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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 D 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。
光折变效应及其动力学方程
光折变效应( photorefractive effect)是光致折射率改变( light induced refractive index change effect)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”(Optical damage)。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
(Band transport model) (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