JP3493427B2

JP3493427B2 - 光誘起屈折率特性を改良したニオブ酸リチウム単結晶からなるホログラムメモリ及びその製造方法並びに該メモリを用いた光増幅装置

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Publication number: JP3493427B2
Application number: JP2000017870A
Authority: JP
Inventors: 健二北村; 保典古川; 伸夫井伊; 茂行木村
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 1996-07-30
Filing date: 2000-01-24
Publication date: 2004-02-03
Anticipated expiration: 2016-07-30
Also published as: JP2000191397A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザー光を利用
した光情報処理、光加工技術、光化学反応技術、光計測
制御等々の分野で利用するニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂ
Ｏ₃）（以下ＬＮと略記する）単結晶に関するものであ
る。より詳しくは、光誘起屈折率変化の制御、すなわ
ち、ホログラム回折効率を向上させた光学素子用ＬＮ単
結晶メモリおよび該ＬＮ単結晶メモリを含む光増幅装置
に関するものである。

【０００２】

【従来技術】ＬＮ単結晶の相図は古くから知られてお
り、従来、組成の均質性の高いＬＮ単結晶を製造するた
めには、結晶と融液が同じ組成で平衡共存する一致溶融
（コングルエント）組成であるＬｉ₂Ｏ／（Ｎｂ₂Ｏ₅＋
Ｌｉ₂Ｏ）のモル分率が０．４８５の融液から回転引き
上げ法で育成されていた。

【０００３】育成されたアズグロウンＬＮ単結晶は多分
域状態となっているため、育成後の結晶をキュリー温度
である約１１５０℃以上に加熱した状態で結晶のＺ軸方
向に電圧を印加し、単一分域化した後、結晶を冷却する
ポーリングという処理を施されていた。単一分域化処理
された結晶は所定の大きさに加工された後、各種用途に
使用されていた。

【０００４】ＬＮ単結晶を光学応用に用いる場合、強い
レーザー光を当てると局所的な屈折率の変化（光誘起屈
折率変化、通称「光損傷」と呼んでいる）が現れ、光変
調素子や波長変換素子等の応用においては障害となって
いるが、一方では、逆に、この光誘起屈折率変化を積極
的に利用して高感度光メモリとして位相型ホログラム記
録素子に応用する関心が高まっている。

【０００５】光誘起屈折率変化（フォトリフラクティブ
効果）に関しては、これまで以下のようにそのメカニズ
ムが説明されている。即ち、光誘起屈折率変化は不純物
や欠陥に起因する深いトラップ準位（フォトリフラクテ
ィブ中心）の存在する電気光学結晶に光を照射したとき
の生じる現象であり、フォトリフラクティブ中心が光イ
オン化され、その際に生成された自由キャリアが拡散、
外部電場、光起電力効果などにより移動したのち光の照
射していない部分で再結合し、その結果、光の強度分布
に対応した空間電荷分布が生じる。この空間電荷分布が
電気光学効果により屈折率変化を引き起こす。これが光
誘起屈折率変化である。

【０００６】以上のメカニズムが機能するためには、初
期状態でイオン化されたトラップ準位がなくてはならな
い。例えばＬＮ単結晶ではＦｅ²⁺がドナー準位を形成
し、これがイオン化されてＦｅ³⁺となりトラップ準位を
形成する。したがって、結晶中に含まれる特に遷移金属
不純物が重要な役割を果たし、これまで、電気光学結晶
であるＬＮ単結晶の光誘起屈折率変化は、結晶にＦｅ、
Ｍｎ、Ｃｕ等の遷移金属を添加することで光感度及び回
折効率がさらに向上することが知られていた。

【０００７】また、遷移金属を添加しない一致溶融組成
のＬＮ単結晶は、ホログラム回折効率が極端に低いため
これら応用には適さず、従来は一致融液組成のＬＮ単結
晶に数百ｐｐｍのＦｅを添加した結晶が製造され、レ−
ザ−光の応用技術に使用されていた。

【０００８】可視光のレーザー光を用いて単結晶内に三
次元ホログラムを書き込む光レーザー装置に用いる単結
晶として、遷移金属を添加しない一致溶融組成のＬＮ単
結晶は、比較的透明であるが、ホログラム回折効率が極
端に低すぎるため、応用上ホログラム書き込みが困難で
あるという問題があった。

【０００９】一方、通常の一致溶融組成に数百ｐｐｍの
Ｆｅを添加したＬＮ単結晶はホログラム回折効率は高い
ものの、約４００〜６００ｎｍの可視光領域での吸収が
大きく茶色に着色していた。また、結晶製造の観点から
みても、遷移金属は結晶中で偏析するためこれを一様に
添加した結晶育成は難しく、Ｆｅを添加したＬＮ単結晶
には光散乱の原因となるマクロな結晶欠陥が多く含まれ
光学素子としては十分な品質のものが得られていなかっ
た。

【００１０】また、このようなフォトリフラクティブ効
果を示す結晶材料を比較する性能指数として結合係数が
用いられているが、これまで知られているＦｅを添加し
たＬＮ単結晶の場合には約４〜１２ｃｍ^-1であると言わ
れており（例えば「光学結晶」２００頁宮沢信太郎著培
風館社）、光学応用上必ずしも十分な性能を有している
とは言えない問題もあった。

【００１１】ところで、一般に光学素子材料は光吸収、
光散乱ができるだけ小さいことが望ましいが、光学結晶
においてレーザー光の吸収が増大することは、結晶の特
性を劣化させる場合が多く、位相型三次元ホログラム素
子においても、その特性が同じならば吸収の少ない方が
望ましいといえる。

【００１２】また、結晶製造の観点からみても、遷移金
属は結晶中で偏析するためこれを一様に添加した結晶育
成は難しく、Ｆｅを添加したＬＮ単結晶には光散乱の原
因となるマクロな結晶欠陥が多く含まれ光学素子として
は十分な品質のものが得られていなかった。

【００１３】さらに、従来の結晶は単一分域化するため
にポーリングという数十時間の工程時間を要する分極処
理をする必要があるが、ＬＮ単結晶中に添加されたＦｅ
は分極処理により結晶中を容易に動くため、結晶中に濃
度の著しい勾配ができ結晶の光学特性が不均一になると
いう問題があった。さらに、Ｆｅ添加ＬＮ単結晶の不均
一性によるランダムな光散乱が原因とされる雑音がホロ
グラムの記録密度の向上を妨げる問題であるとされてい
た。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、上記の
欠点を改良し、ＬＮ単結晶中に遷移金属を添加せずとも
光誘起屈折率変化を制御し、回折効率が高く、しかも光
散乱がなく透過特性に非常に優れたＬＮ単結晶を提供す
べく種々検討した結果、ＬＮ単結晶の結晶組成を制御す
ることにより目的を達成しうることを見出し、本発明を
完成したもので、本発明の目的は、レーザー光を利用し
た光情報処理、光加工技術、光化学反応技術、光計測制
御等々の分野への応用に際して、光誘起屈折率変化を制
御したＬＮ単結晶メモリおよびこれを用いた光増幅装置
を提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、
（１）Ｌｉ_２Ｏ／（Ｎｂ_２Ｏ_５＋Ｌｉ_２Ｏ）のモル分率
が０．４９５〜０．５０であって、４００〜６００ｎｍ
の可視光域での光吸収係数１ｃｍ―１以下で、遷移金属
のＦｅを添加することなしに結合係数が２０〜２７ｃｍ
―１であり、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）単結晶の育成後
にさらに、酸素濃度を制御した雰囲気中で９００〜１０
００℃での熱処理が加えられたことを特徴とするニオブ
酸リチウム単結晶ホログラムメモリである。

【００１６】また、本発明は、（２）ニオブ酸リチウム
からなるホログラムメモリを製造する方法であって、前
記ニオブ酸リチウムを二重るつぼ法を用いて製造する工
程であって、前記ニオブ酸リチウムは、Ｌｉ２Ｏ／（Ｎ
ｂ２Ｏ５＋Ｌｉ２Ｏ）のモル分率が０．４９５〜０．５
０であり、４００〜６００ｎｍの可視光域での光吸収係
数が１ｃｍ―１以下であり、遷移金属のＦｅを添加する
ことなしに結合係数が２０〜２７ｃｍ―１である、工程
と、前記製造されたニオブ酸リチウムを酸素濃度が制御
された雰囲気中で９００〜１０００℃で熱処理する工程
とを包含する、方法である。

【００１７】即ち、本発明のホログラムメモリに用いる
単結晶は、通常の一致溶融組成（以下、コングルエント
組成という）よりも化学量論比（ストイキオメトリ）に
近い組成を持ち、欠陥密度が低いＬＮ単結晶で、かつ遷
移金属のＦｅなどが無添加であることから光散乱が少な
く可視光域での光透過特性に優れ、ホログラム回折効率
が高い。

【００１８】上記ＬＮ単結晶は、育成後にさらに、ホロ
グラムの書き込み速度とホログラムの記録時間を制御す
るための熱処理を加えたものである。

【００１９】また、本発明は、（３）可視光のレーザー
光を用いて単結晶内にホログラム回折格子を書き込み光
増幅させる装置において、前記単結晶として上記のニオ
ブ酸リチウム単結晶ホログラムメモリを用いたことを特
徴とする光増幅装置である。この光増幅装置は、遷移金
属を含まず、単一分域で、化学量論組成に近い上記のＬ
Ｎ単結晶に、可視光の光を照射して生じる光誘起屈折率
変化を利用する位相型ホログラムメモリなどである。

【００２０】

【作用】まず、本発明に係るＬＮ単結晶は、Ｌｉ₂Ｏ／
（Ｎｂ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）のモル分率が０．４８５である
通常のコングルエント組成よりも化学量論比に近いモル
分率が０．４９５〜０．５０の組成を持つ単結晶である
ため結晶の完全性が高く欠陥密度も低い。さらに、遷移
金属のＦｅなどが無添加であることから、光散乱が少な
く４００〜６００ｎｍの可視光域での光吸収係数が１ｃ
ｍ^-1以下と光透過特性にも優れ、ホログラム回折効率が
高い。

【００２１】本発明のホログラムメモリ用のＬＮ単結晶
は、引き上げ法によるＬＮ単結晶育成に際し、融液から
その単結晶を育成する際のＬＮ融液の組成を、従来のよ
うな結晶と融液が同じ組成で平衡共存する一致溶融組成
でなく、リチウム成分の過剰なＬｉ₂Ｏ／（Ｎｂ₂Ｏ₅＋
Ｌｉ₂Ｏ）のモル分率を０．５６〜０．６０の特定範囲
の保った融液から二重坩堝法により結晶を育成すること
により得られる。

【００２２】また、上記組成の融液から育成すれば、結
晶される結晶組成のキュリー温度が約１２００℃と通常
のコングルエント組成結晶の１１５０℃よりも高く結晶
成長温度に近いため、アズグロウンの状態でも結晶の大
部分は単一分域状態となっている。このため、従来のコ
ングルエント組成融液から育成した多分域状態の結晶と
は大きく異なり、多分域結晶で必要となる育成後のポー
リング処理を施す必要性が無いという利点がある。

【００２３】さらに、結晶育成方法を二重坩堝法とする
ことにより、結晶が育成される融液の組成は常に一定に
保たれ、かつ、内側坩堝内の融液の温度変動はきわめて
少ないという特徴があるため、きわめて均一組成で光学
的均質性も良いＬＮ単結晶を製造することが可能であ
る。

【００２４】さらに、本発明に係るレーザー装置は、可
視光のレーザー光を用いて単結晶内に三次元ホログラム
を書き込む光増幅装置であり、三次元ホログラムは高速
でかつ記憶容量が潜在的に大きいため最近マルチメディ
ア関連の新しい記録方法として、将来の発展が期待され
ているものである。ホログラムには銀塩写真をはじめい
ろいろな材料が使われているが、メモリへの応用には光
誘起屈折性結晶がもっとも有力であると考えられてお
り、とくにＬＮ単結晶は数ある光誘起屈折性結晶の中で
も一番保持時間の長い材料であり、これまでメモリの実
験には、ほとんどが遷移金属であるＦｅを添加すること
で回折効率を大きくした茶色に着色したＬＮ単結晶が用
いられている。

【００２５】しかしながら、Ｆｅを添加したＬＮ単結晶
は、約４００〜６００ｎｍの可視光領域での吸収や散乱
が大きく、また、試料による特性のばらつきも大きいた
めホログラム記録材料として実用に供するには至ってい
なかった。本発明者らは、遷移金属を添加せずともＬＮ
単結晶の組成を制御することにより結晶的にも均質かつ
高品質で、レーザー装置で要求されるに十分な回折効率
が得られると言う現象を初めて見いだした。本発明によ
るＬＮ単結晶を用いた三次元ホログラムを書き込む光増
幅装置は本発明者によって初めて見いだされたものであ
る。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下に本発明をさらに詳細に説明
する。本発明に係るホログラムメモリのＬＮ単結晶の製
造方法で使用する原料としては、Ｌｉ成分及びＮｂ成分
はこれらの酸化物もしくは加熱により酸化物と成るよう
な化合物、例えば、Ｌｉ₂Ｏ、Ｌｉ₂ＣＯ₃、Ｎｂ₂Ｏ₅等
を使用する。そして、これらの成分をＬｉ₂Ｏ／（Ｎｂ₂
Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）のモル分率が０．４８５である通常のコ
ングルエント組成（コングルエント組成）よりも化学量
論比に近いモル分率が０．４９５〜０．５０の組成を持
つ単結晶を得るのであって、この単結晶は４００〜６０
０ｎｍの可視光域での光吸収係数が１ｃｍ^-1以下である
特性を有し、遷移金属を添加することなしにホログラム
回析効率が高いのである。

【００２７】そして、このホログラム回析効率が高いと
はレーザ光を照射する事で、より大きな屈折率変化を結
晶中に書き込むことを意味する。更に、このニオブ酸リ
チウムに熱処理を加えることによってホログラムの書き
込み速度とホログラムの記録時間を制御することことが
できる。この際の熱処理条件としては酸素濃度を制御し
た雰囲気中で９００〜１０００℃である。

【００２８】本発明に係るホログラムメモリのＬＮ単結
晶の製造方法として、好ましい方法は、二重坩堝法にお
ける結晶の育成方法である。二重坩堝法における結晶の
育成方法の原理について図１および図２を用いて説明す
る。

【００２９】図１は、ＬＮの相図を、図２は、二重坩堝
法における単結晶育成装置の説明図である。図１に見ら
れるように、ＬＮ単結晶のコングルエント組成はＬｉ₂
Ｏ／（Ｎｂ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）のモル分率が０．４８５で
あるため、コングルエント組成融液から通常の引き上げ
法で得られるＬＮ単結晶はＮｂ成分過剰となるが、融液
の組成を著しくＬｉ成分過剰（例えばＬｉ₂Ｏ／（Ｎｂ₂
Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）のモル分率が０．５６〜０．６０、好ま
しくは０．５８）にすると化学量論比組成に近い、すな
わち不定比欠陥濃度を極力抑えた単結晶を得ることがで
きる。

【００３０】しかし、成長する結晶組成と融液組成が異
なると、通常の引き上げ法では育成が進むに連れ、融液
と結晶の組成がより離れるため結晶は困難となる。そこ
で、不定比欠陥の密度や構造を精密に制御するために図
２に示した二重坩堝法による単結晶育成装置を開発し
た。

【００３１】二重坩堝法においては、坩堝が二重構造と
なっており、内側坩堝の底に外側坩堝から内側坩堝に通
じる穴を設けた。さらに、Ｌｉ₂Ｏ／（Ｎｂ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂
Ｏ）のモル分率が０．５６〜０．６０のＬｉ成分過剰の
内側坩堝の融液から育成される結晶成長重量をロードセ
ルにより測定し、結晶化した成長量に見合った量のＬｉ
₂Ｏ／（Ｎｂ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）のモル分率が０．５０の化
学量論組成比の原料を外側坩堝に自動的に供給した。こ
の方法により、外側から内側への原料の流れ込みによ
り、結晶を常に一定深さで一定組成を保った内側坩堝の
融液から育成できるため、均質組成の大型単結晶を育成
することが初めて可能となった。

【００３２】次に本発明に係るホログラムメモリのＬＮ
単結晶の製造方法を具体例で示す。具体例１市販の高純度Ｌｉ₂ＣＯ₃、Ｎｂ₂Ｏ₅（それぞれ純度９
９．９９９％）の原料粉末を準備し、Ｌｉ成分過剰原料
としてＬｉ₂ＣＯ₃：Ｎｂ₂Ｏ₅の比が０．５６〜０．６
０：０．４４〜０．４０の割合で混合し、化学量論比組
成原料としてＬｉ₂ＣＯ₃：Ｎｂ₂Ｏ₅＝０．５０：０．５
０の割合で混合した。次に１０００ｋｇ／ｃｍ²の静水
圧でラバープレス成形し、それぞれを約１０５０℃の酸
素中で焼結し原料棒を作成した。また、連続供給用粉末
原料として混合済みの化学量論比組成原料を約１０５０
℃の酸素中で焼結して化学量論比組成原料も作成した。

【００３３】次に、二重坩堝法による単結晶育成に際し
て、Ｌｉ成分過剰原料を内側坩堝に、化学量論比組成原
料を外側坩堝に予め充填し、次に坩堝を加熱して融液を
作成した。ここで、育成に用いた坩堝は白金でできてお
り、種結晶はＺ軸方位に切り出した５ｍｍ×５ｍｍ×長
さ７０ｍｍの単一分域状態にあるＬＮ単結晶を用いた。
育成条件は結晶回転速度を５ｒｐｍ、引き上げ速度を
０．５〜２ｍｍ／ｈ、雰囲気を大気中とした。

【００３４】また、融液組成の均一化のために坩堝を
０．２ｒｐｍの早さで種結晶と反対方向にゆっくり回転
させた。約１．５週間の育成により直径４０ｍｍ、長さ
７０ｍｍでクラックのない無色透明のＬＮ結晶体を得
た。得られたアズグロウン結晶を種々の方位に切断し、
内部の分域状態を観察したところ結晶の表面近傍のごく
一部を除いて内部は均一に単一分域状態になっているこ
とが認められた。

【００３５】具体例２具体例１で得られたＬＮ単結晶は、化学分析により、ほ
ぼ化学量論比組成に近くＬｉ₂Ｏ／（Ｎｂ₂Ｏ₅＋Ｌｉ
₂Ｏ）のモル分率が０．４９５〜０．５００にあり不定
比欠陥濃度が極力抑えられた単結晶であることを確認し
た。次に育成した結晶のキュリー温度を示唆熱分析法に
より測定したところ、結晶の各部分から切り出された試
料のキュリー温度はいづれも１１９８〜１２００．０℃
の範囲にあり、さらに一本の結晶から切り出した試料の
キュリー温度は試料の切り出し位置に依らず一定で、結
晶組成の均質性は極めて良いことを確認した。

【００３６】さらに育成したアズグロウンの単結晶から
１０ｍｍ×１０ｍｍで厚みが２ｍｍおよび１０ｍｍのＹ
カット試料を切り出し、メカノケミカル研磨により表面
研磨を行った。試料は各種条件のアニーリング処理を施
しその酸化還元状態を制御した。アニーリング処理後の
試料の光透過率を分光光度計で測定した。図３ａに示す
ように、アズグロウン状態のストイキオメトリ組成のＬ
Ｎ単結晶の波長が４００〜６００ｎｍにおける光吸収係
数は１ｃｍ^-1以下と非常に高く、その特性はアニーリン
グによっても大きく低下することは見られなかった。

【００３７】一方、従来の鉄を添加したコングルエント
組成のアズグロウンと熱処理を施した結晶では、いずれ
の試料も、波長が４００〜６００ｎｍにおける光透過率
は６０％以下と低い透過特性を示すことが確認された。
さらに、図３ｂに基礎吸収端近傍での光吸収係数特性を
示すが、無添加化学量論比組成結晶ではコングルエント
組成結晶よりもより短波長側に基礎吸収端が伸びてお
り、しかもその光吸収も小さく良好であることがわか
る。

【００３８】さらに、試料の光学的均質性をレーザー干
渉装置により観察したところ、結晶欠陥により引き起こ
されるストリエーションやボイドなどの欠陥が見られ
ず、試料全体で変動が１×１０^-5以下の高い屈折率均質
性があることが確認された。さらに、結晶中に含まれる
散乱についてレーザマイクロプローブ法により評価し
た。

【００３９】図４は、１０ｍｍ角の試料に波長６３３ｎ
ｍのＨｅ−Ｎｅレーザーを入射したときの試料内の様子
を模式的に示したものであるが、本発明に係わるＬＮ結
晶では、レーザーの散乱は全く観察されず、市販のコン
グルエント組成にＦｅを数１００ｐｐｍ添加したＬＮ単
結晶に比べて、格段に結晶品質が優れていることが認め
られた。

【００４０】

【実施例及び比較例】実施例１育成されたＬＮ結晶の光増幅率を二光波混合実験により
評価した。実験の光学系を図５に模式的に示す。図５に
示すように、それぞれポンプ光と信号光と呼ぶ二つのコ
ヒーレントな光波を光誘起屈折性結晶であるＬＮ単結晶
内で交わらせ、複数の干渉縞を形成させた。この干渉縞
の空間的な強度変化に対応した空間電場が形成され、そ
の結果として、結晶中に屈折率格子が形成された。

【００４１】屈折率格子の位相は干渉縞に対してπ／２
だけ推移しているため、光誘起屈折性結晶を通過した透
過信号光は光強度の増幅を受け、ポンプ透過光は光強度
の減衰を受ける。その結果、図６に示した二光波混合に
よるポンプ光から信号光へのエネルギーの移動がオシロ
スコープ上で観察され、二光波混合の前後の信号光強度
の比から増幅率を求めた。ここでは、ポンプ光および信
号光としてＮｄ：ＹＡＧレーザーの二倍波である波長５
３２ｎｍの緑色光を用いた。ビーム直径はそれぞれ１ｍ
ｍ、交差角を２０°、ポンプ光と信号光の光強度比を１
００：１とした。

【００４２】図７は、無添加のコングルエント組成ＬＮ
単結晶、Ｆｅ添加コングルエント組成ＬＮ単結晶、およ
び無添加化学量論比組成ＬＮ結晶（試料厚２ｍｍ）につ
いて、それぞれの回折効率、増幅率および結合係数を求
めた結果を比較した図である。但し、それぞれの試料表
面には無反射コートは施していない。

【００４３】無添加のコングルエント組成ＬＮ単結晶で
は回折効率、増幅率のいずれも１％以下と小さいが、Ｆ
ｅ添加コングルエント組成ＬＮ単結晶では、Ｆｅの添加
により回折効率が約３４％、増幅率が１５％、結合係数
が１５ｃｍ^-1に増大していることがわかる。

【００４４】一方、無添加化学量論比組成ＬＮ単結晶で
はＦｅを添加していないにも係わらず回折効率、増幅率
および結合係数のいずれも、他の結晶のそれよりも大き
く、それぞれ６０％、４２％、２０〜２７ｃｍ^-1と大き
な値が得られることが確認できた。

【００４５】実施例２次に各種条件で熱処理した１０ｍｍ×１０ｍｍで厚みが
２ｍｍのＹカット試料を用い、二波混合実験における回
折効率と書き込み時間、およびホログラムの記録時間に
ついて測定した。熱処理は以下のように行った。キュリ
ー温度が１２００℃の化学量論比組成のアズグロウンＬ
Ｎ単結晶を雰囲気制御が可能な熱処理炉に封入し、９５
０℃まで１０時間で昇温し、９５０℃で約１２時間保持
したのち、室温まで約１０時間で冷却して試料を取り出
した。炉の雰囲気は、流量１リットル／分の１００％酸
素中、流量１リットル／分の乾燥した１００％窒素ガス
中、および流量１リットル／分の水蒸気を含む窒素ガス
中の３つについて行った。

【００４６】熱処理後のそれぞれの試料の二波混合測定
結果をアズグロウン結晶のそれと比較した結果を表１に
示す。酸素処理により書き込み時間は約３倍長くなり、
一方、窒素処理により書き込み時間は１／５〜１／３に
短くなった。すなわち、より高速での書き込みが可能と
なった。また、ホログラム記録の保持時間は結晶の温度
に大きく依存し、室温では数カ月以上も保持できた。加
速試験として結晶温度を約６０℃に加熱してホログラム
記録の保持時間を測定したところ、表１に示したよう
に、アズグロウン結晶の記録時間は、約２４０時間であ
ったが、酸素中処理結晶は約７１０時間と、約３倍の長
時間保持が可能となることがわかった。

【００４７】一方、窒素中で処理した結晶はそれぞれ８
０時間、５５時間と短くなった。以上の結果から、ホロ
グラムの書き込み、および記録保持時間は化学量論比組
成ＬＮ結晶の熱処理により任意に制御することが可能と
なることが明らかにされた。

【００４８】

【表１】

【００４９】実施例３次に可視光のレーザー光を用いて単結晶内に三次元ホロ
グラムを書き込む装置を試作した。装置の構成略図を図
８に示す。この装置は、本発明のホログラム回折効率の
高いＬＮ単結晶を用いた角度多重方式による体積型ホロ
グラムメモリー装置である。

【００５０】デジタルの画像入力データは空間光変調器
上に図形として展開される。次にこれをレーザー光で読
み出し、ホログラムの物体波とした。これにほぼ直角に
参照波を入射し、干渉縞を記録媒質であるＬＮ単結晶中
に書き込んだ。ここで、ＬＮ結晶は、結晶のｃ軸が干渉
縞の方向に直行させるように配置し、高精度に回転させ
ることが可能なステージ上に載せた。結晶サイズは１×
１×１ｃｍ³である。結晶を少しずつ変えながら、ブラ
ック回折の選択性を利用し約２００枚のデータを多重記
録した。

【００５１】これらのデータは参照波により再生され、
二次元の光検出器により電気信号に変換した。ここでの
ホログラム記録の特徴は、屈折率が変化する位相型ホロ
グラムであるため高い回折効率が期待されることと、現
像処理を必要とせず干渉縞を照射するだけで回折格子を
書き込むことができ、更にこの一度書き込まれたホログ
ラムは長時間保持できることである。

【００５２】ホログラムの保持時間は温度などの環境条
件に依存するが、化学量論比組成のＬＮ単結晶は従来の
結晶よりもさらに長時間で数カ月以上に亘りデータを保
持できた。本構成におけるデータの記録密度は回折効率
と雑音の大きさによって決まる。

【００５３】従来、Ｆｅ添加ＬＮ単結晶の不均一性によ
るランダムな光散乱が原因である雑音が問題とされてい
たが、本発明によるＬＮ単結晶では回折効率が高くしか
も結晶が均質で散乱がないため雑音が大幅に低減し、記
録密度が向上できることが確認された。

【００５４】

【発明の効果】以上詳しく述べたように、本発明によれ
ば、遷移金属を添加せずともＬＮ単結晶の組成をＬｉ₂
Ｏ／（Ｎｂ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）のモル分率が０．４９５〜
０．５０に制御することにより結晶的にも均質かつ高品
質で、透過特性も高く、レーザー装置で要求されるに十
分な回折効率が得られるＬＮ単結晶が得られる。この特
性を利用することにより、ＬＮ単結晶を用いて、高速で
記憶容量が大きくかつ保持時間の長い三次元ホログラム
光増幅装置を提供することが可能である。これらのこと
から、光誘起屈折率変化を制御した化学量論組成ＬＮ単
結晶は光応用技術に広く活用され得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＬＮの相図である。

【図２】化学量論比組成のＬＮ単結晶を育成するための
二重坩堝法による単結晶育成装置を説明する図である。

【図３】化学量論比組成と鉄添加一致溶融組成ＬＮ単結
晶の可視光領域での光透過率、（ａ）、および化学量論
比組成と一致溶融組成ＬＮ単結晶の光吸収係数（ｂ）を
示した図である。

【図４】化学量論比組成のＬＮ単結晶およびＦｅを添加
したコングルエント組成のＬＮ単結晶に波長６３３ｎｍ
のＨｅ−Ｎｅレーザーを入射したときの試料内光散乱の
様子を模式的に示した図である。

【図５】二光波混合によりＬＮ単結晶内にホログラムを
書き込み回折効率を求める実験の様子を模式的に示した
図。

【図６】二光波混合によるポンプ光から信号光へのエネ
ルギーの移動測定から増幅率を求める図。

【図７】各種ＬＮ単結晶の二光波混合における回折効
率、増幅率、結合係数を求めた結果を比較した図であ
る。条件は波長５３２ｎｍ、試料厚２ｍｍ、ポンプ光と
信号光の強度比１００：１

【図８】可視光のレーザー光を用いて単結晶内に三次元
ホログラムを書き込むホログラムメモリー装置の構成を
略して示した図。

フロントページの続き (56)参考文献特開平１−320294（ＪＰ，Ａ) 特開平４−134479（ＪＰ，Ａ) 特開平４−300281（ＪＰ，Ａ) 特開平４−300293（ＪＰ，Ａ) 特開平４−300295（ＪＰ，Ａ) 特開平５−97591（ＪＰ，Ａ) 特開平６−293597（ＪＰ，Ａ) ＹａｓｕｎｏｒｉＦＵＲＵＫＡＷＡｅｔａｌ．，Ｇｒｏｗｔｈａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｏｆｆ−ｃｏｎｇｒｕｅｎｔＬｉＮｂＯ３ｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｓｇｒｏｗｎｂｙｔｈｅｄｏｕｂｌｅ・・・ｍｅｔｈｏｄ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ，1993年，Ｖｏｌ．128，ｐｐ．909−914 Ｋ．ＫＩＴＡＭＵＲＡｅｔａｌ．，ＳｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃＬｉＮｂＯ３ｓｉｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｇｒｏｗｔｈｂｙｄｏｕｂｌｅｃｒｕｃｉｂｌｅＣｚｏｃｈｒａｌｓｋｉｍｅｔｈｏｄｕｓｉｎｇ・・・ｓｙｓｔｅｍ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ，1992年，Ｖｏｌ．116，ｐｐ．327 −332 Ｓｈｉｎ−ｊｉＫＡＮｅｔａｌ．，ＬｉＮｂＯ３ｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｇｒｏｗｔｈｂｙｔｈｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃｈａｒｇｉｎｇＣｚｏｃｈｒａｌｓｋｉｍｅｔｈｏｄｗｉｔｈＬｉ／Ｎｂｒａｔｉｏｃｏｎｔｒｏｌ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ，1992年，Ｖｏｌ．119，ｐｐ. 215−220 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C30B 1/00 - 35/00 G02B 5/32 G02F 1/35 G03H 1/02 ＣＡ（ＳＴＮ) ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｌｉ_２Ｏ／（Ｎｂ_２Ｏ_５＋Ｌｉ_２Ｏ）のモ
ル分率が０．４９５〜０．５０であって、４００〜６０
０ｎｍの可視光域での光吸収係数１ｃｍ^―１以下で、遷
移金属のＦｅを添加することなしに結合係数が２０〜２
７ｃｍ^―１であり、ニオブ酸リチウム単結晶の育成後に
さらに、酸素濃度を制御した雰囲気中で９００〜１００
０℃での熱処理が加えられていることを特徴とするニオ
ブ酸リチウム単結晶からなるホログラムメモリ。
【請求項２】ニオブ酸リチウムからなるホログラムメモ
リを製造する方法であって、前記ニオブ酸リチウムを二
重るつぼ法を用いて製造する工程であって、前記ニオブ
酸リチウムは、Ｌｉ２Ｏ／（Ｎｂ２Ｏ５＋Ｌｉ２Ｏ）の
モル分率が０．４９５〜０．５０であり、４００〜６０
０ｎｍの可視光域での光吸収係数が１ｃｍ―１以下であ
り、遷移金属のＦｅを添加することなしに結合係数が２
０〜２７ｃｍ―１である、工程と、前記製造されたニオ
ブ酸リチウムを酸素濃度が制御された雰囲気中で９００
〜１０００℃で熱処理する工程とを包含する、方法。
【請求項３】可視光のレーザー光を用いて単結晶内にホ
ログラム回折格子を書き込み光増幅させる装置におい
て、前記単結晶として請求項１に記載のニオブ酸リチウ
ム単結晶メモリを用いたことを特徴とする光増幅装置。