（测试计量技术及仪器专业论文）基于数字图像分析技术的铌酸锶钙钡晶体的全息存储特性研究.pdf

ylli11iifl7th9llh2lllf2fflll3tfffflf4lll 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其它个人或集体己经发表或撰写过的作品或成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 声明的法律责任由本人承担。 日期：型! ：苎：壁 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 即，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：巫受罐导师签名：盗熏同期：兰迎：堡 山东大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 体全息存储的国内外研究进展2 1 3 铌酸锶钙钡( c s b n ) 晶体国内外研究进展3 1 3 1c s b n 晶体的特点3 1 3 2 铌酸锶钙钡( c s b n ) 晶体国内外研究进展4 1 4 光折变晶体的体全息存储5 1 4 1 光折变效应一5 1 4 2 耦合波理论6 1 4 3 体全息存储的基本原理一7 1 4 4 光折变晶体体全息存储的传统测量系统9 1 5 数字图像处理技术在晶体光测实验中的应用9 1 6 本文主要工作1 0 第二章c s b n 晶体全息存储性能测试1 1 2 1 光折变材料的全息存储特性1 1 2 2c s b n 晶体衍射效率的测量1 3 2 2 1 衍射效率测量系统1 4 2 2 2 不同条件下衍射效率测试结果1 6 2 2 3 衍射效率测量结果讨论和分析2 3 2 3 单丝衍射实验2 5 2 3 1 实验内容及结果2 5 2 3 2 实验结果讨论与响应时间的分析2 6 2 4 限定条件2 7 本章小结2 7 山东大学硕士学位论文 第三章c s b n 5 0 晶体基于图像处理技术的体全息存储实验2 9 3 1 体全息存储实验系统3 0 3 1 1 硬件系统31 山东大学硕士学位论文 t a b l eo fc o n t e n t s a b s t r a c ti nc h i n e s e i a b s t r a c ti ne n g l i s h i i i c h a p t e r1p r o l e g o m e n o n 1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n d 1 1 2r e s e a r c ho f v o l u m eh o l o g r a p h i cs t o r a g ea th o m ea n da b r o a d 2 1 3r e s e a r c ho fs t r o n t i u m - c a l c i u m - b a r i u l nn i o b a t e ( c s b n ) c r y s t a l sa th o m e a n da b r o l ( 1 ：； 1 3 1c h a r a c t e r i s t i c so f c s b nc r y s t a l s 3 1 3 2r e s e a r c ho fs t r o n t i u m - c a l c i u m b a r i u mn i o b a t e ( c s b n ) c r y s t a l s 4 1 4v o l u m eh o l o g r a p h i cs t o r a g eo f p h o t o r e f r a c t i v ec r y s t a l s 5 1 4 1p h o t o r e f r a c t i v ee f t e c t 5 j 1 4 2c o u p l e d w a v et h e o r y 6 1 4 3t h eb a s i cp r i n c i p l eo f v o l u m eh o l o g r a p h i cs t o r a g e 7 1 4 4t r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n ts y s t e m so f v o l u m eh o l o g r a p h i cs t o r a g e 9 1 5d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi nt h ec r y s t a lo p t i c a lm e a s u r e m e n t e x p e r i m e n t ：9 1 6m a i nw o r k so f t h i sp a p e r 1 0 c h a p p e r2h o l o g r a p h i cs t o r a g ep e r f o r m a n c et e s t i n go fc s b nc r y s t a l s 11 2 1h o l o g r a p h i cs t o r a g ep r o p e r t i e so f p h o t o r e f r a c t i v em a t e r i a l s 11 2 2d i f f r a c t i o ne f f i c i e n c ym e a s u r e m e n t so fc s b n c r y s t a l s 13 2 2 1m e a s u r e m e n ts y s t e mo f d i f f r a c t i o ne f f i c i e n c y 1 4 2 2 2t e s tr e s u l t so f d i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s 1 6 2 2 3d i s c u s s i o na n da n a l y s i so fm e a s u r e m e n tr e s u l t s 2 3 2 3d i f f r a c t i o ne x p e r i m e n t 2 5 2 3 1c o n t e n t sa n dr e s u l t so f t h ee x p e r i m e n t 2 5 2 3 2e x p e r i m e n t a lr e s u l t sd i s c u s s i o na n da n a l y s i so f e r a s et i m e 2 6 2 4q u a i f i c a t i o n 2 7 s u m m a r i z e ：1 7 i v 山东大学硕十学位论文 c h a p t e r3v o l u m eh o l o g r a p h i cs t o r a g ee x p e r i m e n t so f c s b n 5 0c r y s t a l s 2 9 3 1e x p e r i m e n t a ls y s t e mo f v o l u m eh o l o g r a p h i cs t o r a g e 3 0 3 1 1h a r d w a r es y s t e m 31 ：；1 2s o f t w a r es y s t e m 3 3 ：；1 3i m p r o v e m e n ta n di n n o v a t i o no f t h i ss y s t e m 3 5 3 2e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n da n a l y s i so f v o l u m eh o l o g r a p h i cs t o r a g e 3 6 3 2 1r e c o r d i n gp r o c e s so fv o l u m eh o l o g r a p h i cs t o r a g e 3 6 3 2 2r e c o n s t r u c t i n gp r o c e s so fv o l u m eh o l o g r a p h i cs t o r a g e 3 6 3 3 3d i s c u s s i o na n da n a l y s i so f e x p e r i m e n t a lr e s u l t s 3 8 s u m m a r i z e z i ：! c h a p t e r4c o n c l u s i o n s 4 3 4 1m a i np o i n t so f t h i sd i s s e r t a t i o n 4 3 4 2i n n o v a t i o n 4 4 4 3f u t u r ew o r k s z i z l r e f e r e n c e s 4 5 a c k n o w l e d g e m e n t s 5 1 i 囊 i f 东大学硕士学位论文 摘要 光学体全息存储技术作为最有特色和最有潜力的存储技术，成为光学存储领 域的研究重点。具有钨青铜结构的铌酸盐晶体许多是优良的光折变材料，铌酸锶 钙钡晶体( 分子式( c a 0 2 。b a ”2 ) ，( 砜加肋。柏) l 一，册2 仇，简写为c s b n ) 是由山东 大学晶体材料国家重点实验室新近生长的一种具有钨青铜结构的铌酸盐。c s b n 晶体属于四方晶系，点群4 r a m ，空间群为p 4 b m ；具有非中心对称，类似s b n 结 构。根据c s b n 晶体通式中下标x 的不同取值，可获得不同类型的c s b n 晶体， 如c s b n 2 5 ( x = o 2 5 ) ，c s b n 5 0 ( x = o 5 0 ) 和c s b n 7 5 ( x = o 7 5 ) ，本论文主 要研究c s b n 5 0 晶体。 数字图像处理技术应用于精密测量领域形成了一种新的测量技术图像 测量技术，具有高分辨率、高速度、动态范围大、信息量丰富和自动化等诸多优 点。本文改进了传统光全息存储实验系统，研究了新型铌酸锶钙钡晶体的全息存 储特性，并结合图像测量技术的上述优点，处理实验结果图像，分析实验现象形 成的原因。具体内容包括以下几个方面： 首先测量c s b n 5 0 晶体全息存储性能，以确定晶体全息存储实验最佳条件。 采用两波耦合的实验方法，在一定条件下测量了c s b n 2 5 、c s b n 5 0 晶体的衍射 效率，通过对c s b n 晶体能量转换关系图的分析，画出c s b n 2 5 晶体、c s b n 5 0 晶体的衍射效率与两光束入射夹角的关系曲线，发现晶体衍射效率最大时，两光 束夹角约为2 5 。；随后在相同的实验条件下，以c s b n 5 0 晶体为存储介质，利用 图像采集软件记录了细铜线的衍射光随时间变化的图像，从记录图像中发现，再 现衍射光斑清晰可见，随着时间延长再现衍射光从中心开始向四周逐渐变暗。通 过对再现衍射光的分析，得到c s b n 5 0 晶体擦除时间约为5 5 s 。最终确定 c s b n 5 0 晶体全息存储实验最佳物光和参考光的夹角为2 5 。，即晶体衍射效率最 大时两光束夹角位置。 设计晶体体全息存储实验系统，包括光路的设计、系统各个部分的协调等， 改进传统光全息存储实验系统，优化实验光路，降低实验成本。用c + + b u i l d e r 5 0 山东大学硕士学位论文 开发了一套相关的图像接收与处理系统，实现图像自动存储、实时接收与实时处 理，提取图像信息，突出图像特征，以分析实验现象形成的原因。 利用改进的实验系统，进行c s b n 5 0 晶体体全息存储实验，在整个全息存 储再现过程中发现两个比较特殊的实验现象：一是再现图像随时间由中心向四周 逐渐变暗；二是再现过程中图像出现边缘增强现象。采用数字图像处理的方法， 分析再现图像的灰度，并构造再现图像的三维显示图，得出再现图像随时间由中 心开始向四周逐渐变暗是由于激光光强的高斯分布特征，而再现过程中图像出现 边缘增强是由再现光与体光栅的部分衍射光发生自相位共轭所引起的。 关键词：c s b n 晶体；衍射效率；全息存储；数字图像处理 l i 山东大学硕十学位论文 a b s t r a c t v o l u m eh o l o g r a p h i co p t i c a ls t o r a g et e c h n o l o g ya st h em o s td i s t i n c t i v ea n dt h e m o s tp r o m i s i n gs t o r a g et e c h n o l o g yi st h er e s e a r c hp r i o r i t i e si nt h ef i e l do fo p t i c a l s t o r a g e n i o b a t ec r y s t a l sw i t ht u n g s t e nb r o n z es t r u c t u r em a n y o fw h i c ha r ee x c e l l e n t p h o t o r e f r a c t i v e m a t e r i a l s s t r o n t i u m - c a l c i u m - b a r i u m n i o b a t e c r y s t a l s ( ( c a 0 2 8 b a ”2 ) ，( 砜6 0 b a 0 柏) 1 一，n b 2 哦，a b b r e v i a t e d a sc s b n ) w i t hat u n g s t e nb r o n z e s t r u c t u r en i o b a t ea l eg r o w t hb ys t a t ek e yl a b o r a t o r yo fc r y s t a lm a t e r i a l so f s h a n d o n gu n i v e r s i t y c s b nc r y s t a lb e l o n g st ot e t r a g o n a ls y s t e m ，s p a c eg r o u pp 4 b m ； w i t han o n c e n t e rs y m m e t r y , s i m i l a rt ot h es b ns t r u c t u r e a c c o r d i n gt os u b s c r i p tx w i t hd i f f e r e n tv a l u e si nt h eg e n e r a lf o r m u l ac s b n ，t h e r ea r et h r e ed i f f e r e n tt y p e so f c s b nc r y s t a l s ，s u c ha sc s b n 2 5 ( 工= 0 2 5 ) ，c s b n 5 0 ( x = 0 5 0 ) ，c s b n 7 5 ( x2 0 7 5 ) t h i st h e s i sr e s e a r c hi sm a i n l yo nc s b n 5 0c r y s t a l s d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y f o r m san e wk i n do fm e a s u r e m e n t t e c h n i q u e s - - i m a g em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi nt h ef i e l do fp r e c i s i o nm e a s u r e m e n t i m a g em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi san e w k i n do fp r e c i s i o nm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y , w i t hh i g h r e s o l u t i o n ，h i g h s p e e d ，d y n a m i cr a n g e ，i n f o r m a t i v ea n da u t o m a t i o n ，a n d m a n y o t h e ra d v a n t a g e s t h i sp a p e ri m p r o v et h et r a d i t i o n a lo p t i c a lh o l o g r a p h i cs t o r a g e e x p e r i m e n t a ls y s t e m ，s t u d yh o l o g r a p h i cs t o r a g ep r o p e r t i e su s e da n e w t y p eo fc a l c i u m s t r o n t i u mb a r i u mn i o b a t ec r y s t a l s ，d e a lw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t sc o m b i n e dw i t ht h e a d v a n t a g e so fi m a g em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya b o v e - m e n t i o n e d ，a n da n a l y z et h e r e a s o n sf o rt h ef o r m a t i o no fe x p e r i m e n t a lp h e n o m e n a t h ef o l l o w i n ga s p e c t sa r e i n c l u d i n g ： f i r s t l y , i n o r d e rt od e t e r m i n et h e b e s tc o n d i t i o n sf o rh o l o g r a p h i cs t o r a g e e x p e r i m e n t s ，h o l o g r a p h i cs t o r a g ep e r f o r m a n c e o fc s b n 5 0i sm e a s u r e d w i t h t w o - w a v ec o u p l i n ge x p e r i m e n t a lm e t h o d s ，u n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n s ，d i f f r a c t i o n e f f i c i e n c yo fc s b n 2 5 ，c s b n 5 0c r y s t a l sa r eo b t a i n e d i ti sf o u n dt h a tw h e n t h ea n g l e b e t w e e nt w ob e a m si sa b o u t2 5 。t h ed i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yi sa l m o s ti nt h em a x i m u m i i i f r o mt h ec e n t e rt ot h e e d g eg r a d u a l l y a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h er e a d o u t d i f f r a c t i o ni m a g e s ，i ti so b t a i n e dt h a tt h ee r a s u r et i m eo fc s b n 5 0 c r y s t a li sa b o u t5 5 s f i n a l l y , i ti sd e c i d e dt h a tt h eb e s ta n g l eb e t w e e no b j e c tl i g h ta n dr e f e r e n c el i g h ti s 2 5 。f o rh o l o g r a p h i c s t o r a g ee x p e r i m e n t a ls y s t e m ，i n c l u d i n go p t i c a ld e s i g n ，t h e c o o r d i n a t i o no fv a r i o u s p a r t s o ft h e s y s t e m i m p r o v et h e t r a d i t i o n a lv o l u m e h o l o g r a p h i cs t o r a g ee x p e r i m e n t a ls y s t e m ，o p t i m i z et h ee x p e r i m e n t a lo p t i c a lp a t h ， r e d u c e dt h ec o s to ft h ee x p e r i m e n t as e to fi m a g es t o r a g ea u t o m a t i c a l l y , r e a l - t i m e r e c e p t i o na n dr e a l - t i m ep r o c e s s i n g ，e x t r a c t i n gi m a g ei n f o r m a t i o n ，h i g h l i g h tt h ei m a g e f e a t u r e s ，i no r d e rt oa n a l y z et h er e a s o n sf o rt h ef o r m a t i o no fe x p e r i m e n t a lp h e n o m e n a v o l u m eh o l o g r a p h i c s t o r a g ee x p e r i m e n t s a r ea c c o m p l i s h e du s e dc s b n s 0 c r y s t a l sw i t ht h ei m p r o v e de x p e r i m e n t a ls y s t e m s t w or a t h e rs p e c i a le x p e r i m e n t a l p h e n o m e n aa r ef o u n dd u r i n gt h er e c o n s t r u c t i n ga c c o m p a n y i n gw i t hg r a t i n ge r a s u r e ： o n ei st h er e a d o u ti m a g ei sg r a d u a l l ye m s e df b mc e m e rt oe d g e ，a i l dt h eo t h e ri st h a t t h ee d g eo ft h er e a d o u ti m a g ea p p e a r st ob ee n h a n c e df o raw h i l ea n dt h e nf a d e su n t i l t h er e a d o u ti m a g ed i s a p p e a r sc o m p l e t e l y b yb u i l d i n gm o d e l so ft h eo r i g i n a la n d r e a d o u ti m a g e s ，i ti sc o n s i d e r e dt h a tt h er e a s o nf o rt h ef i r s tp h e n o m e n o ns h o u l db e g a u s s i a nl a s e ri n t e n s i t yd i s t r i b u t i o na n dt h er e a s o nf o rt h es e c o n dp h e n o m e n o nm a y b es e l f - p u m p e dp h a s ec o 巧u g a t i o n k q 啊o r d s ：c s b nc r ) r s t a l s ；d i f f r a c t i o ne f f i c i e n c y ；h o l o g r a p h i cs t o r a g e ；d i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n g i v 山东大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 随着社会的进步和科学技术的迅速发展，需要存储、传播、处理和利用的信 息量急剧增加。当今时代被称为“信息爆炸的时代，信息技术飞速发展，信息 的大规模存储、传输和处理是技术研究的热点。为了实现存储容量大、存取时间 短、信息价位低的存储器系统，光存储技术应运而生，并迅速发展成为信息技术 中的支柱产业；而光学体全息存储技术则作为最具有特色和最有潜力的存储技术 【1 ，2 】，成为光学存储领域的研究重点，不断探索新型掺杂的光折变晶体，是提高 材料性能，适应信息处理技术高速发展的一个重要手段。与现行的光盘数据存储 技术相比，光学全息存储技术具有其独有的特点和优点【3 】：高存储容量、高冗 余度、高数据传输速率和快的存取时间、可进行并行内容寻址、可循环使用等。 目前，应用于光全息存储研究较为广泛的钨青铜结构铌酸盐为铌酸锶钡 曩 ( 取b a h n b ：q ，s b n ) 晶体。s b n 晶体是一种优良的光折变材料，具有非常大 的线性电光系数，很高的光折变灵敏度和极快的响应速度，而且s b n 晶体的结 构中存在大量的可供各种掺杂物占据的晶格点，通过有目的地掺杂适当种类和适 当浓度的过渡族金属元素离子，如铈( ) 【4 】，铜( c “) 5 】，钴( c 6 ) 6 】6 ，铬 ( c r ) 【7 ，8 】等，可以有效的提高s b n 晶体的光折变性能。近年来，这方面的研 究非常迅速。 数字图像处理技术应用于精密测量领域形成了一种新的测量技术图像 测量技术。图像测量技术是近年来测量领域中一个新的研究热点，它集光、机、 电技术为一体的集成系统，涉及机械、光学、电子、计算机视觉、图像处理、软 件工程等方面的技术，广泛应用于几何量测量的尺寸测量、精密复杂零件的测量、 航空遥感测量。随着计算机技术和图像传感器的发展，图像测量技术具有高灵敏 度、高分辨率、快速、测量的非接触性、它与同精度的其它量仪比较，相对低廉 的成本等优点。图像测量把图像当作传递信息的载体，依据视觉原理，利用数字 图像处理的技术提取有用信号对成像进行研究，得到实际物体的定量尺寸。这种 l i j 东大学硕士学位论文 技术重在图像处理和算法上的研究，对外部硬件设备依赖少，可以获得较高的测 量精度要求。图像测量技术因其高分辨率、高速度、动态范围大、信息量丰富和 自动化等诸多优点，目前己广泛应用于各种工业测量当中。 1 2 体全息存储的国内外研究进展 1 9 6 6 年，贝尔实验室的a s h k i n 【9 等人用铌酸锂( l i n b o s ) 和钛酸锂( 三f 砌d 3 ) 进行倍频实验时，意外发现光辐照可引起晶体内折射率的变化。这种折射率的空 间变化使光波波前在传播中出现畸变，因此当初称这种效应为“光损伤”。俩年 后，c h e n 1 0 等人分析了“光损伤”的微观机制，认识到“光损伤”材料是一种 优质的光数据存储材料，并首次在t i n b o s 晶体内进行了全息存储。随后，人们 发现通过均匀光照或加热，可以擦除这种“光损伤 痕迹，使晶体恢复原态。由 于“损伤 及“复原是指光照下晶体折射率的变化及复原过程，现在人们普遍 将这种效应称为光折变效应。此后人们又相继在肋乃0 3 、i c v b q 等铁电氧化物， 甄：研0 2 。( b s o ) 、甄：g e q 。( b g d ) 等立方硅铋族氧化物，g a a s 、御、c d 死等 半导体材料，以及电光陶瓷凡z 丁和有机聚合物等材料中发现了光折变效应。 发现光折变效应以后，在光折变晶体中全息存储又一度成为热点，并曾提出多种 设计精巧的存储方案。 1 9 7 5 年美国r c a 公司首次报道了在l c m 3 掺铁铌酸锂晶体中记录了5 0 0 个 全息图。进入八十年代，光学计算研究的热潮重新激起人们对全息存储的兴趣， 国际上争相在存储方法和存储材料等方面加紧进行研究。美国n o r t h r o p 公司 1 9 9 3 年在l c m 3 掺铁铌酸锂晶体中利用角度复用技术和多页面存储技术存储了 5 0 0 0 幅图像 1 1 】。1 9 9 8 年以后，美国、日本和一些欧洲国家的大公司和科研机构 不断提高体全息存储的记录密度，发展新型全息复用结构。1 9 9 8 年，b u s e 1 2 等 人和h e s s l i n k 等人分别提出了在利用具有不同能级施主离子的l i n b o s 晶体，利 用两种波长的激光进行记录，以克服利用晶体进行全息存储时存储时间短的缺 点，这种方法在常温下就可以实现，比热固定更为方便。显然，体全息存储可使 存储容量较目前光盘呈数量级地提高。 2 山东大学硕士学位论文 全息存储技术已应用于实际工作中。1 9 9 5 年由美国政府研究局( a r p a ) 、 i b m 公司的a l m a d e n 研究所、斯坦福大学、g t e 公司等等联合成立了协作组 织，在美国存储工业联合会( n s i c ) 支持下，投资7 0 0 0 万美元，实施了光折变信 息存储材料( p r i s m ) 项目和全息数据存储( h d s s ) 项目。同样的研究工作法国、 英国、德国和日本等国家也在加紧进 y 1 3 ，1 4 。欧共体也从1 9 9 7 年开始组织十几 个科研部门大规模地开展三维光学全息存储器的研制。经过近几年各大公司研究 部门的努力，i b m 、o p f i t e k 、r o c k w e l l 等公司已于2 0 0 0 年推出了他们三维光学 全息存储器原型。2 0 0 4 年i b m 公司对l i n b 0 3 晶体实现数据的全息存储进行了 总结 1 5 】。 目前用做全息存储材料的光折变晶体，使用最广泛的是掺杂的l i n b 0 3 【1 6 - 1 9 】 和k n s b n 【2 0 2 2 】晶体，如c e ：n d ：l i n b 0 3 ；c u ：k n s b n ；c e ：k n s b n ； m g ：c e ：f e ：l i n b q ；m n ：f e ：栅q ；c r ：k n s b n ；f e ：z i n b 0 3 等等。 j 1 3 铌酸锶钙钡( c s b n ) 晶体国内外研究进展 1 3 1c s b n 晶体的特点 j 。： 具有钨青铜结构的铌酸盐晶体许多是优良的光折变材料，由于其内部存在大 量的结构空位，因此可以通过分子设计和离子填充进一步提高此类晶体材料的质 量或改变其各种性能，一直是光学晶体研究的热点。近年来，这方面的研究非常 迅速。铌酸锶钙钡晶体( 分子式( c a 0 2 s b a 0 7 2 ) ，( s r o 6 0 b a 0 4 0 ) h 6 2 d 6 ，简写为c s b n ) 是由山东大学晶体材料国家重点实验室新近生长的一种光折变晶体材料 2 3 】。 c s b n 晶体和s b n 晶体是无限固熔体，具有钨青铜结构、非中心对称性，属四 方晶系，点群为4 m m ，空间群为p 4 b m 。在晶体生长时，根据需要，通过调整不 同组分的合成比例，可获得不同规格的c s b n 或s b n 固熔体。根据c s b n 晶 体通式中的下标x 的不同取值，可分为三种型号的晶体c s b n 2 5 ( x = 0 2 5 ) ， c s b n 5 0 ( x = 0 5 0 ) 和c s b n 7 5 ( x = 0 7 5 ) 。c s b n 晶体的铁电相变温度比s b n 晶体有了较大的提高( c s b n 7 5 ，2 1 0 0 c ；c s b n 5 0 ，1 8 0 0 c ；c s b n 2 5 ，1 2 8 0 c ) ， 同时具有类似s b n 晶体的负的热膨胀及负的热扩散特性，并且其负的热膨胀及 山东大学硕士学位论文 负的热扩散性能随着组分比的差异而改变；与s b n 的吸收特性相比较，三种不 同组分比的c s b n 晶体均在6 7 0 n m 波长附近附加了一个小的吸收带，其波长响 应范围进一步向红光和红外区扩展；另外，c s b n 晶体具有比较大的电光系数、 简单的畴结构( 1 8 0 。的畴) 、在外电场条件下比较容易极化等特性，是一种优良 的非线性光折变晶体材料 2 4 2 6 】。本文主要研究的c s b n 5 0 晶体的部分参数如 下 2 7 - 介电系数 毛1 = 2 2 = 2 4 4 ( 室温) 3 3 = 1 1 0 0 折射率 r o = 2 3 6 6 ( 5 3 2 n m ) 心= 2 2 9 7 ，1 3 = 9 8 4 x 1 0 1 2 m v 电光系数 y 3 3 = 1 6 1 x 1 0 1 2 m v 居里点1 8 0 。c 表1 1c s b n 5 0 晶体的参数 1 3 2 铌酸锶钙钡( c s b n ) 晶体国内外研究进展 2 0 0 8 年德国科隆大学晶体研究所也成功地生长了具有不同合成组分比的 c s b n 晶体 2 8 。但迄今为止，除我们课题组多 1 - 2 4 2 6 ，2 9 3 4 】，对该材料的光折变 性能的相关研究，国内外尚未见其他报道。以2 0 0 7 年开始，高成勇 2 4 2 6 ，2 9 3 4 】 等人主要研究了c s b n 晶体的光折变特性、自相位共轭特性、热物理特性、动态 光折变和双折射特性、以及锥光干涉等。对于c s b n 晶体在全息存储方面的应用 尚没有相关研究。 s b n 晶体与c s b n 晶体都是钨青铜结构铌酸盐，对掺杂的s b n 晶体研究 较为广泛。1 9 8 8 年，岳学峰 3 5 】等人实现了c e s b n 晶体在6 3 2 8 n m 处的高灵 全息存储。2 0 0 1 年，z h a oj 3 6 等人以c r ：s b n 晶体为记录元件进行了两波耦 实验，实验观察到此晶体两波耦合程度很高，能量损失少，具有很好的光折变 4 东大学硕士学位论文 能，是一种良好的全息存储材料。2 0 0 3 年，周玉祥 3 7 1 等人以c e ：c u ：s b n 晶体 作记录元件，进行全息存储实验，发现其响应时间很短为1 3 s ，再现图像清晰， 存储性能优于s b n ，c e ：s b n ，c u ：s b n 晶体。2 0 0 4 年，刘彩霞【3 8 等人以 c e ：e u ：s b n 晶体作为存储元件和位相共轭镜进行全息关联存储实验，其再现图 像质量好，信噪比高；对于s b n 晶体，虽然用正常的实验方法，记录保存时间 较短，只有几分钟到几个小时，但可以通过将读出光的偏振方向旋转9 0 。的手段 来延长s b n 晶体的存储时间，用这种方法，可连续读出s b n 晶体中记录信息 超过6 小时，另外也可以通过电固化等技术对全息存储图片进行固定，实现全息 图的长时间存储1 3 9 1 。 1 4 光折变晶体的体全息存储 1 4 1 光折变效应 光折变效应是光致折射率改变效应的简称，即电光材料在光辐射下，折射率 随光强的空间分布而变化的一种非线性光学现象。为了解释光折变效应，y e n p 提出了一个简单的能带模型，如图1 - 1 所示【4 0 】。 ， h v 卜r 、卜卜卜产 导带 施主 乃7 乃7 乃7 丽价带 图1 1 光折变介质的能带模型 设在光折变介质中所有的施主杂质都相同，并处于带隙的同一能级上。光折 变介质受光照时，杂质施主中的电子以一定的概率被激发，由杂质能级跃迁至导 带中去，电离后的施主又可能俘获新的电子。在两束相干光照射到光折变介质中 的情况下，光强是周期性分布的。 山东大学硕士学位论文 ，2 “+ a - a 矿一e 派。0 - 1 ) = i o , + m c o s ( k 。r ) 式中，厶为入射光强，l o = + 乞，k 为光栅矢量，m 为干涉条纹的调 制度。 在亮区介质吸收光子产生的电子比暗区多，而向暗区扩散，最终致使正电荷 分布在亮区，负电荷分布在暗区，形成空间电荷场，并最终达到平衡。空间电荷 场分布为： 占支( z ) - - 一m e s c 。c o s ( k z + ) ( 1 2 ) 式中l 为空间电荷场，k 为光栅矢量在z 方向的分量，为空间电荷场相 对干涉条纹的空间相移。 由于线性电光效应( p o c k e l s 效应) ，在晶体中形成了折射率在空间的调制变 化，即在晶体内写入了体相位栅。折射率在空间的调制变化为： ，z ( z ) = 一( 删，e f f g s cc o s ( 琏z + 州( 1 - 3 ) 式中是晶体的折射率，r e f f 是晶体的有效电光系数。 1 4 2 耦合波理论 k o