LiNbO3：Fe晶體三維全息最佳曝光時間研究

鮑珊珊 周 進 周惠君

（南京大學物理學院，江蘇 南京 210093）

LiNbO3：Fe晶體三維全息最佳曝光時間研究

鮑珊珊 周 進 周惠君

（南京大學物理學院，江蘇 南京 210093）

對LiNbO3：Fe晶體在三維體全息記錄過程中出現的噪聲逐漸放大，最終對記錄圖像產生影響的機制進行探究.通過實驗對噪聲光強度變化規律進行了定量研究，并運用光感應光散射與二波耦合的能量轉移理論，解釋了體全息記錄中噪聲光的產生和放大的機理，提出優化方案.

三維體全息；光折變晶體；噪聲柵；最佳曝光時間

1 引言

隨著信息科學技術的發展，目前已經發展得較為成熟的二維存儲器（如磁盤、光盤）已不能適應人們日益增長的高速度、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及數字記錄三維光學存儲器表現出越來越濃厚的興趣，這也促使它有了長足的發展［1］.在大學物理實驗中專門安排了該方面的實驗.

在三維全息存儲中，通常認為LiNbO3晶體是最佳的存儲介質，它具有易于大尺寸生長、性能穩定、價格低廉等優點，具有良好的光學性能、進行光折變全息存儲所需要的大的光電系數，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行改性.Fe是最常用的摻質，對光折變靈敏度有較大提高.

我們在進行LiNbO3：Fe晶體三維體全息存儲實驗過程中，發現隨著曝光時間的增長，物光透過晶體投在光屏上的“像”出現大片噪聲光；同樣，再現時像上也出現相應的噪聲，且隨著時間的推移，噪聲光強增大，影響了再現圖像質量.本課題主要研究光折變晶體三維體全息中噪聲與時間的關系，從而給出最佳曝光時間.

2 實驗裝置與現象

圖1是光折變三維體全息存儲實驗光路圖.

圖1 記錄與再現光路圖

實驗中，物為鏤空有“公”字掩模板，使用532nm激光，當物光光強為1.0mW時，物光在觀察屏上和再現時像隨曝光時間的變化圖，如圖2.

圖2 物光“像”與再現像隨曝光時間的變化

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

3 噪聲光測量實驗

為了定量研究三維體全息實驗中所用LiNbO3：Fe晶體的噪聲光光強的變化規律，調整了原實驗光路：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，為了統一光功率標準，在物光光路中加設一個可調衰減器，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周圍的散射光進入光探頭的光強感應部位，在光探頭上帶有小孔，使中心光點進入，擋住散射光.實驗光路如圖3所示.

可得到光功率—時間曲線.物光和參考光中心光點光功率時間關系如圖4.

由兩束光中心功率可得到散射光功率隨時間變化關系如圖5.

圖5 散射光功率隨時間變化關系

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刻t＝6min作為最佳曝光時間，可認為：P＝0，0≤t≤t曝光.

4 機理分析

4.1 光感應光散射與能量轉移［2］

噪聲光來源于光感應光散射的發生.實質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成自衍射噪聲柵.當入射光被噪聲柵自衍射，入射光向散射光轉移了能量，從而放大了散射光［1～3］.LiNbO3：Fe晶體產生的扇形散射光如圖6.

圖6 LiNbO3：Fe晶體產生的散射光

參考光與放大了的噪聲光相干，在晶體中寫入信息噪聲柵，這時截斷物光光路，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復現.

4.2 光折變響應時間τ［5］

自衍射噪聲柵形成需要一定時間，在其形成之前，自衍射效應、向散射光的能量轉移可以忽略，對應散射光功率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為光折變響應時間，m 為相干調制度.說明調制度越高，Δn隨時間增加得越快，則高調制度的干涉條紋通過光折變達到形成相位柵所需Δn用時更短.自衍射噪聲柵未形成時，散射光光強遠比物光的光強小，故二者與參考光相干的調制度有所以，自衍射噪聲柵的形成明顯落后于信息相位柵，最佳曝光時間應定在信息相位柵形成之后，自衍射噪聲柵之前.在某時刻后，散射光的能量開始明顯增加（對應曲線非線性單調增部分），說明該時刻自衍射噪聲柵恰已形成.若確定此時刻對應時間為曝光時間，停止記錄，噪聲光未被放大，噪聲便不會被參考光寫入晶體.根據實驗所得時間曲線，可得t曝光應設在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間中出現了周期性波動，且二者線性互補，這是由于簡并二波耦合的相位轉移［2］造成的，本文不多加論述.

5 光折變三維體全息記錄優化方法

縱觀整個光折變噪聲光產生、放大和記錄過程，最關鍵的部分是物像光的光感應光散射部分.針對散射光的產生和放大機制，對此下面提出幾個優化方法：

1）在記錄前確定物光引起的散射光出現時刻.入射物光的光強決定散射光強以及噪聲柵形成所需時間.所以在不同物光光強寫入前，應以同功率的光束做散射光能量轉移測量實驗，確定噪聲光放大的對應時刻，以確定最佳曝光時間t曝光，不可曝光時間過長，記錄進信息噪聲柵.

2）根據相干光束粗細，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，越細的光束，需要的厚度越小.而晶體厚度相對較小時，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生.

3）保證晶體在記錄前寫入部位本身無噪聲柵.記錄前應對晶體進行均勻輻照，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.光折變非線性光學及其應用［M］.北京：科學出版社，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理［J］.物理學報.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光散射［J］.西北工業大學學報.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）