据得图2。

由式（3）可知，调制度m≤1，当I1=I2时有m=1。即当参考光光束功率与物光光束功率大小相等时调制度取1。结合图2来看，随着调制度m的增加晶体能达到的饱和衍射效率随之增加，m<0.7时，饱和衍射效率随m的升高增加缓慢。0.7

3 结论

本实验主要研究了铈铁掺杂LiNbO3晶体二波耦合过程中，物光束与参考光束的调制度m对晶体衍射效率的影响。理论分析认为，物光与参考光光束的调制度将引起晶体内相位光栅n的改变，而n的分布规律又将影响到衍射效率的高低。实验结果发现随着调制度m趋近于1，即参考光光束与物光光束功率相等时，晶体饱和衍射效率能达到最大。因此，在做晶体存储实验中，为了得到更优的存储效果，物光与参考光束功率应保持相等。

参考文献：

[1]江竹青.光折变晶体中高密度全息存储热固定技术的研究[D].北京工业大学，2003.

[2]徐朝鹏，孙燕，王利栓，等.铟铈铜铌酸锂晶体光谱特性及抗光损伤能力[J].红外与激光工程，2010，39（4）：698-701.

[3]James R Adleman， Helge A Eggert， KarstenBuse. Holographic grating formation in a colloidal suspension of silver nanoparticles[J].Optical Society of America， 2006（4）：447-449.

[4]John H Hong， Demetri Psaltis.Dense ho lographic storage promises fast access[J].Laser Focus World， 1996（4）：119-121.

[5]刘金伟，刘国庆，江竹青，等.掺杂LiNbO3晶体的生长缺陷与其体全息存储性能的研究[J].人工晶体学报，2005，05：106-110.