（凝聚态物理专业论文）铌酸锂晶体窄带滤波器.pdf

南开大学硕士学位论文 摘要 随着光学与光子学技术的发展，窄带宽、高透射率( 或反射率) 、宽视场角、 低成本、长寿命的滤波器的应用范围越来越广。例如用滤波器将太阳的发射光谱 中h - q 线分离出来以观察太阳活动。在光通信波分复用技术方面，将光学滤波 器作为多路分离器。此外，窄带滤波器在激光雷达，高分辨率光谱等光学及光子 学技术方面也是必不可少的。 在光折变晶体中记录体光栅可以用于研制窄带滤波器。由于体光栅衍射效率 对入射光波长有很强的依赖关系，只有特定波长范围内的光才会被体光栅衍射。 因此可以利用光折变晶体中的体光栅制成具有高透射率( 或反射率) 、窄带宽的 滤波器。 本文主要以l i n b 0 。：f e 晶体中的体布喇格光栅为研究对象，着重对体全息光 栅的热固定进行了理论和实验研究，主要完成了以下工作： 综述了光折变晶体中全息体布喇格光栅的热固定存储效率与寿命的研究历 史及现状。随着研究的不断深入，对于晶体中获得较高的热固定效率及长的离子 光栅寿命所需要的条件，如晶体的掺杂浓度、氧化还原状态，记录光栅的空间频 率等有了比较明确的认识。 在对离子光栅热固定的各个过程的动力学方程深入分析研究的基础上，对 a m n o ny a r i v 的热固定动力学理论进行了改进，考虑了其忽略的动力学方程中的 虚数部分，并进行合理的简化，数值模拟了不同氧化还原状态晶体里不同光栅频 率下的在显影过程中呈现的不同振荡过程。并且获得了不同氧化还原晶体中热固 定效率与光栅空间频率的关系曲线，实验中也得到与理论分析一致的结果。 优化实验系统，采用最佳的记录及固定方式得到了居国内领先水平、接近国 际先进水平的最终衍射效率。测量了在1 1 8 一1 5 0 范圉内的质子光栅的寿命， 获得了高温和低温下不同的质子光栅暗衰减过程，并推导了室温下质子光栅的寿 命达3 6 年。 关键词：铌酸锂晶体。光学滤波器，体光栅，热固定。衍射效率。 南开大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f o p t i c sa n dp h o t o n i c s ，o p t i c a lf i l t e r sw i t hn a r r o wb a n d ， h i g ht r a n s m i s s i o n ( r e f l e e t i o n ) e f f i c i e n c y , l o we x p e n s ea n dl o n gl i f e t i m ea l en e e d e d m o r ea n dm o r ew i d e l y f o re x a m p l e ，n a r r o wb a n do p t i c a lf i l t e ri s u s e di ns o l a r a s t r o n o m y f o r s e p a r a t i n gs o m ep a r t i c u l a rw a v e l e n g t h ss u c ha sh ol i n ef r o m t h es o l a r s p e c t r at oo b s e r v et h ea c t i o no f t h es u n a n o t h e ra p p l i c a t i o ni st ob ed e m u l t i p l e x e rf o r w a v e l e n g t h - d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g c o m m u n i c a t i o n ，i no t h e r a p p l i c a t i o n si n c l u d i n g l a s e r ，r a d a r , s p e c t r o s c o p y , t e r r e s t r i a lr e m o t es e n s i n g ，n a r r o wb a n df i l t e r sa r ea p p l i e d m o s t l y t h ev o l u m e h o l o g r a mr e c o r d e d i np h o t o r e f r a c t i v ec r y s t a lc a nb eu s e dt of a b r i c a t e o p t i c a l f i l t e rw i t hh i g ht r a n s m i s s i o n ( r e f l e c t i o n ) a n dn a r r o wb a n d f o rv e r y h i g h d e p e n d e n c eo fd i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yo ui n p u tw a v e l e n g t h ，o n l yt h ej u s tw a v e l e n g t h c a nb ed i f f r a c t e db yt h ev o l u m e h o l o g r a m t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l ys t u d i e so nt h eb r a g gv o l u m eh o l o g r a mi nl i n b o a ：f e t h et h e r m a lf i x i n go f t h eh o l o g r a mw e r es t u d i e dt h e o r e t i c a l l ya n d e x p e r i m e n t a l l y t h e m a i nr e s e a r c hw o r ka n dr e s u l t sw g t ea s f o l l o w i n g s ： b r i e f l y i n t r o d u c e dt h e h i s t o r y a n dt h e s t u d y s t a t u so ft h et h e r m a l f i x i n g e f f i c i e n c ya n dt h el i f e t i m eo f t h ev o l u m eh o l o g r a mi np h o t o r e f r a c t i v ec r y s t a l ，w i t ht h e r e s e a r c hm o r ea n dm o r ed e e p l y ，t h eo p t i m i z ec o n d i t i o n so fh i g ht h e r m a lf i x i n g e f f i c i e n c ya n dl o n gl i f e t i m e a r er e a l i z e d ，s u c ha st h e d o p i n gl e v e l s ，o x i d a t i o n r e d u c t i o ns t a t ea n dt h es p a c i n gf r e q u e n c y at h e o r e t i c a lm o d e lw a sp r e s e n t e dw h i c hd e s c r i b e st h eh o l o g r a p h i ci o n i cf i x i n g a n dd y n a m i c si n p h o t o r e f r a c t i v ec r y s t a l s c o n s i d e r i n g t h e i m a g i n a r yp a r t o ft h e d y n a m i ce q u a t i o n s ，t h et h e o r yo fa m n o ny a r i vw a si m p r o v e d w i t hr e a s o n a b l e o p t i m i z a t i o n ，t h eo s c i l l a t i o n o ft h ed i f f r a c t i o n e f f i c i e n c yd u r i n g t h e d e v e l o p i n g p r o c e s su n d e rd i f f e r e n tg r a t i n gs p a c i n ga n do x i d a t i o ns t a t ew a sn u m e r i c a la n a l y z e d t h e d e p e n d e n c e o ft h e r m a l f i x i n ge f f i c i e n c y o n s p a t i a lf r e q u e n c y i nd i f f e r e n t o x i d a t i o n r e d u c t i o ns a m p l e sw a sa l s oa n a l y z e da n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v e d t h e s ec o n c l u s i o n s t h ed e s i g no fe x p e r i m e n ts y s t e mw a so p t i m i z e d t h e h i g h f i n a ld i f f r a c t i o n e f f i c i e n c yo fo v e r8 0 w h i c hi s i nt h el e n do ft h ei n t e r n a ls t a n d a r da n dn e a rt h e a d v a n c e di n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d ，w a sg a i n e d t h el i f e t i m e so ft h ei o n i ch o l o g r a m sa t t e m p e r a t u r e sf r o m 118 c i5 0 。cw e r em e a s u r e d ，t w od a r kd e c a yp r o c e s s e si nh i g h 堕堑查兰竺主兰竺垒塞 a n dl o w t e m p e r a t u r ew e r em e a s u r e d ，t h ee x 仃a p o l a t e dl i f e t i m ew h i c hi s3 6y e a r sa t r o o m t e m p e r a t u r ew a so b t a i n e d k e y w o r d s ：l i t h i u mn i o b a t e ，o p t i c a lf i l t e r , v o l u m eh o l o g r a m ，t h e r m a l f i x i n g ， d i f f r a c t i o ne f f i c i e n c y 南开大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 窄带滤波器的分类及特点 窄带光学滤波器是一种重要的光学器件。随着光学与光子学技术的发展，人 们对窄带宽、高透射率( 或反射率) 、宽视场角、低成本、长寿命的滤波器的需 求量越来越大。例如在太阳的发射光谱中，6 5 6 2 8 n m 波长的h 一口线是观察太阳 活动的重要标志。为观察这条谱线，要求用滤波器将其他波长的光区分开，滤波 器的带宽越窄，对太阳活动的观察越精密。再如，在光通信波分复用技术方面， 在信号接受端可将不同通道的光信号分离开，必须使用光学滤波器。掺铒光纤放 大器在1 5 5 m 处2 0 d b 增益的光频带宽只有3 5 um ，光学滤波器的带宽越窄， 所能利用的波分复用通道就越多。如果使用窄带光学滤波器，可以获得上百个光 通信通道，从而大大提高光纤的通信能力。此外，窄带滤波器在激光雷达，高分 辨率光谱等光学及光子学技术方面也是必不可少的。 1 1 1 光谱滤波器 里奥( l y o t ) 滤波器：l y o t 滤波器是以透射双折射晶体的偏振光干涉为基础 的滤波器。光束经过双折射晶体后分为一束寻常分波和一束异常偏振分波，两分 波互相垂直偏振，经过晶体后产生位相差再经偏振器后则产生干涉。白光通过里 奥滤波器后就得到依赖于波长的透射。l y o t 滤波器是带宽低于纳米量级的窄带滤 波器，通常被用于天文学中的太阳谱线的观测。例如监测h 一口谱线( 6 5 6 2 8 n m ) ， 可以观测大气层变化，观察d o p p l e r 效应，地球磁场变化，太阳耀斑和日珥变化， 而这些现象只能在非常窄的单色波段才能观测到。 原子谱线滤波器：原子谱线滤波器是基于原子的吸收、发射和内部能量转 换等物理过程的一种量子滤波器件。当光线经过原子蒸汽时，只有某些波长才能 被原子吸收并跃迁发射出特定的谱线。因此可将特定的波长的谱线分离出来，而 其他波长的光被大大抑制了，因而具有很高的降噪比。并且原子谱线的特点使得 原子谱线滤波器具有窄带宽的特点。 f - p 滤波器：f - p 滤波器是根据f - p 标准具的原理制成的，多数情况下与多 层介质膜复用制成高分辨率的光谱仪。 南开大学硕士学位论文 1 i 2 光纤通讯系统中的滤波器 滤波器在光纤通信以及光纤传感系统中具有许多重要的应用。可以用于半导 体激光器或光纤激光器的反射腔镜和窄带滤波、复用解复用器、光放大器中的 噪声抑制、波长选择器、波长转换器、色散补偿器以及延时器等。滤波器的研究 发展十分迅速，受到了人们的普遍关注。它们在未来的光纤通信和传感领域必将 发挥更重要的作用。光纤通信系统中应用的滤波器主要有薄膜型滤波器、光纤布 拉格光栅型滤波器和阵列波导光栅型滤波器。 薄膜滤波器是将高低折射率的材料以预先设计的厚度沉积在玻璃基片上， 以达到所要求的波长响应特性，如图1 2 所示。这种器件的光学特性，取决于 光学膜的反射、透射特性。其光学膜一般镀制成截止( 短波或长波截止) 滤光片 或带通滤光片。此种滤波器优点是顶带平坦，波长响应尖锐，温度稳定性好，损 耗低，对信号的偏振性不敏感，适用于固定信道、功能较少的简易光纤w d m 通信 系统。虽然这种滤波器的结构简单，性能稳定，易于应用，但这种滤波器与光纤 兼容性差，因此插入损耗较大。 幽1 2 多层介质膜干涉滤光器不意图 光纤布拉格光栅型滤波器利用紫外光诱导光纤纤芯的折射率发生周期性的 变化，当折射率的周期性变化满足布拉格光栅条件时，相应的波长反射，其他波 长则可以通过。这种反射型光栅相当于一个带阻滤波器，多个这样的光栅以一定 的方式组合可以制成密集型波分复用器。光纤光栅与通信光纤天然匹配，插入损 耗非常小，波长、带宽、色散可灵活控制，而且结构灵活，便于集成，因此受到 人们的广泛青睐，已成为该领域的一大研究热点。存在的主要问题是受外界环境 的影响较大，如温度、应变等因素的微小变化都会导致中心波长的漂移。 阵列波导光栅型滤波器( a w g ) 是采用平面波导的光子集成器件，其基本结 构由3 部分组成：输入输出( i o ) 光波导阵列、自由转播区平板波导和弯曲波 导阵列。当弯曲波导之间的相位差满足光栅方程时，这种阵列波导即可实现复用 解复用功能即任何工作频段内的输入光都将从一个确定的端口输出，这样就 可以实现复用和解复用的功能。与目前常用的多层介质膜相比，阵列波导光栅型 南开人学硕士学位论义 滤波器的特点是结构紧凑、价格便宜、信道间隔更窄，适用于多信道的大型节点。 需要解决的问题有：偏振的影响、温度的影响、光纤的连接与耦合。 输x 输出渡导 1 1 3 光折变晶体滤波器 图1 3 的基本结构 以上各种滤波器虽然带宽可以很窄，可以达到小于a m 的量级，但是都存在 着各种缺点。例如用方解石晶体叠成的观察太阳谱线的里奥型滤波器制作工艺复 杂、体积庞大、造价昂贵；原子谱线滤波器的系统复杂、中心滤波波长种类有限； f p 滤波器的透射率很低；光纤光栅滤波器的孔径很小，等等。因此人们还在 继续研究能广泛应用的、高性能、造价低廉的窄带滤波器。 利用光折变晶体制作滤波器就是利用在光折变晶体中记录的体全息光栅选 择波长。由于体光栅衍射效率对入射光波长有很强的依赖关系，只有特定波长范 围内的光才会被体光栅衍射。因此光折变晶体中记录的体光栅是十分适合于制作 窄带滤波器的。 制作窄带滤波器是光折变晶体中的体光栅近年来得到人们重视的一个应用 方向。研究者们将利用光折变晶体制作的窄带滤波器应用到了很多方面，不仅应 用在太阳光谱的研究中，而且也应用于光纤通讯中。1 9 9 3 年，a e c u w a v e 公司的 r a k u t j i c 和l e y v a 获得了基于l i n b 0 3 晶体光栅的窄带滤波器，它可代替l y o t 型 滤波器而应用于太阳谱线的研究中。它不仅易于调节，体积轻便，并且在带宽和 旁瓣效应上足可以与l y o t 型滤波器媲美i l “。1 9 9 4 年他们又研究获得了适用于通 讯中的1 5 4 7 8 2 n m 具有9 8 的反射率的光学滤波器【l 一1 。1 9 9 8 年b r e e r 也获得了 可以从一束光中分离出1 5 5 8 0 n m 和1 5 5 8 8 n m 波长，且具有很低的串扰，串扰抑 制高于2 0 d b 【l 引。2 0 0 0 年h u k r i e d e 和k i p 等人又用一种新的掺杂晶体l i n b 0 3 ：t i 获得了一种可由温度调节的1 5 5 0 n m 波长附近的窄带滤波器。反射率达到了9 5 ， 线宽( f w h m ) 为0 0 9 r i m l l 。2 0 0 1 年，a n 等人利用9 0 度配置记录光栅，获得了 1 6 个通道的解复用器，每一个通道的带宽为0 1 6 n m l l 5 1 o 南开大学硕士学位论文 因此光折变晶体滤波器是一种应用范围广、带宽窄、透射( 反射) 率高、造 价低廉的高质量滤波器，而这也成为光折变晶体叛的应用方向。下面对光辑变效 应、光折变材料和光折变材料中体光栅的记录及应用进行介绍。 1 2 光折变效应的研究历史 光折变效应泛指不均匀光强分布在电光材料内引起光致折射率变化的一种 非线性光学现象 1 6 】。光折变效应首先是由b e l l 实验室的a s h k i n 等人b 7 1 于1 9 6 6 年发现的。他们当初用l i n b 0 3 ( l n ) 和l i t a 0 3 晶体进行倍频实验时，意外发现 强光辐照会引起折射率的变化，从而严重破坏了相位匹配条件。正因为如此，当 初把这种不期望的效应称为“光损伤”。两年后，c h e n 等人1 1 。8 】认识到这种“光损 伤”材料是一种优质的光数据存储材料，从而引起人们对它的普遍重视。随后光 折变晶体中的一些新现象，如光束间的能量转移1 1 9 】、四波混频与相位共轭o 。1 1 4 1 、光扇效应【1 1 5 ，116 1 、以及自泵浦相位共轭7 ，8 1 先后被发现，同时利 用光折变晶体相继实现了光学图像的卷积相关、时问微分、空间微分处理9 小2 1 】； 在理论方面，k u k h t a r e v 发展的带输运模型( b a n dt r a n s p o r tm o d e l ) i t2 2 - 1 2 3 i 和 f e i n b e r g 提出的跳跃模型( h o p p i n g m o d e l ) i 1n 】对光折变现象给出了较合理的解 释。 1 3 光折变材料 光折变材料包括多种材料，如有机高分子聚合物、有机晶体和无机材料( 光 折变晶体、陶瓷等) 。 有机高分子聚合物材料是全息存储的一种重要候选材料。有机光折变材料在 1 9 9 1 年首次被报道【i2 ”，到1 9 9 4 年有些材料的光折变品质因数已经超过了无机 光折变存储材料m 6 1 。从1 9 9 6 年开始有许多有机材料光存储的报道【1 2 7 小2 9 1 。有机 光折变材料以聚合物为主，包括多组份混合材料、光导聚合物、二阶聚合物、多 功能聚合物等等，其优点是具有大光学非线性、低介电常数、取材广泛、廉价和 易于加工制成薄膜材料在集成光学方面发挥作用，另一方面聚合物可以通过分子 工程设计的方法引入合适的分子基团来调节载流子迁移和俘获的速率，从而控制 材料的光折变存储特性。聚合物的缺点是材料的热稳定性差、机械强度低和存储 寿命短。另外，聚合物材料通常不能制备得足够厚，这样不能存入一定体积的体 光栅。相比之下，光折变晶体易于制各得到足够的体积。 光折变晶体可分为三类：化合物半导体、铋硅族氧化物和铁电晶体。化合物 半导体包括磷化铟( i n p ) 、砷化镓( g a a s ) 、磷化镓( g a p ) 、碲化镉( c d t e ) 、 4 南开大学硕士学位论文 硫化镉( c d s ) 、硒化镉( c d s e ) 、硫化锌( z n s ) 等。由于半导体材料有相当大 的迁移率1 0 0 - 1 0 ，0 0 0 c m 2 v s ，所以半导体光折变材料光电导高、光折变灵敏度高、 响应速度快。但由于半导体光折变材料的光谱相应区在近红外波段、光栅驰豫时 间短( 在皮秒到毫秒量级) ，所以半导体光折变材料适合于实时信息存储等要求 记录和擦除都快的过程，但对要求较长时间的全息存储却不适合。铋硅族氧化物 包括硅酸铋b i l 2 s i 0 2 0 ( b s o ) 、锗酸铋b i l 2 g e 0 2 0 ( b g o ) 、钛酸铋b i l 2 t i 0 2 0 ( b t o ) 等。这类材料响应时间也较短，如用1 0 1 0 0 m w c m 2 光强的氩离子激光蓝绿谱线 记录光栅，其响应速度约在1 0 l o o m s 左右。该类材料的缺点是电光系数小，需 要外加电场才能实现光栅记录，且光栅的读出效果也易受外电场影响。 铁电晶体由于具有较大的电光系数以及其他一些有用的性质，所以有关光折 变效应研究和应用的大多数工作都在此展开。其典型代表为l i n b 0 3 、b a t i 0 3 、 s b n 和k n s b n 。钛酸钡( b a t i 0 3 ) 晶体最显著的优点是具有较大的电光系数五2 ， 从而导致较大的光栅衍射效率、双光束耦合增益系数和四波耦合反射率，缺点是 生产成本高，存在9 0 0 7 01 8 0 0 两种畴，而且室温下存在由m 3 m 点群到4 m m 点群 的相变，这极大的限制了它在全息存储中的应用。s b n 晶体具有较高的灵敏度 和较高的温度稳定性，其中钾钠铌酸锶钡( k n s b n ) 晶体常用来制作自泵浦相 位共轭器，k n s b n ：c u 中共轭光的反射率可高达6 5 。在所有光折变材料中铌 酸锂( l i n b 0 3 ) 晶体被研究得最为广泛。l n 属于3 m 点对称群，居里点温度为 t c = 1 2 1 0 0 c ，通常的掺杂元素为f e ，其优点是易提拉成大体积均匀优质晶体固 化后的全息图能够保存很长时间。通过掺入不同种类和浓度的杂质、对晶体进行 氧化还原处理以及改变晶体本身的 l i n b l ，可大大改善晶体的光折变性能， 得到具有高均匀性和优良光折变特性的l n 晶体。 1 4 光折变晶体中的体全息记录 在光折变晶体中记录体全息光栅一直是光折变晶体的研究热点。这是因为在 光折变晶体中记录的体光栅可以用于光学信息的存储。 光折变晶体中的全息存储属于三维的光学存储，理论上其存储数据密度可达 1 0 1 2 b i t c m 3 。其巨大的存储容量特别适合于存储多媒体数据，采用二维并行数据 存取方式，其数据传输速率远远高于传统存储器件。体全息存储技术良好的应用 前景引起了众多研究者的关注。他们分别在全息存储机理、复用技术、记录材料 等方面取得了进展。光学数据库、光学神经网络、光学互联、联想识别等方面的 研究进展，激发了人们对体全息存储的兴趣。同时，激光器、高分辨率组页器( 如 空间光调制器s l m ) 以及高性能光电探测器( 如c c d ) 等领域的进展，也加速 了体全息实用系统的研究步伐。 南开大学硕士学位论文 而当前新兴的利用全息光栅制作窄带滤波器也由于具有良好的应用前景成 为另一个体全息存储的研究热点。 1 4 1 体全息存储记录方式 在光折变晶体中记录全息光栅，就是一个利用两波耦合进行记录的过程。由 于光折变材料的特点，这种全息记录是实时的，即不需要像全息干版那样进行显 影定影过程。 根据两束耦合光相对位置的不同，光折变两波耦合的配置可分为三种：透射 配置，反射配置和9 0 。配置。 ( b ) 图1 4 光折变两波耦合的三种配置：( a ) 透射配置( b ) 反射配置( c ) 9 0 。配置 透射配置时，两耦合波由同一晶面入射到晶体上：而9 0 。配置时，两耦合波 从两个相互垂直的晶面入射到晶体上；反射配置下，两耦合波从相对的两个晶体 表面入射到晶体。 透射配置是一种被普遍采用的配置方式。此种配置下，光栅的间距有很大的 可调性，适用于许多种情况。 9 0 。配置下。信号光与参考光从两个相互垂直的晶面入射到晶体上，这种配 置的优点是便于调节，而且可以充分地利用晶体的厚度。制作光折变三维存储器 多采用这一配置【1 3 0 1 。 反射配置下，光栅间距最小，b r a g g 角的选择性最好，特别适用于制作对波 长选择性或角度选择性要求高的窄带滤波器【1 3 ”。 1 4 2 体全息固定方式 三维体全息存储通常使用光折变晶体作为存储介质。在光折变晶体中存储信 息是通过写入体积位相型全息图，形成电子光栅实现的。由于光折变晶体介质的 动念特性，一方面所存储的信息随着电荷载流子的扩散会逐渐丢失，即暗保存时 间较短：另一方面电子光栅对光照十分敏感，后续读出过程将对己存储的信息进 行光擦除。以上两方面均导致所存储信息的丢失，难以实现信息的长期存储，严 6 南开大学硕士学位论文 重阻碍了光折变体全息存储技术的实用化。为了解决光折变存储材料易丢失信息 的问题，近年来国内外对光折变全息光栅固定技术的研究十分活跃。已发展了热 固定、电固定及双色记录的光固定技术，其中对热固定技术的研究较为深入。 电固定方法是通过对晶体施加外加电场改变晶体极化方向来产生补偿光栅 的，电子栅被转变成晶体铁电畴的分布，可实现非破坏性读出。写入光栅前，先 对晶体旌加一个强的外加电场，电场强度大于晶体的矫顽电场，从而使晶体单畴 化。记录光栅时，调整外电场的大小，使得外电场本身不能使晶体发生畴反转， 但晶体内形成的电子光栅的空间电荷场与外电场之和可以改变晶体局部的极化 方向。记录完毕后，去掉外加电场，用均匀光照射晶体，电子光栅被擦除。由于 单独的空间电荷场不能改变晶体的极化方向，畴光栅便得以保留，读出时，畴光 栅不会被擦除，其最终衍射效率大于原电子光栅的衍射效率。电固定技术一般在 s b n 3 2 】等畴反转电场低的晶体中使用。 最近发展了一种双色存储方法可以记录非挥发性的全息体光栅。双色存储方 法主要是利用晶体的光致变色效应，通过短波长的光来敏化晶体，改变晶体在长 波范围的吸收系数。b u s e 等人i 。33 】通过在l n 晶体中掺入两种不同的杂质，实现 了非挥发读出。首先被选用的杂质是铁和锰，在l n 晶体中铁离子形成浅陷阱中 心，锰离子形成深陷阱中心，锰离子形成的能级比铁离子的更靠近价带。敏化辐 照前，电子大都排布在m n 能级上，晶体对红光是透明的，所以用红光无法在晶 体中记录光栅。用均匀紫外光源( 3 6 5 n m ) 辐照后，电子被激发到导带部分电子 回到f e 能级上，导致晶体对红光吸收增强。此时可利用红光( 6 3 3 n m ) 在晶体 中记录光栅。光栅将被记录在m n 陷阱中心和f c 陷阱中心。记录完毕后，停止 紫外光辐照，用红光读出。f e 陷阱中心形成的光栅会被擦掉，但红光不能激发 m n 陷阱中心俘获的电子，所以可以非挥发读出m n 陷阱中心形成的光栅，该方 法的优点不仅在于实现了非挥发读出，而且不需要外电场和高光强，操作简单。 但是双色存储方法对读出光的波长有限制，只能用某特定范围的波长读出，如果 用某些波长的光读出就有可能造成体光栅的擦除。 热固定方法是光折变晶体中最早也是最成熟的一种体全息固定方法。热固定 方法是将晶体中的电子光栅通过加热激发晶体中的离子，在电子光栅的空间电荷 场的作用下去屏蔽电子从而将易被光擦除的电子光栅转化为对光不敏感的离子 光栅( 在l n ：f e 晶体中的离子普遍认为是h + 【1 。”j ) 。然后室温下，用光擦除电子 光栅，而对光不敏感的离子光栅得以显现。由于离子在常温下的迁移率很低，所 以热固定后体全息可以保存长达数年的时间。由于它的稳定性高、寿命长，对读 出光的波长没有特定的要求，热固定技术在l n 晶体中是使用的比较广泛的一种 固定方法。 目前，电固定技术研究报导较少，具有高衍射效率、低噪声特点的光固定技 南开大学硕士学位论文 术刚刚起步，而热固定技术的单光栅固定原理及工艺较为成熟，为我们进一步研 究体光栅存储热固定方案提供了依据。 1 4 3 热固定技术的国内外研究状况 热固定技术首先由r c a 实验室的a m o d e i 和s t a e b l e r 等人于1 9 7 1 年在 f e ：l i n b 0 3 晶体的存储实验中实现的d 3 5 ，也是最早的全息图固定方法。他们将记 录了电子光栅的晶体加热到1 0 0 ，再经过均匀光照显影，得到一个不易被光擦 除的光栅。此项工作为以后光折变晶体热固定技术的发展奠定了基础。1 9 8 1 年 v o r m a n n 证实了在f e ：l i n b 0 3 晶体中来自o h 一中心的质子( h ) 在加热过程中与电子 中和【1 34 1 。在此之后，人们普遍认同了晶体中热固定的基本机制是空间电荷场导 致的质子迁移。 1 9 8 7 年h e r t e r l 等人首先提出了有关热固定的一套完整的基本方程i l ”j 。 1 9 9 0 年，c a r r a s c o s a 等人提出了比较完整的光折变晶体定影和显影的理论模型 i 3 7 1 。1 9 9 3 年s 0 r l o v 等人先提出了s b n 中光固定的动力学理论叫8 1 ，1 9 9 5 年 a y a r i v 和s o r l o v 又提出了l i n b 0 3 中热固定各个过程的动力学理论【l ”l 。1 9 9 6 年他们提出了更系统的理论模型，分别讨论了晶体在开路和短路( 晶体表面镀银) 两种状态下的定影、显影过程和衰减过程的动力学方程l l4 。 关于光栅热固定方面的主要研究焦点在于获得高的热固定效率和长的光栅 寿命这两个最实用的方面，因此许多研究者就从理论和实验中着手研究从哪些方 面才能提高热固定效率和获得长的光栅使用寿命。 1 9 9 7 年r a k u l j i 从理论上讨论了获得高衍射率和长寿命的影响因素，即对晶 体进行处理使之处于适当的氧化还原状态并采用同时固定法记录光栅是获得高 衍射率和长寿命的条件【1 4 ”。这奠定了从氧化还原状态和记录方法上下手去获得 想要的结果。1 9 9 8 年m e n d e z 和a r i z m e n d i 在实验中获得了接近1 0 0 的衍射效 率。采用的方法是在光栅经过高温下的记录及热固定后，又将其放置在高温下接 受热擦除过程，通过控制固定光栅的热擦除时间使光栅的衍射效率达到最大值 甜。1 9 9 9 年h s i c h 等人探讨了获得高的热固定的最佳外部条件。考虑到不同温 度下的质子和电子的不同的暗电导用数据分析的方法得出选择适当的热固定温 度和补偿时间能获得高的热固定效率l l 4 ”。 + 其次，在获得高的衍射率的同时获得尽量长的光栅寿命，是研究者关注的 另一个重要方面。在光栅寿命上，主要的研究内容有两大方面。1 9 9 5 年y a r i v 等的文章中将暗衰减的原因归于离子暗电导，并与离子含量的倒数有关，并且认 为衰减时间常数与光栅的间距无关f l ”j 。而另一方面，m u l l e r 和a r i z m e n d i 发现 了热固定衰减常数与光栅间距的平方成反比的规律并且认为热固定衰减常数与 南开人学硕士学位论义 记录光栅时所在的温度有关【l 。1 9 9 7 年a r i z m e n d i 等区分了在暗条件下和光照 射条件下不同的衰减率，并且锝出只有在光照条件下光栅衍射效率的衰减率才是 离子衰竭的结果i i4 ”。2 0 0 0 年n e e 等人提出暗衰减过程由两部分构成，离子衰减 部分和电子的衰减部分，衰减呈双指数型，不过只有较慢的衰减过程是离子光栅 的衰减过程。在光照条件下，衰减呈单指数型，并且只与离子光栅有关。还讨论 了晶体的氧化还原状态在光栅暗衰减过程中的电子衰减部分所起的作用6 】。 y u n p i n gy a n g 和n e e ，b u s e 1 4 7 1 等人在2 0 0 1 年继续发展了这个理论，并由实验讨 论了不同的掺杂浓度的衰减过程不尽相同，掺杂浓度高的样品的衰减以电子光栅 的衰减为主，掺杂浓度低的样品衰减部分以离子光栅的衰减为主，而掺杂浓度介 于两者之间的样品衰减在高温与低温情况下分别以离子和电子衰减为主导。 1 4 3 光折变晶体中体全息光栅的应用 热固定具有寿命长，读出光不受限制等优点，在获得高热固定效率的报导【l 4 2 】 之后，引起了越来越多的注意。热固定技术的发展带来了热固定应用的发展。在 光折变晶体中利用热固定技术将全息光栅固定下来。主要有几方面的应用：全息 数据存储，图像存储方面的应用以及制作窄带滤波器在天文学和通信方面的应 用。 数据存储可实现三维存储，存储的密度很高。体全息光学存储器的最大存储 密度受衍射极限的限制，理论上光存储的最大存储密度可达到1 的量级【14 ”， 其中 是记录光的波长，n 是记录介质的空间维度。例如采用波长为5 0 0 n m 的光 在折射率为2 0 的介质中的全息存储密度的光学极限为6 4 1 0 1 3 b i t s c m 3 9 1 。因 此光折变体全息存储器是最有前途的海量三维存储器。 全息图像存储研究开始得很早。1 9 7 5 年，s t a e b l e r 等研究了5 0 0 个全息图的 热固定，实验中将l i n b 0 3 ：b e 晶体先加热到1 6 0 ，记录5 0 0 幅全息图，记录和 定影同时完成，光栅显影后的衍射效率在2 ，5 2 5 之间o i 。1 9 9 6 年，h e a n u e 等人采用后补偿法实现了5 3 0 幅全息图的热固定，由于后补偿法的记录和读出在 同一温度下进行，因此读出时不会改变b r a g g 角，保证所记录、固定的信息能够 j 下确读出，适用于复用全息图的固定l l ”】。因此热固定在大规模的全息图像存储 上有很好的效果。 另一方面利用光折变晶体中的体布喇格光栅制作窄带滤波器。体布喇格光栅 存在着布喇格衍射条件，即体光栅衍射效率对入射光波长有很强的依赖关系，只 有特定波长范围内的光才会被体布喇格光栅衍射。体布喇格光栅的厚度越大。可 以被光栅衍射的光的波长范围越窄。因此体光栅是十分适合于制作窄带滤波器 的。对于通常的全息记录材料，材料中光栅的厚度都较小，只有几十微米厚，光 南开大学硕士学位论文 栅的波长选择性较低，不适合于制作窄带滤波器，而光折变晶体中记录的体光栅 则完全不冠。在光折变晶体中，折射率光栅的厚度可以达到厘米量级。这种体布 喇格光栅的波长选择性非常好，理论上，厚度为i c m 的光折变体光栅只对0 0 1 蛐 范围内的光产生较强的衍射，其他波长的光不受体光栅的影响。因此，光折变体 布喇格光栅是一种优良的窄带滤波器，由此制作的窄带滤波器必然具有窄带宽的 特性。近年来光折变晶体中的全息光栅用作光学滤波器被深入研究。由于光折变 晶体中的体全息光栅对波长的选择性可以达到埃的量级，因此反射式全息光栅可 以用作带通滤波器，而透射式光栅可以用作带阻滤波器。光折变晶体中的全息光 栅也可以作为光学相关器i l ”j 。 o 南开大学硕士学位论文 参考文献： g e o r g ea r a k u l j i ca n dv i c t o rl e y v a ，“v o l u m eh o l o g r a p h i cn a r r o w - b a n d o p t i c a lf i l t e r ”，o p t l e t t ，1 8 ( 6 ) ，4 5 9 - 4 6 1 ，1 9 9 3 v i c t o rl e y v a , g e o r g ea ，r a k u l j i ca n db r u c eo c o n n e r , n a r r o wb a n d w i d t h v o l u m e h o l o g r a p h i co p t i c a l f i l t e r o p e r a t i n g a tt h ek rt r a n s i t i o na t 1 5 4 7 8 3 n m ”，a p p l p h y s l e t t ，6 5 ( 9 ) ，1 0 7 9 1 0 8 1 ，1 9 9 4 s b r e e r , h v o g t ，i n e ea n dk b u s e ，“l o w c r o s s t a l kw d mb yb r a g g d i f f r a c t i o nf r o mt h e r m a l l yf i x e dr e f l e c t i o nh o l o g r a m si nl i t h i u mn i o b a t e ”， e l e c t r o n i cl e t t e r s ，3 4 ( 2 5 ) ，2 4 1 9 - 2 4 2 4 ，1 9 9 8 j h u k r i e d e ，d k i pa n de k r a t z i g ，“t h e r m a lt u n i n go faf i x e db r a g g g r a t i n gf o ri rl i g h t f a b r i c a t e di nal i n b 0 3 ：t ic h a n n e lw a v e g u i d e ”，a p p l p h y s b ，7 0 ，7 3 7 5 ，2 0 0 0 j 一w a n ，n k i ma n dk wl e e ，“v o l u m eh o l o g r a p h i cw a v e l e n g t h d e m u l t i p l e x e rb a s e do nr o t a t i o nm u l t i p l e x i n g i nt h e9 0 0g e o m e t r y ，o p t c o m m ，1 9 7 ，2 4 7 2 5 4 ，2 0 0 1 刘思敏，郭儒，凌振芳编著，张光寅审，光折变非线性光学，中国标准 出版社，1 9 9 2 a a s h k i n ，g d b o y d ，j m d z i e d z i c ，r gs m i t h ，a a b a l l m a n ，j j l e v i n s t e i n ，k n a s s a u ，“o p t i c a l - i n d u c e dr e f r a c t i v ei n d e xi n h o m o g e n e i t i e si n l i n b 0 3a n dl i t a o s ”，a p p l p h y s l e t t ，9 ( 1 ) ，7 2 7 4 ，1 9 6 6 f s c h e n ，j t l a m a c c h i a ，d b f r a s e r , “h o l o g r a p h i cs t o r a g ei n l i t h i u m n i o b a t e ”，a p p l p h y s l e t t ，13 ( 7 ) ，2 2 3 - 2 2 5 ，1 9 6 8 d l s t a e b l e r , j j a m o d e i “c o u p l e dw a v ea n a l y s i so fh o l o g r a p h i cs t o r a g e i nl i n b 0 3 ”，j a p p l p h y s 4 3 a ，1 0 4 2 1 0 4 9 ，1 9 7 2 a y a r i v , “f o u rw a v en o n l i n e a ro p t i c a lm i x i n ga sr e a lt i m eh o l o g r a p h y ”，o p t c o m m u n ，2 5 ( 1 ) ，2 3 - 2 5 ，1 9 7 8 j p h u i g n a r d a n dj p h e r r i a u “r e a lt i