Ｃｅ：Ｆｅ：ＬｉＮｂＯ＿３晶体光折变温度增强效应的研究李铭华，王家昌，徐玉恒（哈尔滨工业 大学应用化学系，哈尔滨１５０００６）宋磊（哈尔滨工业大学航天工程系，哈尔滨１５０００６ ）在ＬｉＮｂＯ＿３中掺入ＣｅＯ＿２和Ｆｅ＿２Ｏ＿３，生长了Ｃｅ：Ｆｅ：ＬｉＮｂＯ＿３晶 体，在２０～１２０℃范围内，研究晶体的二波耦合指数增益系数Γ和四波混频相位共轭反射率Ｒ 。随着温度的升高，Γ和Ｒ以及响应速度等指标都有提高，这是由于晶体内扩散场随温度升高而增 大，导致晶体光折变效应增强。在５５、７１和１１０℃附近，指数增益系数Γ和相位共轭反射率 Ｒ出现异常增大，这与该温度下晶体发生结构相变有关。关键词：Ｃｅ：Ｆｅ：ＬｉＮｂＯ＿３， 指数增益，相位共轭，温度增强，结构相空光折变ＬｉＮｂＯ３晶体是一种高居里点的铁电晶体， 具有优良的电光和光折变性能，大块优质ＬｉＮｂＯ３晶体也较易生长和加工。掺杂对ＬｉＮｂＯ ３晶体的光折变性能的影响是巨大的，如掺铁和掺镁ＬｉＮｂＯ３晶体早已为人们所熟知，我们研 制的Ｃｅ：Ｆｅ：ＬｉＮｂＯ３晶体具有优异的光折变性能［１～３］。温度对晶体光折变效应的 影响作用近年来也引起了有关学者的关注［４，５］，我们在研究Ｃｅ：Ｆｅ：ＬｉＮｂＯ３，晶 体的温度作用时，发现升高温度对晶体的光折变性能有增强作用，并且在三个特定温度（５５、７ １和１１０℃）下，晶体的光折变性能出现异常增大。１实验Ｃｅ：Ｆｅ：ＬｉＮｂＯ３晶体采用 熔体提拉法生长，ＬｉＮｂＯ３按固液同成汾配比，Ｌｉ／Ｎｂ＝０．９４５（原子比）。ＣｅＯ ２和Ｆｅ２Ｏ３的掺入浓度分别为０．１０ｍｏｌ％和０．０５ｍｏｌ％。晶体生长完毕，经单畴 化处理，加工成１２ｍｍ×１２ｍｍ×２．５ｍｍ的样品，ｙ面通光，通光长度为２．５ｍｍ。采 用二波耦合光路测试了晶体的增益系数［３］，所用光源为Ｈｅ－Ｎｅ激光器，输出波长为６３２ ．８ｎｍ，晶体置于一加热炉中，用ＪＷＴ－７０２型自动控温仪控制温度，偏差小于±０．１℃ 。利用简并四波混频方法获得相位共轭波，研究了晶体的相位共轭效应，简并四波混频光路见文献 ［３］，所用光源仍为。Ｉｅ－Ｎｅ激光器。２结果和讨论２．１指数增益系数光折变晶体的指数 增益系数是指在二波耦合过程中，强的泵浦光的能量转移到弱的信号光上的能力的体现。指数增益 系数的表达式为［６］：式中δ为晶体的通光长度，Ｉ＇２和Ｉ２分别是存在和不存在耦合时的透 射信号光强度，Ｉ＇１和Ｉ１分别是相应的泵浦光强度。当Ｉ＇２＞＞Ｉ２时，可忽略泵浦光的能 量损耗，式（１）简化为：国家自然科学基金资助项目实验测得Ｃｅ：Ｆｅ：ＬｉＮｂＯ３晶体的 指数增益系数Γ与双光束夹角２θ之间的关系曲线如图１所示，２０℃时，Γｍａｘ＝２５ｃｍ－ １，６３℃时，Γｍａｘ＝２８ｃｍ－１。２．２相位共轭效应相位共轭反射率Ｒ定义为晶体内产 生的相位共轭光Ｉｃ与入射的信号光Ｉｓ的强度之比（Ｒ＝Ｉｃ／Ｉｓ），分别在２０和６３℃测 试了Ｃｅ：Ｆｅ：ＬｉＮｂＯ３的Ｒ值随２θ角的变化关系，结果见图２，６３℃时的Ｒ值比２０ ℃时有所增大。响应时间是衡量晶体内相位共轭波产生的速度快慢的指标，指从光入射到晶体上开 始，到Ｒ达最大所需要的时间。２０℃时为１１ｍｉｎ，６３℃时为７ｍｉｎ。温度对Ｃｅ：Ｆｅ ：ＬｉＮｂＯ３晶体光折变增强作用，可以认为是由于杂质能级的存在，电子依靠热运动即可进入 导带自由运动，参与光折变过程，温度升高使得这种热运动加剧，因此光折变效应随之增强。按照 Ｋｕｋｈｔａｒｅｖ的带导模型［７］，对于Ｃｅ：Ｆｅ：ＬｉＮｂＯ３晶体，满足Ｌ＞＞ｌＴ或 ｌＥ关系，Ｌ为光栅空间间距，ｌＴ和ｌＥ分别是在晶体内部空间电荷场和外加电场作用下，电子 的迁移距离。此时晶体的指数增益系数Γ∞Ｅｄ，扩散场强度Ｅｄ＝２πＴ／Ｌｅ，Ｔ是绝对温度 ，ｅ是电子电量。由此可见，当晶体内光栅的空间间距相等，即２θ角相等时，随着温度的升高， 扩散场增强，导致晶体的指数增益系数增大。２．３光折变温度增强的异常现象在２０～１２０℃ 范围内，每隔５℃，测试了样品的Γ和Ｒ值，结果如图３所示，在５５、７１和１１０℃附近，Γ 和Ｒ值同时出现了异常增大。这种异常现象的发生，是由于在这三个温度下，Ｃｅ：Ｆｅ：ＬｉＮ ｂＯ３晶体内部发生了结构相变［８］。此时晶体内有三相共存，造成晶体结构畸变，产生了离子 位移，并且这一位移在ｃ轴方向产生一个附加电荷场，该电场方向与晶体内空间电荷场方向一致， 结果是增强了晶体内电场，由电光效应导致的折射率调制增大，即光折变效应增强。３结论温度升 高时，由于晶体内热运动加剧，使得指数增益系数Γ、相位共轭反射率Ｒ及其响应时间等光折变性 能参数均有所增大。此外实验中还发现Ｃｅ：Ｆｅ：ＬｉＮｂＯ３晶体的光折变性能在５５、７１ 和１１０℃下，出现异常增大，这种现象的出现是由于此时晶体内部发生了结构相变，使得内电场 异常增大的缘故。参考文献｜｜１ＨｕｉＫａｎｇ，ＣｈａｎｇｘｉＹａｎｇ，Ｇｕｏｇｕａｎｇ Ｍｕ，ＺｈｏｎｇｋａｎｇＷｕ．Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．，１９９０，１５（１１）：６３７．２刘 劲松，安毓英，李铭华，赵业权，徐玉恒．科学通报，１９９３，３８（１５）：４１３．３李铭 华，贾晓华，强亮生，徐玉恒，金光海，边少平，张景文，刘景和，张翼．光学学报，１９９３， １３（３）．２２９．４ＣｈｅｎｇＬｉｊｅｎ，ＰａｒｔｏｕｉＡｆｓｈｉｎ．Ａｐｐｌ．Ｐｈ ｙｓ．Ｌｅｔｔ．，１９８６，４９（２１），１４５６．５刘劲松，石顺祥，李铭华，赵业权， 徐玉恒．科学通报，１９９１，３６（２０）：１５３６．６ＧｕｎｔｅｒＰ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｐ ．，１９８２，９３（４）：１９９．７ＫｕｋｈｔａｒｅｖＮＶ、ＭａｒｋｏｖＶＢ，Ｏｄｕｌ ｏｖＳＧ，ＳｏｓｋｉｎＭＳ，ＶｉｎｅｔｓｋｉｉＶＬ．Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，１９ ７９，２２（４）：９６１．８许自然，沈惠敏，王咸，王业宁．物理学报，１９８４，３３（８ ）：１１９２．Ce：Fe：LiNbO_3晶体光折变温度增强效应的研究@李铭华，王家昌， 徐玉恒，宋磊$哈尔滨工业大学应用化学系，哈尔滨工业大学航天工程系Ｃｅ：Ｆｅ：ＬｉＮｂＯ ＿３，指数增益，相位共轭，温度增强，结构相空在ＬｉＮｂＯ＿３中掺入ＣｅＯ＿２和Ｆｅ＿２ Ｏ＿３，生长了Ｃｅ：Ｆｅ：ＬｉＮｂＯ＿３晶体，在２０～１２０℃范围内，研究晶体的二波耦 合指数增益系数Γ和四波混频相位共轭反射率Ｒ。随着温度的升高，Γ和Ｒ以及响应速度等指标都 有提高，这是由于晶体内扩散场随温度升高而增大，导致晶体光折变效应增强。在５５、７１和１ １０℃附近，指数增益系数Γ和相位共轭反射率Ｒ出现异常增大，这与该温度下晶体发生结构相变 有关。１ＨｕｉＫａｎｇ，ＣｈａｎｇｘｉＹａｎｇ，ＧｕｏｇｕａｎｇＭｕ，Ｚｈｏｎｇｋａｎ ｇＷｕ．Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．，１９９０，１５（１１）：６３７．２刘劲松，安毓英，李铭华， 赵业权，徐玉恒．科学通报，１９９３，３８（１５）：４１３．３李铭华，贾晓华，强亮生，徐 玉恒，金光海，边少平，张景文，刘景和，张翼．光学学报，１９９３，１３（３）．２２９．４ ＣｈｅｎｇＬｉｊｅｎ，ＰａｒｔｏｕｉＡｆｓｈｉｎ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，１９ ８６，４９（２１），１４５６．５刘劲松，石顺祥，李铭华，赵业权，徐玉恒．科学通报，１９ ９１，３６（２０）：１５３６．６ＧｕｎｔｅｒＰ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｐ．，１９８２，９３（４ ）：１９９．７ＫｕｋｈｔａｒｅｖＮＶ、ＭａｒｋｏｖＶＢ，ＯｄｕｌｏｖＳＧ，Ｓｏｓｋｉｎ ＭＳ，ＶｉｎｅｔｓｋｉｉＶＬ．Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，１９７９，２２（４）：９６ １．８许自然，沈惠敏，王咸，王业宁．物理学报，１９８４，３３（８）：１１９２．国家自然 科学基金ｇ，ＣｈａｎｇｘｉＹａｎｇ，ＧｕｏｇｕａｎｇＭｕ，ＺｈｏｎｇｋａｎｇＷｕ．Ｏｐ ｔ．Ｌｅｔｔ．，１９９０，１５（１１）：６３７．２刘劲松，安毓英，李铭华，赵业权，徐玉 恒．科学通报，１９９３，３８（１５）：４１３．３李铭华，贾晓华，强亮生，徐玉恒，金光海 ，边少平，张景文，刘景和，张翼．光学学报，１９９３，１３（３）．２２９．４ＣｈｅｎｇＬ ｉｊｅｎ，ＰａｒｔｏｕｉＡｆｓｈｉｎ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，１９８６，４９（ ２１），１４５６．５刘劲松，石顺祥，李铭华，赵业权，徐玉恒．科学通报，１９９１，３６（ ２０）：１５３６．６ＧｕｎｔｅｒＰ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｐ．，１９８２，９３（４）：１９９． ７ＫｕｋｈｔａｒｅｖＮＶ、ＭａｒｋｏｖＶＢ，ＯｄｕｌｏｖＳＧ，ＳｏｓｋｉｎＭＳ，Ｖｉｎ ｅｔｓｋｉｉＶＬ．Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，１９７９，２２（４）：９６１．８许自然 ，沈惠敏，王咸，王业宁．物理学报，１９８４，３３（８）：１１９２．Ce：Fe：LiNb O_3晶体光折变温度增强效应的研究@李铭华，王家昌，徐玉恒，宋磊$哈尔滨工业大学应用化 学系，哈尔滨工业大学航天工程系Ｃｅ：Ｆｅ：ＬｉＮｂＯ＿３，指数增益，相位共轭，温度增强 ，结构相空在ＬｉＮｂＯ＿３中掺入ＣｅＯ＿２和Ｆｅ＿２Ｏ＿３，生长了Ｃｅ：Ｆｅ：ＬｉＮｂ Ｏ＿３晶体，在２０～１２０℃范围内，研究晶体的二波耦合指数增益系数Γ和四波混频相位共轭 反射率Ｒ。随着温度的升高，Γ和Ｒ以及响应速度等指标都有提高，这是由于晶体内扩散场随温度 升高而增大，导致晶体光折变效应增强。在５５、７１和１１０℃附近，指数增益系数Γ和相位共 轭反射率Ｒ出现异常增大，这与该温度下晶体发生结构相变有关。１ＨｕｉＫａｎｇ，ＣｈａｎｇｘｉＹａｎｇ，ＧｕｏｇｕａｎｇＭｕ，ＺｈｏｎｇｋａｎｇＷｕ．Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．，１９９０，１５（１１）：６３７．２刘劲松，安毓英，李铭华，赵业权，徐玉恒．科学通报，１９９３，３８（１５）：４１３．３李铭华，贾晓华，强亮生，徐玉恒，金光海，边少平，张景文，刘景
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