一種提高電控衍射器件性能的方法
【專利摘要】一種提高電控衍射器件性能的方法，本發(fā)明涉及提高電控衍射器件性能的方法。本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的電控衍射方法的記錄時間長、驅(qū)動電壓高、空間電荷場小及空間電荷場受記錄角度影響的技術(shù)問題。本發(fā)明的提高電控衍射器件性能的方法是在記錄光柵時對電控衍射器件中的電控全息晶體兩端施加直流外電場。本方法可用于小型化和集成化光學系統(tǒng)中。
【專利說明】一種提高電控衍射器件性能的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及提高電控衍射器件性能的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著當代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對于信息的存儲與處理技術(shù)一直是研究的熱點，而電控衍射恰恰具有這方面的強大的應用潛力。目前，基于材料的電控衍射性能已經(jīng)開發(fā)出多種高速光學器件，比如全息光開關(guān)、光學分束器、光學全息存儲設(shè)備等。其原理是利用全息的方法在順電相電控全息材料中寫入全息光柵，從而達到控制出射光束的目的。但是現(xiàn)有的電控衍射器件的電控衍射性能都是完全利用晶體材料的電控衍射性能來實現(xiàn)的，存在以下不足，第一，由于光柵記錄期間內(nèi)僅依靠光激載流子的擴散效應而形成光柵，記錄時間長達幾分鐘；第二，在較低驅(qū)動電場下的衍射效率不高，一般需要在較大的電場驅(qū)動下才能獲得大的衍射效率(如700V/mm);第三，記錄光柵時由于擴散效應產(chǎn)生的空間電荷場小，且不同記錄角度下空間電荷場有很大差異。這些缺點都將導致電控衍射器件的應用受限，是阻礙其發(fā)展的重要因素。在光通信以及光信息處理系統(tǒng)的飛速發(fā)展的時代，可以實現(xiàn)記錄時間短、驅(qū)動電壓低、空間電荷場大的一種電控衍射的方法成為了必然的需求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的電控衍射的方法的記錄時間長、驅(qū)動電壓高、空間電荷場小、空間電荷場受記錄角度影響的技術(shù)問題，而提供一種提高電控衍射器件性能的方法。
[0004]本發(fā)明的提高電控衍射器件性能的方法是在記錄光柵的同時對電控衍射器件中的電控全息晶體兩端施加直流外電場。
[0005]本發(fā)明提出的使電控衍射性能得到增強的方法，是利用在記錄光柵時，對晶體材料兩端加以一定大小的直流外電場來實現(xiàn)的，通過外加增強電場的作用，使得在材料內(nèi)部不僅依靠擴散場作用來形成空間電荷場，還存在比它更強的漂移場的貢獻。
[0006]本發(fā)明中通過在記錄光柵全息圖時對晶體兩端加以外電場，可以實現(xiàn)在保證仍然具有較大衍射效率的同時，將達到最大的衍射效率的記錄時間從幾分鐘縮短為幾秒鐘，大大的縮短了記錄時間，遠優(yōu)于傳統(tǒng)的電控衍射性能，可滿足光網(wǎng)絡對高速記錄光器件的要求；驅(qū)動電壓相對較低就可以實現(xiàn)大的衍射效率。在不加外增強電場時，需要較大的讀出電壓才能達到最大的衍射效率，而通過電場增強效應可以一定程度上減小驅(qū)動電壓；在不同記錄角度下均可以實現(xiàn)空間電荷場的增強，且不同角度增強的結(jié)果相同，即提高光激載流子形成的空間電荷場的大小，且使其不受記錄角度的影響，這使得電控衍射性能可以應用于多角度選擇的光學器件中，有利于器件設(shè)計開發(fā)的小型化、集成化。本發(fā)明的高速、實時的電控衍射器件能夠滿足未來新型光學器件的要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]圖1是試驗一中測量摻雜錳和鐵的順電相鉭鈮酸鉀晶體材料衍射效率的光路示意圖；其中I為激光器，2為分束鏡，3為第一衰減片，4為第二衰減片，5為第一反射鏡，6為第二反射鏡，7為第一光快門,8為第二光快門,9為順電相電控全息晶體,10為光電探測器，11為直流電壓源。
[0008]圖2是光柵記錄、讀出全過程中光強隨時間的變化。
[0009]圖3是記錄角度為2 Θ =20°時，記錄過程中加以電場Etlw = 300V/mm，400V/mm, 500V/mm增強和無電場增強條件下的衍射效率隨記錄時間變化測量結(jié)果圖。
[0010]圖4是記錄角度為2 Θ =20°時，增強電場為300V/mm和無增強電場條件下，衍射效率隨讀出電場變化的測量結(jié)果圖。
[0011]圖5是無增強電場下，不同角度的衍射效率隨讀出電場變化結(jié)果圖。
[0012]圖6是不同角度下，加以相同的300V/mm的增強電場時，衍射效率隨讀出電場變化結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0013]【具體實施方式】一:本實施方式的提高電控衍射器件性能的方法是在記錄光柵的同時對電控衍射器件中的電控全息晶體兩端施加直流外電場。
[0014]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是直流外電場的大小為每毫米厚度的晶體的電壓為300?800V ;其它與【具體實施方式】一相同。
[0015]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是直流外電場的大小為每毫米厚度的晶體的電壓為400V ;其它與【具體實施方式】一相同。
[0016]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是直流外電場的大小為每毫米厚度的晶體的電壓為500V ;其它與【具體實施方式】一相同。
[0017]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同的是所述的電控全息晶體是能夠產(chǎn)生電控光折變效應的順電相電光材料；其它與【具體實施方式】一至四之一相同。
[0018]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】一至五之一不同的是所述的順電相電光材料為鉭鈮酸鉀晶體或者鉭鈮酸鉀鈉晶體；其它與【具體實施方式】一至五之一相同。
[0019]【具體實施方式】七:本實施方式與【具體實施方式】一至六之一不同的是所述的鉭鈮酸鉀晶體或者鉭銀酸鉀鈉晶體為摻雜猛和鐵的順電相鉭銀酸鉀晶體或者摻鐵的鉭銀酸鉀鈉晶體。其它與【具體實施方式】一至六之一相同。
[0020]【具體實施方式】八:本實施方式與【具體實施方式】七不同的是摻雜錳和鐵的順電相鉭鈮酸鉀晶體按以下步驟制備:
[0021]一、按摩爾比K:(Ta+Nb)為26:25的比例，Mn摩爾濃度為0.01%?0.1%，鐵的摩爾濃度為0.2%?0.3%稱取K2CO3粉末、Ta2O5粉末、Nb2O5粉末、MnO2粉末和Fe3O4粉末混合，得混合粉末，研磨混合均勻，放入坩堝內(nèi)；
[0022]二、將坩堝置于加熱爐，在室溫條件下升溫至900?110(TC，并保溫9?llh，得摻鐵、錳的鉭鈮酸鉀多晶體；
[0023]三、將多晶體置于生長爐中，升溫至1200?1230°C，并保溫5?10h，而后降溫至1180 0C ；
[0024]四、采用頂端籽晶助溶劑法，在籽晶桿轉(zhuǎn)速為5?15r/min的條件下旋轉(zhuǎn)到晶體放肩至8~15mm后，然后在提拉速度為0.4~0.6mm/h將晶體提拉至20~30mm,再將晶體提出，而后降至室溫，即得立方相摻雜錳和鐵的順電相鉭鈮酸鉀晶體，化學式為Fea2~C^MnciH1 = KTaa6tlNba4tlO3 ;其中步驟一中Ta: Nb的摩爾比為17:8，步驟四助溶劑為K2CO3粉末。其它與【具體實施方式】七相同。
[0025]用以下實施例驗證本發(fā)明的有益效果:
[0026]實施例一:
[0027]本實施例的提高電控衍射器件性能的方法是在記錄光柵的同時對電控衍射器件中的晶體材料兩端施加直流外電場。其中晶體材料為摻雜錳和鐵的順電相鉭鈮酸鉀晶體，其中錳的摩爾濃度為0.05%，鐵的摩爾濃度為0.25%，晶體尺寸為3.68X2.02X 1.13mm3。摻雜錳和鐵的順電相鉭鈮酸鉀晶體制備方法如下:一、按摩爾比K: (Ta+Nb)為26: 25的比例，Mn摩爾濃度為0.05%，鐵的摩爾濃度為0.25%稱取K2CO3粉末、Ta2O5粉末、Nb2O5粉末、MnO2粉末和Fe3O4粉末混合，得混合粉末，研磨混合均勻，放入坩堝內(nèi)；二、將坩堝置于加熱爐，在室溫條件下升溫至1000°C，并保溫10h，得摻鐵、錳的鉭鈮酸鉀多晶體；三、將多晶體置于生長爐中，升溫至1210°C，并保溫10h，而后降溫至1180°C ;四、采用頂部籽晶助溶劑法，在籽晶桿轉(zhuǎn)速為5~15r/min的條件下旋轉(zhuǎn)到晶體放肩至13mm后,然后在提拉速度為
0.6mm/h將晶體提拉至30mm，再將晶體提出，而后降至室溫，即得立方相摻雜錳和鐵的順電相鉭鈮酸鉀晶體，化學式為Fe0.25:Mn0.05:KTa0.60Nb0.4003 ;其中步驟一中Ta: Nb的摩爾比為17:8，步驟四助溶劑為K2CO3粉末。
[0028]測量摻雜錳和鐵的順電相鉭鈮酸鉀晶體材料衍射增強效應的光路示意圖如圖1所示，該光路為二波耦合光路，步驟如下:
[0029]一、全息光柵的記錄:激光器I輸出的波長為491.0納米的激光，經(jīng)分束鏡2分為反射光束和透射光束兩束相干光，反射光束經(jīng)第一衰減片3衰減、第一反射鏡5反射、透射光束第經(jīng)二衰減片4衰減、第二反射鏡6反射后，在摻雜錳和鐵的順電相鉭鈮酸鉀晶體9內(nèi)相交干涉，所選擇的記錄角度為2 Θ，光柵記錄時，電壓源11的正負極分別用導線連接在摻雜錳和鐵的順電相鉭鈮酸鉀晶體9的兩端，在晶體上施加直流電壓，使晶體兩端產(chǎn)生一定大小的電場Etlw，通過第一光快門7和第二光快門8控制記錄時間t，在晶體內(nèi)記錄布拉格衍射光柵，相干光的偏振方向垂直于摻雜鉭銀酸鉀晶體的[001]軸方向在入射平面內(nèi)。
[0030]二、全息光柵的讀出過程:通過電壓源11對摻雜錳和鐵的順電相鉭鈮酸鉀晶體9兩端加以外電場Etl進行全息光柵的讀出，讀出電場從OV/mm增加到500V/mm,通過光電控測器10測量讀出時的衍射光強，實現(xiàn)衍射效率的測量。
[0031]改變試驗條件來測試不同條件下?lián)诫s錳和鐵的順電相鉭鈮酸鉀晶體9的電控性倉泛。
[0032]試驗1:步驟一中的2 Θ =20°、Etlw = O,即光柵記錄時電壓源11沒有在摻雜錳和鐵的順電相鉭鈮酸鉀晶體9上施加直流電壓，這是現(xiàn)有技術(shù)中的測量方法，做為比較的基準。
[0033]通過全息光柵的記錄和讀出兩個步驟，對不同記錄時間下的摻雜錳和鐵的順電相鉭鈮酸鉀晶體9的衍射效率進行了測量，同時得到了最佳的記錄時間為240s，最大衍射效率是在讀出電場為350V/_時得到的，最大衍射效率為78.3%，此時光電探測器中響應的光強隨時間的變化如圖2所示。
[0034]試驗2:將步驟一中的設(shè)定2 Θ =20。，Etlw分設(shè)設(shè)置為300V/mm、400V/mm、500V/_，測量不同增強電場下的衍射效率隨記錄時間變化曲線如圖3所示，讀出電場曲線如圖4所示。圖3中為Etlw = OV/mm時衍射效率隨記錄時間變化情況，?為Etlw = 300V/mm時衍射效率隨記錄時間變化情況，▲為Etlw = 400V/mm時衍射效率隨記錄時間變化情況，▼為Etlw=500V/mm時衍射效率隨記錄時間變化情況,從圖3可以看出，隨著外加增強電場的增大，最大衍射效率并沒有太大變化，但是達到最大衍射效率的記錄時間卻在不斷縮短，由不加電場時候的240s減小到14s，6s, 4s，可以看出外加增強電場可以大大的減小記錄時間而仍然保持著相對較大的衍射效率。圖4中，籲為Etlw = OV/mm時的讀出電場曲線，為Etlw =300V/mm時的讀出電場曲線，從圖4可以看出通過電場增強效應,可以實現(xiàn)在較小的讀出電場下就獲得較大的衍射效率，這一點對于器件的開發(fā)和改善也是很重要的。
[0035]試驗3:將步驟一中的2 Θ分別設(shè)定為5°和40°，Etlw分別設(shè)定為0V/mm、300V/mm，測出無增強電場、不同記錄角度情況下的讀出電場曲線結(jié)果如圖5所示，300V/mm增強電場、不同記錄角度情況下的讀出電場曲線結(jié)果如圖6所示。其中數(shù)據(jù)點為實驗測量結(jié)果，曲線為擬合結(jié)果。不同情況下的最佳記錄時間和通過擬合曲線得到的空間電荷場結(jié)果如表I所示。
[0036]表1不同情況下的最佳記錄時間和通過擬合曲線得到的空間電荷場結(jié)果
[0037]
【權(quán)利要求】
1.一種提高電控衍射器件性能的方法，其特征在于該方法是在記錄光柵的同時對電控衍射器件中的電控全息晶體兩端施加直流外電場。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高電控衍射器件性能的方法，其特征在于直流外電場的大小為每毫米厚度的晶體的電壓為300~800V。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高電控衍射器件性能的方法，其特征在于直流外電場的大小為每毫米厚度的晶體的電壓為400V。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高電控衍射器件性能的方法，其特征在于直流外電場的大小為每毫米厚度的晶體的電壓為500V。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的一種提高電控衍射器件性能的方法，其特征在于所述的電控全息晶體是能夠產(chǎn)生電控光折變效應的順電相電光材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種提高電控衍射器件性能的方法，其特征在于所述的產(chǎn)生電控光折變效應的順電相電光材料為鉭銀酸鉀晶體或者鉭銀酸鉀鈉晶體。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種提高電控衍射器件性能的方法，其特征在于所述的鉭鈮酸鉀晶體或者鉭鈮酸鉀鈉晶體為摻雜錳和鐵的鉭鈮酸鉀晶體或者摻鐵的鉭鈮酸鉀鈉晶體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種提高電控衍射器件性能的方法，其特征在于摻雜錳和鐵的順電相鉭鈮酸鉀晶體按以下步驟制備: 一、按摩爾比K:(Ta +Nb)為26:25的比例，Mn摩爾濃度為0.01%~0.1%，鐵的摩爾濃度為0.2%~0.3%稱取K2CO3粉末、Ta2O5粉末、Nb2O5粉末、MnO2粉末和Fe3O4粉末混合，得混合粉末，研磨混合均勻，放入坩堝內(nèi)； 二、將坩堝置于加熱爐，在室溫條件下升溫至900~110(TC，并保溫9~llh，得摻鐵、錳的鉭鈮酸鉀多晶體； 三、將多晶體置于生長爐中，升溫至1200~1230°C，并保溫5~10h，而后降溫至.1180 0C ； 四、采用頂端籽晶助溶劑法，在籽晶桿轉(zhuǎn)速為5~15r/min的條件下旋轉(zhuǎn)到晶體放肩至.8~15mm后,然后在提拉速度為0.4~0.6mm/h將晶體提拉至20~30mm,再將晶體提出，而后降至室溫，即得立方相摻雜錳和鐵的順電相鉭鈮酸鉀晶體，化學式為Fea2U = Mnatl卜^KTaa6tlNba4tlO3 ;其中步驟一中Ta: Nb的摩爾比為17:8，步驟四助溶劑為K2CO3粉末。
【文檔編號】G02F1/03GK104076533SQ201410355643
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】 田 浩, 周忠祥, 王磊, 孟祥達, 胡程鵬 申請人:哈爾濱工業(yè)大學