利用鈮酸鋰晶體制作體全息光柵的設計性實驗

陳劉偉，孟惠云，王東旭，任建文，張 明

（浙江工業大學理學院，浙江杭州310023）

1 引 言

全息技術早在1948年就已經出現，目前大學物理實驗教學中往往會開設“全息照相”和“全息光柵制作”實驗[1].這2個實驗利用光的干涉原理，在全息干板上記錄2列有一定夾角的光波相干后的干涉條紋，達到成像和光柵制作的目的.但實際上全息技術發展十分迅速，已在許多新領域中得到應用和發展，例如：以體全息存儲為核心的光學圖像存儲與識別系統，在模式識別、神經網絡、導航、非接觸測量[2]等領域有著廣闊的應用前景；體全息技術在波分復用技術中的應用，大大促進了光通信的發展[3－5].顯然現階段的大學物理全息實驗已經無法適應全息技術的飛快發展，因此筆者在已有全息實驗基礎上開展設計性全息實驗，幫助學生了解全息技術在科研與實踐中的應用.

本文利用雙光束干涉的方法，通過控制雙光束的記錄角度，在鈮酸鋰晶體中寫入了光折變體全息布拉格光柵.將該光柵應用于光通信系統中，利用ASE光源對此光柵進行了濾波實驗，測量了透射光譜，獲得了比較理想的濾波效果.由于鈮酸鋰晶體具有造價低廉、不易退極化、可多次寫入等優點，因此用鈮酸鋰晶體代替常規全息實驗中的全息干板可以達到節約和提高實驗效果的目的.由于本實驗操作簡便，實驗設備相對簡單，實驗效果比較明顯，可以引入到本科大學物理實驗教學以及物理相關專業的實驗教學中.不僅可以培養學生的實際操作能力和綜合實驗技能，加深學生對所學全息技術的理解，激發他們對物理的學習興趣，同時還可以讓學生拓寬專業知識面，使他們了解全息技術領域的最新發展前沿.

2 實驗原理

LiNbO3是一種鐵電晶體[6]，在空間調制光或非均勻光強的輻照下光照區內會激發出光生載流子.光生載流子在光生伏打效應的作用下產生遷移運動，最終到達暗區被處于深能級的陷阱俘獲，形成與光強的空間分布相對應的空間電荷場[7].該電荷場再通過電光效應調制晶體的折射率，即可在晶體中寫入體相位光柵[8].

在光折變晶體中，布拉格光柵的光柵周期Λ由2束記錄光的夾角2θw和波長λw決定：

當讀出光投射到光柵上并滿足布拉格條件

時，才能形成明顯的衍射，其中n為在讀出光波長下的材料折射率，θ0為布拉格角，m為衍射級次，λp為讀出光波長.式（2）表明，對于特定角度入射的光，只有滿足布拉格條件才會發生衍射.

在此實驗方案中，采取反射式讀出全息光柵的方法，即在讀出時θ0＝90°.此時，濾波波長為

由此可得到記錄角度與濾波波長的關系，見圖1.

圖1 記錄角度θw與布拉格波長λp的關系

帶有光折變全息光柵的LiNbO3晶體可用作光學濾波器，衍射效率是其重要指標，此處采用Kogelnik[9]理論對其進行分析.非嚴格布拉格衍射時，定義Δθ＝θ－θ0，為入射角偏移程度；Δλ＝λ－λ0，為波長偏移量，θ和λ分別為實際讀出光的入射角和波長.由于上述兩偏移量的存在，會導致兩耦合波發生相位失配，失配因子為

式中φ為光柵傾斜角，如圖2所示，它是光柵矢量K與晶體c軸（圖2中的z軸）的夾角，｜K｜＝2π／Λ是光柵矢量，｜kw｜＝2π／λw是記錄光波矢.

圖2 體全息光柵的記錄

非傾斜反射光柵的衍射效率η取決于折射率調制度Δn和讀出光的波長λ：

圖3 讀出光波長與衍射效率的關系

3 實驗設計與實現

3.1 體全息光柵的制作

制作體全息光柵的實驗裝置如圖4所示.實驗中使用532nm的微腔倍頻Nd∶YAG連續激光器，這是由于鈮酸鋰對藍綠光敏感，并且Nd∶YAG激光器具有高單色和高相干性，對全息實驗十分有利.從激光器出射的o偏振光先經過光衰減器，用以調節光強，再經過λ／2波片轉化為e偏振，這更有利于光柵的建立[10]，再經（45°）1∶1分光鏡分成2束光，M1和M2為反射鏡，L1（L2）和L3（L4）分別為焦距1cm及10cm的透鏡，組成反望遠鏡系統，起到擴束的作用，最終2光束在晶體表面干涉，形成體全息光柵.記錄材料為x，y，z方向上尺寸為10mm×10mm×5mm的鈮酸鋰晶體，c軸與z軸平行，飽和折射率調制度為Δns＝2.8×10－5.

圖4 制作體全息光柵的實驗裝置示意圖

針對光通信應用，選取波長為1 550nm的光作為讀出光，并且要求1級衍射光與入射光反向，即θ0＝90°.當記錄光波長λw＝532nm，λp＝1 550nm，鈮酸鋰折射率n＝2.21時，由式（1）和（3）可解得θ＝49.335°，所以記錄角度2θ＝98.67°.如圖4所示，調整L1和L3，L2和L4之間距離，使光束擴束后保持準直.最后光斑的直徑為50mm，2束記錄光的功率分別為P1＝230mW，P2＝260mW，記錄時間為20min.記錄完成之后調節衰減器，把光強調小至5mW（光強太大會對光柵產生擦除效果），擋住其中的一路記錄光，如擋住L1和L3一路，同時撤去L2和L4使得檢測光不經擴束直接入射到晶體上，然后在晶體后觀察光斑情況，結果在原來L1和L3一路光的透射位置處發現了衍射光斑，說明L2和L4一路光在晶體中發生了衍射，即在晶體中已經建立光柵.

3.2 體全息光柵的應用

為了使學生體會到全息技術在工程技術和科學研究中的應用，將上述光折變光柵應用到光通信系統中，設計了如圖5所示的實驗裝置，檢測體全息光柵的濾波效果.鈮酸鋰晶體放置于2個光纖準直器中間，使光柵矢量方向（晶體c軸）與圖5中z軸方向一致，ASE光源輸出的信號光沿著光柵矢量方向入射進體全息布拉格光柵，其中滿足布拉格條件的峰值波長λp被反射，其余波長的信號光透射后被光譜儀接收.

圖5 濾波器在光通信系統中的應用實驗裝置示意圖

體全息光柵的濾波效果如圖6所示，圖6（a）是ASE光源的光譜圖，圖6（b）～（d）是ASE光源通過已寫入光柵的鈮酸鋰晶體之后的光譜圖.在圖6（b）中，除了在1 550nm附近有1個吸收峰之外，在1 534nm附近也有1個吸收峰，這是記錄期間由于器件震動或空氣擾動而產生的誤差.如果在記錄過程中，存在更多的外界干擾，就會記錄上更多的光柵，從而有多個波長被反射，如圖6（c）中所示.

圖6 ASE光源光譜和光柵濾波光譜

通過增強設備穩定度，在1 548nm處得到峰值半高全寬為4nm，衍射效率為10%的濾波效果，如圖6（d）所示.其中吸收峰波長為1 548nm，與實驗設計的1 550nm相差2nm，這是由于實驗時雙光束夾角的誤差所致.利用式（1）和（3）分析可知，當兩干涉光的夾角為98.67°，即與λp＝1 550nm對應的記錄夾角相差0.17°時，體全息光柵的布拉格波長為1 548nm.這可以通過在實驗中增加更精確的角度控制裝置來避免.從圖6（d）中可以看出鈮酸鋰晶體上形成的體全息光柵的濾波效果良好，從而說明鈮酸鋰晶體上體全息光柵的記錄比較成功，達到了預期的要求.整個實驗現象明顯，而且實驗操作和全息干板實驗相同，并沒有增加難度.實驗適合引入到大學物理實驗教學.

4 結束語

對鈮酸鋰晶體進行全息寫入，應用其光折變效應制作出全息光柵，從而制作了基于鈮酸鋰晶體的體全息濾波器.對此光柵濾波器進行了濾波實驗，實現了濾波效果.用鈮酸鋰晶體記錄的體全息光柵具有濾波效果明顯、可擦除和重復記錄、操作簡便等優點，克服了全息干板不能重復利用的缺點.通過該實驗，學生一方面可以了解到全息技術的應用、光柵的制作過程，另一方面還可以了解到全息技術在科研中的一些前沿，有利于激發學生的創新思維和探索精神.

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