0914019光折变效应与光存储

1、王涛0914019光电子技术科学晶体光折变效应与光学存储王涛肖宵（南开大学信息技术科学学院天津市南开区300071）摘要：本实验以掺铁铌酸锂（LiNbQ：Fe）晶体为实验样品，观察晶体光折变现象，研究光 折变效应的试验方法，并利用光折变效应进行光学图像存储，研究了角度编码。关键词：光折变效应；光学存储实验日期：2012年4月27日星期五王涛0914019光电子技术科学实验日期：2012年4月27日星期五王涛0914019光电子技术科学光折变效应即光致折射率变化效应。它是 1966年由贝尔实验室的 Ashkin等人首先发现 的：当他们用聚焦激光束辐照在铁电晶体材料 铌酸锂和钽酸锂晶体上进行光倍频

2、实验时，意 外地发现光辐照引起折射率的变化，折射率的 变化又引起光波波前的变化，从而产生光衍射, 严重破坏相位匹配条件，影响此类材料在光倍 频等强光光学方面的应用，因此将此现象称为 “光损伤”。后来，人们发现这种“光损伤” 不同于强光造成的永久性光损伤，它可以通过 均匀光照或适当地加热来消除，使材料又恢复 到原来状态。1968年，Cher等人首先认识到“光 损伤”可以用作光数据存储。这样，原本不受 欢迎的“光损伤效应”就一改最初被冷落的局 面，引起了人们的极大兴趣，同时对这种效应 的研究也日益广泛发展起来。为了与真正的、 永久破坏性的“光损伤”相区别，人们将这种 效应称为光致折射率变化效应 （

3、Photo-i nduced refractive in dex cha nge effect）或简称光折变效应（Photorefractive effect）。光折变效应不同于其它强光非线性效应， 它可以在很低的激光功率（毫瓦）作用下，在方 便的时间尺度上实现和观察与光折变效应相 关的各种非线性效应，因而引起了人们的极大 兴趣。在近二十多年中，光折变非线性光学以 意想不到的速度发展并迅速形成了一门分支 学科即光折变非线性光学。光折变材料可以在 室温很低的激光功率（毫瓦）作用下，实现实时 各种光折变非线性效应；因此，光折变材料在 光存储，光学信息处理，光计算，光相位共轭 技术等领域得到了广泛的

4、应用。实验原理（一）光折变效应机理光折变效应是电光材料在光辐照下，折射 率随着光强的空间分布而发生的变化，是一复 杂的光电过程。电光晶体内的杂质，空位或缺陷充当电荷 的施主或受主。当晶体在光辐照下，光激发电 荷进入邻近能带。光激发载流子因浓度梯度扩 散，或在电场作用下漂移，或由光伏打效应而 运动。经过再激发，再迁移，再俘获，最后离 别了光照区，定居于暗光区。这样形成了与光 强分布相对应的空间电荷场。尽管光致空间电 荷密度并不算大，典型量级在百万分之一左右， 但由它们所产生的空间电荷场可显著的引起 晶格畸变。如果晶体不存在反演对称性，空间 电荷场将通过线性电光效应在晶体内形成折 射率在空间的调制

5、变化，或者说在晶体内写入 体位相光栅（图一）。并且光束在写入位相栅 的同时，又受到自写入位相栅的衍射作用进行 读出，因此光束的读写过程在光折变晶体内是 同时进行的。图一：晶体中的双光束耦合形成体相位栅光折变晶体有非铁电氧化物和铁电氧化 物两大类。其中非铁电氧化物晶体具有快的响 应速度，但能够形成折射率光栅的调制度比较 小，如Bii2（Si,GeTi）O20，GaAs等；铁电氧化物 晶体可形成大的折射率光栅调制度，但其光折 变的灵敏度比较小，如 BaTiQ, KNbQ等。最常用的光折变晶（BaTiO3和LiNbOQ是 铁电体。通过压缩过程,同时施加垂直电场并 加热，晶体就变成单电畴，从而失去反演

6、对称 性。光折变材料与大多数其它材料有一个重要 的差别，即如果晶体在暗处是良好的绝缘体 ， 则其光学非线性与光束强度无关。因此即使用 弱激光束也会显示可观的非线性效应。光强只 决定其速度而不决定其非线性的大小。在本实 验中使用的正是掺铁铌酸锂晶体。（二）光存储原理本实验所用的掺铁铌酸锂晶体，其激发的 载流子主要是晶体中的杂质，即铁离子。晶体 中掺入少量的可变价铁杂质，它们以FW+和F0的形式进入晶格，在光辐照下，F0被电离成F$+,激发至导带中的光电子迁移到暗区 被F$+陷阱俘获形成Fe2+,从而导致了空间电 荷的分离，在晶体中产生空间电荷场，因而形 成位相栅。在LiNbO3: Fe晶体中所发

7、生的光 折变过程，可看成是光子作用下的Fe2+Fe3+ +e转化过程。光折变效应是F0和F$+杂质按光强的重新分配结果。实验装置全固态绿光激光器，减光镜，偏振分束镜，掺 铁铌酸锂晶体样品，激光功率计，CCD摄像机， 黑白显示器，两块1/2波片，偏振片，两块反射镜，扩束镜，会聚透镜，白屏等。舸二序噫淡蜀丁倉住如图二，两束相干的写入光（一束为信号光，一束为参考光） 一同照射在光折变晶体上，形成干涉条纹。晶体在吸收这种 周期性的变化的光强之后，由于光折变使折射率产生同样的 周期变化，形成位相栅。实验内容及结果如图二布置光路。用激光功率计测量从分 束镜射出的两束光强，并调节激光器后的 1/2 波片使出

8、射的两束光强相等。利用偏振片与功 率计确定物光的偏振方向，再通过调节另一个 1/2波片使参考光的偏正方向与物光的偏正方 向一致，他们均与光折变晶体的光轴平行。 调 节物光反射镜使其出射方向对准 CCD镜头。 调节分束镜使光束能够均匀地投射到 CCD探 头上，将样品底板放在一合适位置使“工”字 刚好充满CCD探头。启动CCD并用显示器接 收，将汇聚透镜放于能成清晰像的位置，即 CCD探头与样品关于汇聚透镜共轭的位置。用 白屏代替晶体放于会聚透镜的交点处，调节参 考光路反射镜使参考光在白屏上与物光重合， 并通过调节反射镜的位置使参考光与物光等 光程。至此实验光路调节完毕。用光折变晶体替换白屏，使参

9、考光与物光 的交点恰在晶体距角较近的地方（因为之前同 学做完实验后晶体为经过擦除），在显示器上 可以看到“工”字在闪烁，曝光大约一分钟。 遮挡物光，单独用参考光照射晶体，发现仍然 可以看到“工”字样的图像。将晶体旋转一小 角度（大约0.1。0.5°），并将“人”字被物光 照射，两束光同时照射约一分钟后遮挡物光， 在显示器上看到“人”字样图像，再将晶体旋 回到原来角度，发现“工”字样图像仍然能够 看到。实验日期：2012年4月27日星期五王涛0914019光电子技术科学思考题一、结合实验解释光折变存储的六大优势答：大容量：微调一小角度即可进行另外 图像存储，能够实现大容量；并行性：整幅图像上的象元是同时存储的；实时性：存储完成后撤去物光即可立即读 取图像。可循环性：晶体能够反复擦洗。较长的存储寿命：测出光源后信息不丢失, 能够保存一段时间。抗电磁干扰：激光频率较大，一般电磁波 难以干扰。二、如何改变存储质量和读出