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光折变说明书

晶体光折变效应及其三维全息信息存储实验系统

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验

说

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北京方式科技有限责任公司

晶体光折变效应及其三维全息信息存储实验

本实验为一个典型的非线性光学类本科生综合物理实验，包含了弱光非线性光学，二波耦合理论，布拉格衍射原理，光折变三维全息信息存储技术，光学傅立叶变换，晶体材料的非线性光学特性等基本知识。

学生通过实验，一方面了解基本物理知识，还了解了一定的光子学技术学科前沿知识。

最重要的是本实验能为学生的实际科研能力打下一个良好的基础，通过实验预习，相关文献阅读，实验现象的观察，实验数据的测量、分析和总结，在实际动手能力，科研思维，实验技术，实验技能、技巧等方面都得到良好的锻炼。

目的：

通过本实验，了解弱光非线性光学，光折变效应，二波耦合理论，铁电晶体材料-铌算锂晶体光学特性等光学基础知识，掌握一定的晶体光折变三维全息信息存储技术，空间光调制技术，CCD技术应用，光学傅立叶变换等，为科研实验和工作打下一个良好的实验基础。

一、实验原理

光折变体三维全息信息存储中，信息存储通过两束相干光波在光折变介质中耦合进行全息记录。

由此可见，光折变体三维全息存储技术的基础是光折变效应和二波耦合，所以，在本章中我们首先介绍光折变效应及其动力学方程，全息存储耦合波方程以及光折变体三维全息信息存储原理。

光折变体三维全息信息的存储密度和容量对信息写入配置，复用方式，光折变材料的种类等条件有严格的依赖，所以我们对各种信息写入配置，复用方式和光折变材料的种类进行了介绍。

1.光折变效应及其动力学方程

光折变效应（photorefractiveeffect）是光致折射率改变（lightinducedrefractiveindexchangeeffect）的简称。

它是电光材料在光在光辐照下由光强的空间分布引起材料的折射率相应变化的一种非线性光学现象。

光折变效应首先是由贝尔实验室的Ashkin等人于1965年发现的。

他们应用LiNbO3和LiTaO3晶体进行倍频实验时意外地发现，由于光辐照区折射率的变化破坏了产生倍频的相位匹配条件，从而降低了倍频转换的效率。

当时把这种不期望的效应称为“光损伤”（Opticaldamage）。

这种“光损伤”在光辐照停止后仍能保留相当长的时间。

正是基于这种性质，1968年，Chen等人首先认识到利用这种“光损伤”可以进行光信息存储，并深入研究了这种效应的物理机制。

为了解释光折变效应的动力学过程，Kukhtarev等人提出了带输运模型（Bandtransportmodel）（如图1）。

这个模型目前已经被广泛接受，在下面的讨论中，我们都是利用这种模型进行研究。

下面对带输运模型进行简单介绍。

图一带输运模型

在这个模型中，假定光折变介质中含有一定类型的杂质和缺陷，为了简单起见，假定所有的施主杂质占据同一个能级（单能级模型），这些施主杂质通过吸收光而电离，光电子被激发到导带，在导带中进行迁移（迁移机制有三种：

迁移机制，漂移机制和光生伏打机制）。

被电离的施主成为未被电子占据的空态，它们可作为俘获光电子的陷阱。

当光电子迁移至暗区时，被该处的陷阱复合，形成空间电荷的分离，进而建立空间电荷场。

空间电荷场通过电光效应在晶体内引起与入射光强的空间分布相对应的折射率变化。

带输运模型的光折变动力学方程可描述为下面几个方程：

不动的电离施主心变化率方程：

（1）

电荷的连续性方程：

（2）

电流方程：

（3）

高斯定理：

（4）

光波动方程：

（5）

折射率方程：

或

（6）

其中，q为电子电量，ρ为导带中电子的数密度，ND+为电离的施主的密度，ND为晶体内施主数密度，SI为电子的光激发几率。

S为光电激发常数，I为入射光光强，β为电子热激发几率，γR为复合常数，

为晶体中的电流密度，它包括三部分：

扩散电流、漂移电流以及光生伏打电流。

D为扩散系数，μ为迁移率，E为晶体的介电常数，NA为负电荷数密度，

为电场，包括外电场E0和空间电荷场Esc两部分，n0是晶体未受光辐照时的折射率，γeff是晶体的有效电光系数。

通过以上方程，我们可以知道入射光在晶体中引起的折射率变化。

2、光折变体三维全息存储原理

传统的全息术是利用从三维物体散射的光进行记录。

相对于传统的全息术，光折变体三维全息数据存储是利用通过掩膜的信号光与参考光在存储介质内进行二波耦合，然后通过光折变效应，在存储介质中存储信息，如图2是我们的光折变体三维全息存储的写入和读出光路。

图2全息存储光路（a）信息写入光路（b）信息再现光路

通常认为铌酸锂晶体是最佳的三维全息存储介质，铌酸锂晶体具有易于大尺寸生长、性能稳定、价格低廉等优点，具有良好的光学性能、进行光折变全息存储所需要的大的电光系数。

可以很容易的通过各种掺杂以及热处理等各种后处理方法进行改性，所以本实验中采用铌酸锂晶体作为光折变存储介质。

红绿波段光是铌酸锂晶体敏感光。

考虑到存储密度与光波长的关系（V/λ3）和存储器小型化的需要（市场上有小型化了的半导体红光和绿光激光器），所以我们通常利用波长为532nm的激光进行实验研究。

2.1体光栅和布拉格衍射

图3光栅的写入（a）和衍射（b）

当记录介质较厚（厚度比记录的干涉条纹间距大得多）时，两相干光束在介质内相互作用，形成三维光栅，我们称之为体全息图。

信息再现时，仅当读出光满足布拉格条件时，衍射振幅最大。

也就是说体全息图的特性由布拉格定律来确定，体全息图对写入光束显示出的角度和波长的选择响应，是其成为多重全息存储复用方式依据。

布拉格定律表示为：

2Λsinθ=λ（7）

其中λ是写入光束在介质内的波长，θ是是耦合光束与峰值条纹面之间的夹角（布拉格角），Λ是条纹面间距。

体三维全息图的布拉格角度选择性不仅与记录介质的厚度有关，而且还与光栅间距和布拉格角有关。

Klein引入一个参量判断平面全息图和体积全息图：

Q=2πλad/Λ2（8）

式中λa是空气中的波长，d为全息图的厚度，n为介质的折射率，Λ为光栅的间距。

当Q>7时，对于位相全息图，衍射效率可能超过95%，显然是体全息图；当Q<3时，可看成平面全息图。

将（7）式代入（8），可得到

Q=4πdsinθ/Λ（9）

上式表明等θ很小时，Q也可能很小，因而也不一定能看成体全息图。

图4体光栅的K矢量图透射光栅的形成（a）和再现（b）

大多数体积全息图都有Q>>10。

体全息图的一个特点就是够抑制不需要的衍射级。

当在布拉格角附近一个很小的范围内再现时，仅有一个有效的衍射级。

为了便于分析，我们可以引入K矢量图。

假设纪录介质是均匀且各项同性的，并设所有入射到介质内的光波矢量的大小均为k=2π/λ，该值做为k矢量圆的半径，那么，在介质内与z轴的夹角分别为θ1和θ2的参考光束和物光光束，在介质中形成的干涉条纹面将平分两光束之间的夹角（θ1-θ2），这样，布拉格角θ=（θ1-θ2）/2，见图3（a）和2（b），φ是光栅矢量K的倾斜角，即条纹面法线方向与z轴的夹角。

光栅矢量的大小为

K=2π/Λ（10）

由图3（a），K的大小为

K=2ksin[（θ1-θ2）/2]=4πsinθ/λ（11）

由（10）和（11）式可得到布拉格定律（7）式。

满足布拉格条件（θr=θ1）下再现该全息图时，θs=θ2，衍射光波即为原物光波，此时，衍射效率最大。

当再现光波偏离布格角入射（θr=θ+Δθ），偏角为Δθ，（图4（b）），这时衍射效率将随着Δθ的增大迅速下降。

布拉格定律表明，如果再现光的波长和光栅间距已经被确定，则再现光的入射角便唯一确定，任何违反布拉格定律的角度改变都将导致衍射效率的明显下降。

这里值得一提的是我们的光折变体三维全息存储实验的信息存储就是利用了体全息图具有非常敏感的布拉格角度选择性。

2.2 信息存储和再现过程

一束从半导体激光器出射的经过扩束准直的波长为532nm的激光通过掩膜（也可以选购透射式SLM），在垂直于传播方向的二维面上被显示图样调制，这样，被加载了信息的光束照射在晶体表面上，与一束相干的参考光在晶体内耦合，通过光折变效应在晶体内形成全息图，从而记录信息。

在掩膜和光折变存储介质之间加入一个透镜是为了在存储介质内存入掩膜图样的傅里叶变换。

在这里，采用二波耦合透射配置角度编码方式，参考光束的写入角度随着每幅全息图在改变，大量的信息页被记录在存储介质的同一体积内。

当然，也可以利用其他二波耦合配置，比如，90度配置和反射配置，也可以利用其他信息编码方式，比如波长编码和相位编码等，这样，就能在很小的体积内存储大量的信息页，我们在后面的章节中将有详细的论述。

当需要读出已经存储在存储介质内的特定全息图时（角度编码方式），我们用写入时的参考光，在特定的角度照射存储介质。

由于光栅具有很强的布拉格角度选择性，特定的信息页被读出。

重构波前就携带着信息，通过一个成像透镜在CCD（ChargeCoupledDevice）上成像，转换成电子信号，最后通过一定的解码方式，转换成可读信息。

每个信息页都能通过相匹配的参考光独立的再现。

3、全息存储复用方式

在光折变三维存储器中，为了存储更多的信息，要求我们利用各种复用方式尽可能多的全息图叠置在光折变晶体中。

VanHeerden第一次指出在体的介质内多重的全息图可以被叠置或者复用。

可以利用晶体布拉格衍射特性来对各个全息图有选择的存取，由VanHeerden,Leith,和Kogelnik计算的体全息图布拉格的选择性是大规模全息存储巨大存储容量的基础。

目前发展的复用方式有空间复用、角度复用（旋转复用）、角度-空间复用、波长复用、相位复用、以及它们的组合复用方式等。

本实验中采用的是角度复用。

图5复用方式：

（a）空间复用方式（b）角度复用方式（c）旋转复用方式

（d）波长复用方式（e）相位复用方式（f）位移复用方式

3.1空间角度复用

空间角度复用就是将各个全息图存储在晶体中彼此相互分离的不同的空间位置上（图5（a）），这种方式可以充分利用整个晶体的各个空间位置。

3.2角度复用

由于光折变存储器中的体折射率光栅厚度较大，可达到毫米甚至厘米量级，因此这些相位光栅对读出参考光有很强的角度选择性。

只有特定角度（布拉格选择角）入射的读出光才可能与相位光栅作用产生衍射光。

因此我们可以通过改变参考光的入射角度达到复用（寻址）目的。

角度复用比较复杂，常用的有下面两种：

（1）固定一束写入光，另一束光以位于两光束交汇点的垂直于入射面的直线为轴旋转，达到角度复用（如图5（b））。

（2）两束入射光的夹角固定，以位于两光束交汇点的垂直于入射面的直线为轴转动晶体来达到角度复用的目的（旋转复用方式）（如图5（c））。

4.3波长复用

利用可调谐激光器在不改变两写入光耦合角度的情况下，利用不同波长的记录光（如图4（d））写入相位光栅。

由于写入光的波长不同，相位光栅的波长有一定的差别，使特定波长的光只能读出特定的全息图。

3.4相位复用

入射参考光是在一维内被相位SLM调制的平面波（在光轴和入射光以及信号光定义的平面上），是通过改变显示在相位SLM上的图样来达到寻址的目的（如图5（e））。

相位图样必须是一系列正交的码，最容易在实际上应用的是被称作Walsh-Hadamard二进制码（相位为π或-π）。

3.5位移复用

位移复用方案与空间角度复用有相似之处。

相邻全息图之间允许部分重叠，每个全息图有各不相同的空间位置地址（如图5（f））。

与空间角度复用不同的是，虽然N个全息图也需要N个平面参考光束的写入和读出