鮑珊珊 周 進(jìn) 周惠君

（南京大學(xué)物理學(xué)院，江蘇 南京 210093）

LiNbO3：Fe晶體三維全息最佳曝光時(shí)間研究

鮑珊珊 周 進(jìn) 周惠君

（南京大學(xué)物理學(xué)院，江蘇 南京 210093）

對LiNbO3：Fe晶體在三維體全息記錄過程中出現(xiàn)的噪聲逐漸放大，最終對記錄圖像產(chǎn)生影響的機(jī)制進(jìn)行探究.通過實(shí)驗(yàn)對噪聲光強(qiáng)度變化規(guī)律進(jìn)行了定量研究，并運(yùn)用光感應(yīng)光散射與二波耦合的能量轉(zhuǎn)移理論，解釋了體全息記錄中噪聲光的產(chǎn)生和放大的機(jī)理，提出優(yōu)化方案.

三維體全息；光折變晶體；噪聲柵；最佳曝光時(shí)間

1 引言

隨著信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)發(fā)展得較為成熟的二維存儲器（如磁盤、光盤）已不能適應(yīng)人們?nèi)找嬖鲩L的高速度、大容量和高分辨率存取信息的要求.因此，近年來人們對光折變體全息存儲技術(shù)及數(shù)字記錄三維光學(xué)存儲器表現(xiàn)出越來越濃厚的興趣，這也促使它有了長足的發(fā)展［1］.在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中專門安排了該方面的實(shí)驗(yàn).

在三維全息存儲中，通常認(rèn)為LiNbO3晶體是最佳的存儲介質(zhì)，它具有易于大尺寸生長、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的光學(xué)性能、進(jìn)行光折變?nèi)⒋鎯λ枰拇蟮墓怆娤禂?shù)，可以很容易地通過各種摻雜以及熱處理等各種后處理方式進(jìn)行改性.Fe是最常用的摻質(zhì)，對光折變靈敏度有較大提高.

我們在進(jìn)行LiNbO3：Fe晶體三維體全息存儲實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)隨著曝光時(shí)間的增長，物光透過晶體投在光屏上的“像”出現(xiàn)大片噪聲光；同樣，再現(xiàn)時(shí)像上也出現(xiàn)相應(yīng)的噪聲，且隨著時(shí)間的推移，噪聲光強(qiáng)增大，影響了再現(xiàn)圖像質(zhì)量.本課題主要研究光折變晶體三維體全息中噪聲與時(shí)間的關(guān)系，從而給出最佳曝光時(shí)間.

2 實(shí)驗(yàn)裝置與現(xiàn)象

圖1是光折變?nèi)S體全息存儲實(shí)驗(yàn)光路圖.

圖1 記錄與再現(xiàn)光路圖

實(shí)驗(yàn)中，物為鏤空有“公”字掩模板，使用532nm激光，當(dāng)物光光強(qiáng)為1.0mW時(shí)，物光在觀察屏上和再現(xiàn)時(shí)像隨曝光時(shí)間的變化圖，如圖2.

圖2 物光“像”與再現(xiàn)像隨曝光時(shí)間的變化

從圖中可看到隨著記錄時(shí)間的推移，物光“像”和再現(xiàn)像都將出現(xiàn)噪聲光，其面積和強(qiáng)度逐漸放大，字樣漸不可辨.記錄時(shí)約6min后，物光“像”已經(jīng)出現(xiàn)明顯噪聲光，約8～10min后，再現(xiàn)像中也出現(xiàn)了明顯噪聲，讀取的字樣變得模糊不清.

3 噪聲光測量實(shí)驗(yàn)

為了定量研究三維體全息實(shí)驗(yàn)中所用LiNbO3：Fe晶體的噪聲光光強(qiáng)的變化規(guī)律，調(diào)整了原實(shí)驗(yàn)光路：用兩束偏振方向相同的平行光束作為物光和參考光在LiNbO3晶體中相干，為了統(tǒng)一光功率標(biāo)準(zhǔn)，在物光光路中加設(shè)一個(gè)可調(diào)衰減器，使得兩光束在入射晶體前光功率相等.為了防止物光和參考光光點(diǎn)周圍的散射光進(jìn)入光探頭的光強(qiáng)感應(yīng)部位，在光探頭上帶有小孔，使中心光點(diǎn)進(jìn)入，擋住散射光.實(shí)驗(yàn)光路如圖3所示.

可得到光功率—時(shí)間曲線.物光和參考光中心光點(diǎn)光功率時(shí)間關(guān)系如圖4.

由兩束光中心功率可得到散射光功率隨時(shí)間變化關(guān)系如圖5.

圖5 散射光功率隨時(shí)間變化關(guān)系

通過曲線擬合可得到單位為mW.考慮到散射光的物理特征，若將散射光開始放大時(shí)刻t＝6min作為最佳曝光時(shí)間，可認(rèn)為：P＝0，0≤t≤t曝光.

4 機(jī)理分析

4.1 光感應(yīng)光散射與能量轉(zhuǎn)移［2］

噪聲光來源于光感應(yīng)光散射的發(fā)生.實(shí)質(zhì)上是入射光與光折變材料中的缺陷引起的散射光干涉，如將散射光看作二波耦合的一束寫入光，與入射光相干，形成了相位光柵，晶體中存在各個(gè)方向的散射光，從而形成了多組相位柵，這些相位柵的疊加構(gòu)成自衍射噪聲柵.當(dāng)入射光被噪聲柵自衍射，入射光向散射光轉(zhuǎn)移了能量，從而放大了散射光［1～3］.LiNbO3：Fe晶體產(chǎn)生的扇形散射光如圖6.

圖6 LiNbO3：Fe晶體產(chǎn)生的散射光

參考光與放大了的噪聲光相干，在晶體中寫入信息噪聲柵，這時(shí)截?cái)辔锕夤饴?，參考光作為讀出光，對信息相位柵和信息噪聲柵都符合Bragg條件［4］，將噪聲光和物光同時(shí)復(fù)現(xiàn).

4.2 光折變響應(yīng)時(shí)間τ［5］

自衍射噪聲柵形成需要一定時(shí)間，在其形成之前，自衍射效應(yīng)、向散射光的能量轉(zhuǎn)移可以忽略，對應(yīng)散射光功率P＝0.對于某種波長的相干光束，要形成波矢為k＝k1－k2的體相位柵，晶體為空間電荷場，Esc（t）＝mEsc（1－e－t/τ），故近似有Δn∝m（1－e－t/τ），其中τ為光折變響應(yīng)時(shí)間，m 為相干調(diào)制度.說明調(diào)制度越高，Δn隨時(shí)間增加得越快，則高調(diào)制度的干涉條紋通過光折變達(dá)到形成相位柵所需Δn用時(shí)更短.自衍射噪聲柵未形成時(shí)，散射光光強(qiáng)遠(yuǎn)比物光的光強(qiáng)小，故二者與參考光相干的調(diào)制度有所以，自衍射噪聲柵的形成明顯落后于信息相位柵，最佳曝光時(shí)間應(yīng)定在信息相位柵形成之后，自衍射噪聲柵之前.在某時(shí)刻后，散射光的能量開始明顯增加（對應(yīng)曲線非線性單調(diào)增部分），說明該時(shí)刻自衍射噪聲柵恰已形成.若確定此時(shí)刻對應(yīng)時(shí)間為曝光時(shí)間，停止記錄，噪聲光未被放大，噪聲便不會被參考光寫入晶體.根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得時(shí)間曲線，可得t曝光應(yīng)設(shè)在5.5～6.0min.

另外值得一提的是，物光和參考光功率在開始的一段時(shí)間中出現(xiàn)了周期性波動，且二者線性互補(bǔ)，這是由于簡并二波耦合的相位轉(zhuǎn)移［2］造成的，本文不多加論述.

5 光折變?nèi)S體全息記錄優(yōu)化方法

縱觀整個(gè)光折變噪聲光產(chǎn)生、放大和記錄過程，最關(guān)鍵的部分是物像光的光感應(yīng)光散射部分.針對散射光的產(chǎn)生和放大機(jī)制，對此下面提出幾個(gè)優(yōu)化方法：

1）在記錄前確定物光引起的散射光出現(xiàn)時(shí)刻.入射物光的光強(qiáng)決定散射光強(qiáng)以及噪聲柵形成所需時(shí)間.所以在不同物光光強(qiáng)寫入前，應(yīng)以同功率的光束做散射光能量轉(zhuǎn)移測量實(shí)驗(yàn)，確定噪聲光放大的對應(yīng)時(shí)刻，以確定最佳曝光時(shí)間t曝光，不可曝光時(shí)間過長，記錄進(jìn)信息噪聲柵.

2）根據(jù)相干光束粗細(xì)，選擇合適的晶體厚度.在相干光束截面積一定的情況下，兩光束以一定角度入射，干涉空間體積基本一定，越細(xì)的光束，需要的厚度越小.而晶體厚度相對較小時(shí)，光線在晶體中受到的散射越少，可以一定程度減少散射光的產(chǎn)生.

3）保證晶體在記錄前寫入部位本身無噪聲柵.記錄前應(yīng)對晶體進(jìn)行均勻輻照，擦除原本殘存在晶體中的空間折射率起伏，防止記錄時(shí)的入射光束被原有的相位柵衍射，形成衍射噪聲被記錄.

［1］ 劉思敏，郭儒，許京軍.光折變非線性光學(xué)及其應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2004.106，87～88

［2］ 趙紅娥，劉思敏等.LiNbO3：Fe晶體二波耦合弱光放大的物理機(jī)理［J］.物理學(xué)報(bào).2003，52（11）：2781～2786

［3］ 楊德興，趙建林，李恩普.LiNbO3：Fe晶體全息寫入中的光感應(yīng)光散射［J］.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2000，18（2）：190～193

［4］ D.L.Staebler，J.J.Appl.Phys.，1972，43（3）：1042

［5］ S.M.Lostritskii，D.G.Sevostyanov，Appl.Phys.B，1997，65：527

STUDY ON THE OPTIMUM EXPOSURE OF THREE－DIMENSION HOLOGRAPHY IN LiNbO3：Fe CRYSTAL

Bao Shanshan Zhou Jin Zhou Huijun
（Department of Physics，Nanjing University，Nanjing，Jiangsu 210093）

The mechanism in the gradual amplification of the noise light which finally impacts the recorded information in three－dimension holography in LiNbO3：Fe crystal is examined.An experiment is designed to quantitatively study the character of the intensity variation of the noise light.Using the light induced scattering theory and energy transfer law in optical two wave coupling，we explain the cause of the noise light and its amplification in 3D holographic recording and bring up the methods to improve the recording process and the quality of the information storage.

three－dimension holography；photorefractive crystals；noise light grating；the optimum exposure

2011－05－02）