LiNbO3：Fe晶体三维全息最佳曝光时间研究

鲍珊珊 周 进 周惠君

（南京大学物理学院，江苏 南京 210093）

LiNbO3：Fe晶体三维全息最佳曝光时间研究

鲍珊珊 周 进 周惠君

（南京大学物理学院，江苏 南京 210093）

对LiNbO3：Fe晶体在三维体全息记录过程中出现的噪声逐渐放大，最终对记录图像产生影响的机制进行探究.通过实验对噪声光强度变化规律进行了定量研究，并运用光感应光散射与二波耦合的能量转移理论，解释了体全息记录中噪声光的产生和放大的机理，提出优化方案.

三维体全息；光折变晶体；噪声栅；最佳曝光时间

1 引言

随着信息科学技术的发展，目前已经发展得较为成熟的二维存储器（如磁盘、光盘）已不能适应人们日益增长的高速度、大容量和高分辨率存取信息的要求.因此，近年来人们对光折变体全息存储技术及数字记录三维光学存储器表现出越来越浓厚的兴趣，这也促使它有了长足的发展［1］.在大学物理实验中专门安排了该方面的实验.

在三维全息存储中，通常认为LiNbO3晶体是最佳的存储介质，它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光电系数，可以很容易地通过各种掺杂以及热处理等各种后处理方式进行改性.Fe是最常用的掺质，对光折变灵敏度有较大提高.

我们在进行LiNbO3：Fe晶体三维体全息存储实验过程中，发现随着曝光时间的增长，物光透过晶体投在光屏上的“像”出现大片噪声光；同样，再现时像上也出现相应的噪声，且随着时间的推移，噪声光强增大，影响了再现图像质量.本课题主要研究光折变晶体三维体全息中噪声与时间的关系，从而给出最佳曝光时间.

2 实验装置与现象

图1是光折变三维体全息存储实验光路图.

图1 记录与再现光路图

实验中，物为镂空有“公”字掩模板，使用532nm激光，当物光光强为1.0mW时，物光在观察屏上和再现时像随曝光时间的变化图，如图2.

图2 物光“像”与再现像随曝光时间的变化

从图中可看到随着记录时间的推移，物光“像”和再现像都将出现噪声光，其面积和强度逐渐放大，字样渐不可辨.记录时约6min后，物光“像”已经出现明显噪声光，约8～10min后，再现像中也出现了明显噪声，读取的字样变得模糊不清.

3 噪声光测量实验

为了定量研究三维体全息实验中所用LiNbO3：Fe晶体的噪声光光强的变化规律，调整了原实验光路：用两束偏振方向相同的平行光束作为物光和参考光在LiNbO3晶体中相干，为了统一光功率标准，在物光光路中加设一个可调衰减器，使得两光束在入射晶体前光功率相等.为了防止物光和参考光光点周围的散射光进入光探头的光强感应部位，在光探头上带有小孔，使中心光点进入，挡住散射光.实验光路如图3所示.

可得到光功率—时间曲线.物光和参考光中心光点光功率时间关系如图4.

由两束光中心功率可得到散射光功率随时间变化关系如图5.

图5 散射光功率随时间变化关系

通过曲线拟合可得到单位为mW.考虑到散射光的物理特征，若将散射光开始放大时刻t＝6min作为最佳曝光时间，可认为：P＝0，0≤t≤t曝光.

4 机理分析

4.1 光感应光散射与能量转移［2］

噪声光来源于光感应光散射的发生.实质上是入射光与光折变材料中的缺陷引起的散射光干涉，如将散射光看作二波耦合的一束写入光，与入射光相干，形成了相位光栅，晶体中存在各个方向的散射光，从而形成了多组相位栅，这些相位栅的叠加构成自衍射噪声栅.当入射光被噪声栅自衍射，入射光向散射光转移了能量，从而放大了散射光［1～3］.LiNbO3：Fe晶体产生的扇形散射光如图6.

图6 LiNbO3：Fe晶体产生的散射光

参考光与放大了的噪声光相干，在晶体中写入信息噪声栅，这时截断物光光路，参考光作为读出光，对信息相位栅和信息噪声栅都符合Bragg条件［4］，将噪声光和物光同时复现.

4.2 光折变响应时间τ［5］

自衍射噪声栅形成需要一定时间，在其形成之前，自衍射效应、向散射光的能量转移可以忽略，对应散射光功率P＝0.对于某种波长的相干光束，要形成波矢为k＝k1－k2的体相位栅，晶体为空间电荷场，Esc（t）＝mEsc（1－e－t/τ），故近似有Δn∝m（1－e－t/τ），其中τ为光折变响应时间，m 为相干调制度.说明调制度越高，Δn随时间增加得越快，则高调制度的干涉条纹通过光折变达到形成相位栅所需Δn用时更短.自衍射噪声栅未形成时，散射光光强远比物光的光强小，故二者与参考光相干的调制度有所以，自衍射噪声栅的形成明显落后于信息相位栅，最佳曝光时间应定在信息相位栅形成之后，自衍射噪声栅之前.在某时刻后，散射光的能量开始明显增加（对应曲线非线性单调增部分），说明该时刻自衍射噪声栅恰已形成.若确定此时刻对应时间为曝光时间，停止记录，噪声光未被放大，噪声便不会被参考光写入晶体.根据实验所得时间曲线，可得t曝光应设在5.5～6.0min.

另外值得一提的是，物光和参考光功率在开始的一段时间中出现了周期性波动，且二者线性互补，这是由于简并二波耦合的相位转移［2］造成的，本文不多加论述.

5 光折变三维体全息记录优化方法

纵观整个光折变噪声光产生、放大和记录过程，最关键的部分是物像光的光感应光散射部分.针对散射光的产生和放大机制，对此下面提出几个优化方法：

1）在记录前确定物光引起的散射光出现时刻.入射物光的光强决定散射光强以及噪声栅形成所需时间.所以在不同物光光强写入前，应以同功率的光束做散射光能量转移测量实验，确定噪声光放大的对应时刻，以确定最佳曝光时间t曝光，不可曝光时间过长，记录进信息噪声栅.

2）根据相干光束粗细，选择合适的晶体厚度.在相干光束截面积一定的情况下，两光束以一定角度入射，干涉空间体积基本一定，越细的光束，需要的厚度越小.而晶体厚度相对较小时，光线在晶体中受到的散射越少，可以一定程度减少散射光的产生.

3）保证晶体在记录前写入部位本身无噪声栅.记录前应对晶体进行均匀辐照，擦除原本残存在晶体中的空间折射率起伏，防止记录时的入射光束被原有的相位栅衍射，形成衍射噪声被记录.

［1］ 刘思敏，郭儒，许京军.光折变非线性光学及其应用［M］.北京：科学出版社，2004.106，87～88

［2］ 赵红娥，刘思敏等.LiNbO3：Fe晶体二波耦合弱光放大的物理机理［J］.物理学报.2003，52（11）：2781～2786

［3］ 杨德兴，赵建林，李恩普.LiNbO3：Fe晶体全息写入中的光感应光散射［J］.西北工业大学学报.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）