一种提高电控衍射器件性能的方法
【专利摘要】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。
【专利说明】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，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。
【专利附图】
【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意图；其中I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2 Θ =20°时，记录过程中加以电场Etlw = 300V/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是记录角度为2 Θ =20°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300?800V ;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或者钽银酸钾钠晶体为掺杂猛和铁的顺电相钽银酸钾晶体或者掺铁的钽银酸钾钠晶体。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K:(Ta+Nb)为26:25的比例，Mn摩尔浓度为0.01%?0.1%，铁的摩尔浓度为0.2%?0.3%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900?110(TC，并保温9?llh，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1200?1230°C，并保温5?10h，而后降温至1180 0C ；
[0024]四、采用顶端籽晶助溶剂法，在籽晶杆转速为5?15r/min的条件下旋转到晶体放肩至8~15mm后，然后在提拉速度为0.4~0.6mm/h将晶体提拉至20~30mm,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Fea2~C^MnciH1 = KTaa6tlNba4tlO3 ;其中步骤一中Ta: Nb的摩尔比为17:8，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0.05%，铁的摩尔浓度为0.25%，晶体尺寸为3.68X2.02X 1.13mm3。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K: (Ta+Nb)为26: 25的比例，Mn摩尔浓度为0.05%，铁的摩尔浓度为0.25%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°C，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°C，并保温10h，而后降温至1180°C ;四、采用顶部籽晶助溶剂法，在籽晶杆转速为5~15r/min的条件下旋转到晶体放肩至13mm后,然后在提拉速度为
0.6mm/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Fe0.25:Mn0.05:KTa0.60Nb0.4003 ;其中步骤一中Ta: Nb的摩尔比为17:8，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I输出的波长为491.0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、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 Θ，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Etlw，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银酸钾晶体的[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Etl进行全息光栅的读出，读出电场从OV/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的电控性倉泛。
[0032]试验1:步骤一中的2 Θ =20°、Etlw = O,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/_时得到的，最大衍射效率为78.3%，此时光电探测器中响应的光强随时间的变化如图2所示。
[0034]试验2:将步骤一中的设定2 Θ =20。，Etlw分设设置为300V/mm、400V/mm、500V/_，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Etlw = OV/mm时衍射效率随记录时间变化情况，?为Etlw = 300V/mm时衍射效率随记录时间变化情况，▲为Etlw = 400V/mm时衍射效率随记录时间变化情况，▼为Etlw=500V/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，籲为Etlw = OV/mm时的读出电场曲线，为Etlw =300V/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 Θ分别设定为5°和40°，Etlw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I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
[0037]
【权利要求】
1.一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300~800V。
3.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银酸钾晶体或者钽银酸钾钠晶体。
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K:(Ta +Nb)为26:25的比例，Mn摩尔浓度为0.01%~0.1%，铁的摩尔浓度为0.2%~0.3%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900~110(TC，并保温9~llh，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1200~1230°C，并保温5~10h，而后降温至.1180 0C ； 四、采用顶端籽晶助溶剂法，在籽晶杆转速为5~15r/min的条件下旋转到晶体放肩至.8~15mm后,然后在提拉速度为0.4~0.6mm/h将晶体提拉至20~30mm,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Fea2U = Mnatl卜^KTaa6tlNba4tlO3 ;其中步骤一中Ta: Nb的摩尔比为17:8，步骤四助溶剂为K2CO3粉末。
【文档编号】G02F1/03GK104076533SQ201410355643
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2014年7月24日
【发明者】 田 浩, 周忠祥, 王磊, 孟祥达, 胡程鹏 申请人:哈尔滨工业大学